一种堆石坝水下混凝土面板裂缝的检测装置及其检测方法

摘要

本发明公开了一种堆石坝水下混凝土面板裂缝的检测装置及其检测方法，该检测装置包括牵引装置、随牵引装置移动且与混凝土面板接触的感应装置、固定于牵引装置上用于振击混凝土面板的激励装置，所述感应装置和激励装置上分别安装有用于采集所述振动信号的信号采集仪；还包括用于接收并处理所述信号采集仪采集到的振动信号的信号处理装置，所述信号处理装置根据激励装置和感应装置上采集到的振动信号识别裂缝情况。该方法通过对激励信号和响应信号的分析处理，构建基于ARX模型参数的损伤诊断指标，给出混凝土面板的损伤分布情况，能够实现堆石坝混凝土面板水下目标区域的裂缝等损伤的检测，具有高效准确、稳定性高、操控性强、检测成本低的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种面板裂缝的检测装置及其检测方法，尤其涉及一种堆石坝水下混凝土面板裂缝的检测装置及其检测方法。

背景技术

混凝土面板堆石坝是以堆石材料为支撑结构，并在上游设置面板作为防渗结构的一种堆石坝，具有适应性较好和经济效益明显等特点。随着设计水平的提高和筑坝施工方法的日益成熟，出现了百米级坝高的混凝土面板堆石坝。而高面板坝的应力变形、结构稳定及面板裂缝机理较传统堆石坝更加复杂，上游面板在施工期和蓄水期时有不同程度的开裂现象，包括由坝体不均匀变形造成的结构性裂缝、混凝土本身性能而产生的收缩裂缝以及外界温度变化引起的温度裂缝等，这些裂缝的产生直接影响到大坝运行状态，因此堆石坝面板裂缝的及时检测对工程结构的安全稳定运行起着重要的作用。

传统的裂缝监测通常在重点检测部位埋设传感器等方式，但这种方式存在一些弊端：仪器存活率随坝体运行会不断降低、坏损仪器的更换难度大、监测范围十分有限以及难以识别裂缝的数目和形态等。同时由于结构应力和温度等原因，堆石坝的面板裂缝较多处于水面以下，传统裂缝检测手段在此工作环境下会受到局限，导致检测难度增大。

作为改进，主流的检测方法有人工潜水巡检和水下无人机拍照检查两种。人工潜水检查可实现对面板细微裂缝的有效识别，但人工巡检对设备和人员能力要求较高，人为误差难以避免，并且工作人员下潜深度有限，危险水域的检查可行性较低，尤其对于高坝，从而难以实现对面板的全范围检查；水下无人机检查对设备精度要求很高，但仍受限于水下清晰度或水下流速等复杂的工作环境问题，无法有效识别面板裂缝状态，并且设备成本过于昂贵。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种准确、简便、操作性强的堆石坝水下混凝土面板裂缝的检测装置；

本发明的另一个目的是提供一种利用堆石坝水下混凝土面板裂缝的检测装置检测裂缝的方法。

技术方案：本发明所述的堆石坝水下混凝土面板裂缝的检测装置，包括牵引装置、随牵引装置移动且与混凝土面板接触的感应装置、固定于牵引装置上用于振击混凝土面板的激励装置，所述感应装置和激励装置上分别安装有用于采集所述振动信号的信号采集仪；还包括用于接收并处理所述信号采集仪采集到的振动信号的信号处理装置，所述信号处理装置根据激励装置和感应装置上采集到的振动信号识别裂缝情况。

优选地，所述信号处理装置将激励装置和感应装置上的信号采集仪分别采集到的振动信号作为时间序列ARX模型的输入和输出信号，通过对所述ARX模型参数进行估计从而识别裂缝情况。

优选地，所述激励装置包括可绕转轴转动用于交替振击凝土面板的激励双锤，所述感应装置包括两个相互连接的滚动机构。

优选地，所述激励装置的激励双锤振击点间距与感应装置的两个滚动机构的间距相等。

优选地，所述激励双锤交替振击的频率为两个滚动机构的间距和牵引装置行进速度的函数。

优选地，所述激励双锤和两个相互连接的滚动机构上分别安装有信号采集仪。

优选地，所述牵引装置上固定有用于控制牵引装置行进的控制装置、对行进位置进行定位的定位装置。

优选地，所述牵引装置上固定有用于将所述信号处理装置处理的信号分别进行存储及与外界进行信息传输的存储装置、通讯装置。

上述堆石坝水下混凝土面板裂缝的检测装置检测裂缝的方法，包括以下步骤：

(1)将牵引装置放置于水下混凝土面板目标检查区域并行进，激励装置振击目标检测区域；

(2)激励装置上的信号采集仪采集并记录振动信号，记为激励信号；感应装置上的信号采集仪接收并记录通过混凝土面板传导的振动信号，记为响应信号；

(3)所述信号处理装置接收所述激励信号和响应信号并处理：所述激励信号和响应信号分别作为时间序列ARX模型的输入、输出信号，然后利用所述ARX模型参数建立损伤指标，根据检测区域各部位的损伤指标和拓扑关系得出混凝土面板的损伤指数云图，进而对混凝土面板的裂缝损伤部位和损伤状态进行诊断。

