一种基于能量特征的结构面缺陷评价方法与流程

本发明涉及地质检测方法技术领域，具体地指一种基于能量特征的结构面缺陷评价方法。

背景技术：

结构面检测(structuresurfacedetection)，工程建设中，通常出现大量固定构建的安装，随着工程项目的运营使用，结构会出现不同的变形、脱落等病害，所以需要定期对结构面进行病害检测。结构面检测的内容主要有脱空检测、变形检测等，采用手段主要采用地质雷达法进行检测。

地震反射波法(seismicreflectionmethod)，利用地震反射波进行人工地震勘探的方法，是资源勘探的首要手段，勘探结果能较准确地确定界面的深度和形态，圈定局部构造，判断地层岩性。主要采用单道连续剖面法和多道连续剖面法两种，而为了提高信噪比，在多道连续剖面法中还广泛采用共深点反射技术。获得采集数据后，通过特殊处理流程获得地层反射波剖面，综合相关资料进行解释最终获得地层属性特征。

结构面检测技术中地质松散度是反映地质结构情况的重要参数，当前针对松散度检测主要是依靠地质雷达法进行检测，如专利号为“cn10564188a”的名为“基于探地雷达成套设备的路面结构内部质量状况评价方法”的中国发明专利，该专利介绍了一种通过地质雷达法探测路面结构内部对其进行状况评价的方法，该方法主要是根据高频电磁波遇到结构面反射回的波场特征进行结构面情况的判断，成果为一结构面的剖面图或者多测线形成的三维成果。然后通过最后的三维结构判断岩体缺陷分布情况等质量状况，这种测量方法需要使用专用的地质雷达设备，而且这种方法只能大致判断缺陷分布程度，并不能对其量化，缺少评价参数标准，难以进行大范围的推广。

技术实现要素：

本发明的目的就是要解决上述背景技术中现有地质缺陷测量方法存在缺少量化手段、无法精确评判的问题，提供一种基于能量特征的结构面缺陷评价方法。

本发明的技术方案为：一种基于能量特征的结构面缺陷评价方法，其特征在于：包括以下步骤：1)、沿检测或勘察的介质表面布置测点；

2)、逐点激发采集每个测点处的信号；

3)、对信号进行数据处理，计算测点处的直达波能量值er和反射波能量值ed；

4)、按照如下公式计算该测点处介质结构面能量系数；

其中：ce——结构面能量系数；

ed——反射波能量值；

er——直达波能量值；

当结构面能量系数ce小于或等于a时，认为该测点处的结构面无异常情况，当结构面能量系数ce大于a时，认为该测点处的结构面存在离缝、脱空等缺陷。

进一步的所述的步骤1)中，按照地震反射波多次覆盖原理，在检测或勘察的介质表面沿线性布置测点。

进一步的所述的步骤2)中，每个测点在采集数据时，每个测点上激发一次机械波信号，每个测点上设置有多个传感器接受激发的信号，逐个测点依次进行，直至完成所有测点激发。

进一步的所述的步骤3)中，数据处理的方法，通过带通滤波器对获取数据进行处理，可将数据变换到共中心点道集形式。

进一步的所述的步骤3)中，计算直达波能量值的方法为：通过频谱分析获得直达波分析主频，基于直达波主频确定直达波能量提取时的时间窗口长度，计算直达波速度并按照该长度确定时间窗口，对该时间窗口内直达波的时距曲线扫过的数据能量累积求和，获得直达波能量值；

计算反射波能量值的方法为：以直达波能量提取时的时间窗口长度为反射波能量提取时的时间窗口长度，根据直达波速度、每道信号的偏移距离确定该时间窗口长度对应的反射波能量累积求和的时间窗口，对该时间窗口内反射波的时距曲线扫过的数据能量累积求和，获得反射波能量值。

进一步的获取直达波速度的方法为：拾取直达波起跳时间，对拾取的直达波时间散点，采用直线方程进行拟合，以激发点到接收点的距离即炮检距为自变量，直达波起跳时间为因变量，拟合的直线斜率即为直达波速度。

进一步的根据直达波主频确定能量累积求和的时间窗口长度，按照下列公式计算直达波在该长度的时间窗口内的中位时间：

其中：t1——直达波时间窗口的中位时间值；

x——每道信号对应的偏移距离；

vel0——直达波的速度；

根据中位时间值和已知的时间窗口长度确定直达波时间窗口的划分。

进一步的根据直达波主频确定能量累积求和的时间窗口的长度，按照下列公式计算反射波在该长度的时间窗口内的中位时间：

其中：t2——反射波时间窗口的中位时间值；

x——每道信号对应的偏移距离；

h——测点的结构面深度；

vel0——直达波的速度；

根据中位时间值和已知的时间窗口长度确定反射波时间窗口的划分。

进一步的按照下列公式计算时间窗口长度：

(2是经验值，通常在1.0～2.0之间)