优选地，在步骤(3)之前，所述振动信号经过处理用于消除不平整影响。

有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、通过对激励装置和感应装置上信号采集仪采集到的信号进行处理和分析，可得出混凝土面板检测区域是否存在裂缝损伤及损伤部位，具有准确、简便、操作性强的优点。2、在信号处理装置采集信号进行分析之前，通过激励双锤的设置，消除由于面板表面不平整造成的检测误差，使得检测结果更加准确。3、通过对激励信号和响应信号的分析处理，构建基于ARX模型参数的损伤诊断指标，给出混凝土面板的损伤分布情况，能够实现堆石坝混凝土面板水下目标区域的裂缝等损伤的检测；4、利用ARX模型结合不平整误差消除方法，使得裂缝检测更加准确、高效。5、能够有效避免水下复杂环境的影响，并可实现对混凝土面板的全范围检查。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。

如图1、2所示，本发明提供了一种堆石坝水下混凝土面板裂缝的检测装置，包括牵引装置1、感应装置2，牵引装置1与感应装置2之间通过减震装置3相连，激励装置4装配在牵引装置1下部，感应装置2和激励装置4上分别固定有信号采集仪5，信号采集仪5与信号处理装置6电连接。

牵引装置1为牵引车，感应装置2包括两个相互连接的滚动机构，两个滚动机构为材质、大小相同且前后相连的单车轴挂车，即，前挂车21、后挂车22，前挂车21、后挂车22上分别安装有信号采集仪5；激励装置4包括绕轴转动的激励双锤，牵引车车轮的齿轮传动机构控制激励双锤转动，激励双锤包括前激励锤41、后激励锤42，前、后激励锤上分别安装有信号采集仪5，前、后激励锤的间距与前、后挂车的车轮轴间距一致，在本发明装置行进过程中，前、后激励锤交替冲击混凝土面板，振击频率为前、后挂车的车轮轴间距和装置行进速度的函数。信号采集仪5均为加速度传感器。

牵引装置1上还安装有存储装置7、通讯装置8、定位装置9、控制装置10；其中，存储装置7用于存储采集仪反馈的激励信号、响应信号以及处理后的激励信号、响应信号；通讯装置8用于实现本发明装置与远程工作站之间的信息传递；定位装置9用于对行进位置进行定位；控制装置10用于控制牵引装置1在混凝土面板上按照预设路径行进。

本发明提供了利用上述堆石坝水下混凝土面板裂缝的检测装置检测裂缝的方法，包括以下步骤：

将牵引车连接牵引绳，放置于混凝土面板水下目标检测区域，牵引车以一定速度在目标区域进行搜寻。牵引车在行进过程中，通过传动齿轮机构控制激励装置4的两个激励锤41、42以固定周期不断依次振击牵引车下部的混凝土面板，激励双锤的振击频率可通过牵引车1行进速度控制。单次振击的检测范围为冲击点部位与单车轴挂车轮胎部位之间的混凝土面板区域，当牵引车下部混凝土面板受到人工冲击激励时，前、后挂车的轮胎会感应到通过目标区域混凝土面板传导过来的动力响应信号，固定于前、后挂车上的信号采集仪5便会接收到该信号。

损伤指标代表由结构缺陷引起的传输能量损伤大小，当损伤指标值接近零，结构处于健康状态，当其大于阈值时，表明结构在该部位出现了裂缝等损伤，且指数值越大，意味着结构受损程度越大，如裂缝深度和宽度。本发明通过跟踪ARX模型的时变参数变化，提出一种结构损伤指标，所采用的时序ARX模型为：

式中：u(t)、y(t)分别为时间序列模型的响应输入和输出信号；ξ(t)为与误差和模型不确定性有关的白噪声信号；a

将采集到的激励信号作为输入，经消除不平整误差处理后的响应信号作为模型输出，对时序ARX模型进行参数估计。若混凝土面板结构出现裂缝等损伤时，会削弱结构整体性，引起结构刚度产生变化，改变结构的动力特性，ARX模型系数和相关参数也将发生明显改变，因此可采用时序ARX模型参数的建立损伤指标，进而对混凝土面板检测部位的损伤状态进行诊断。

实际工程中混凝土面板表面往往存在不平整现象，此情况会改变感应挂车的运动状态，进而影响到振动传感器采集到的信号，因此需要消除此现象带来的影响。假定检测装置以固定速率v在坝面上行进，两单车轴挂车间距为d，则需要设置激励装置两振锤的冲击间隔时间为d/v。在检测装置行进过程中，两个单车轴挂车的动力方程可表示为：

式中：下标i＝1,2分别代表前后两个单车轴挂车的物理量；m、c、k分别为单车轴挂车的质量、挂车轮胎的阻尼和刚度，由于挂车轮胎的阻尼力较小，因此计算过程忽略阻尼项；z

在一次激励Δt＝d/v时间后，后挂车22行进到前挂车21上次激励所处位置，此时对激励装置对式(2)进行整理可得：

式(3)表明可以通过前、后挂车的残余加速度以消除面板不平整造成的影响。

根据公式(3)对各次振击后采集到的振动信号进行处理，得到两个感应装置的残余振动信号，然后根据激励信号和处理后的响应信号建立时序ARX模型，计算出检测区域各部位的损伤指标值D