其中：lwin——时间窗口长度；

f0——直达波主频。

进一步的所述的a取值为1≤a≤3。1.25为经验值，实际应用时可以根据实际情况修订。

本发明无需对现有设备进行改变的情况下，通过对地震反射波法获取的数据进行特定流程数据处理，获得已知结构面的评价指标——结构面能量系数，对测点处的结构面结构情况进行量化分析，对工程应用有直接指导意义，填补了已知结构面质量无损检测空白。

附图说明

图1：评价方法流程图；

图2：高铁无碴轨道板超声波检测测线布置图；

图3：超声波共炮点道集原始记录；

图4：超声波共炮点道集预处理记录；

图5：超声波共炮点道集直达反射拾取记录；

图6：结构面能量系数成果图。

具体实施方式

附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

对某高铁轨道板结构离缝进行检测，使用超声波(实际上只要是机械波均可以)反射法进行检测，沿着轨道横向方向间隔布置多条测线，每条测线沿轨道纵向布置，每条测线包括多个测点，如图2所示，为本实施例的测点布置结构。每条测线均匀布置测点，相邻测点之间的间距为0.2m，每个测点都进行数据采集测量时，将带有超声换能器的装置放置在测点上，激发超声换能器，超声波的频率为30khz，装置上设置有11个接受传感器，相邻传感器之间间隔0.03m，每个传感器都接受到激发的超声波信号，然后收集处理。

每个测点采集得到一个共炮点道集，采集获得原始数据如图3所示。对原始记录进行带通滤波处理，得到如图4所示的记录。对预处理记录拾取波形起跳点得到初至曲线，如图5中的曲线1，通过线性拟合得到该曲线的斜率，现以某点为例，可以求得直达波速度vel0＝3025m/s，对直达波进行频谱分析，可以获得直达波主频f0＝18.2khz。

划定能量累积求和的时间窗口长度，本实施例的时间窗口长度是通过直达波主频f0来确定的，根据下列公式计算时间窗口长度：

其中：lwin——时间窗口的长度；

f0——直达波分析的主频，

根据上述公式求得lwin＝0.11ms。

然后计算该长度的时间窗口内的中位时间值，直达波和反射波分别对应不同的中位时间值，按照下列公式计算直达波在该长度的时间窗口内的中位时间值：

其中：t1——直达波时间窗口的中位时间值；

x——每道信号对应的偏移距离；

vel0——直达波的速度；

计算获得的直达波中位时间值表如下：

根据中位时间值和已知的时间窗口长度确定时间窗口的划分，即时间窗口为[t1-lwin/2～t1+lwin/2]，最大值和最小值分别对应直达波能量叠加时间上界限曲线(如图5中的曲线2)和直达波能量叠加时间下界限曲线(如图5中的曲线3)。计算该时间窗口范围内直达波的时距曲线扫过的数据能量累积求和(即图5中直达波能量叠加时间上界限曲线和直达波能量叠加时间下界限曲线之间的部分能量累积求和)，获得直达波能量值er。

计算该长度的时间窗口内的截面反射波对应的中位时间值，按照下列公式计算反射波在该长度下的时间窗口内的中位时间：

其中：t2——反射波时间窗口的中位时间值；

x——每道信号对应的偏移距离；

h——测点的结构面深度，本次检测h＝25cm；

vel0——直达波的速度；

计算获得的反射波中位时间值表如下：

根据中位时间值和已知的时间窗口长度确定时间窗口的划分。即时间窗口为[t2-lwin/2～t2+lwin/2]，最大值分别对应反射波能量叠加时间上界限曲线(如图5中的曲线4)和反射波能量叠加时间下界限曲线(如图5中的曲线5)。计算该时间窗口范围内反射波的时距曲线扫过的数据能量累积求和(即图5中反射波能量叠加时间上界限曲线和反射波能量叠加时间下界限曲线之间的部分能量累积求和)，获得反射波能量值ed。

按照下列公式计算结构面能量系数：

其中：ce——结构面能量系数；

ed——反射波能量值；

er——直达波能量值；

计算获得结构面能量系数的成果图如图6所示，当结构面能量系数ce小于或等于1.25时，认为该测点处的结构面无异常情况，观察轨道板上的离缝分布情况，对于结构面能量系数显示的无缺陷位置，并没有发现轨道板出现离缝情况，证明此位置的轨道板下方为致密结构，无缺陷，验证了本实施例的能量系数评价方法是正确的。当结构面能量系数ce大于1.25时，认为该测点处的结构面存在离缝、脱空等缺陷，通过观察轨道板上的离缝分布情况，该测点处的轨道板出现离缝情况，证明因为轨道板下方介质为松散状态，轨道板由于下方受力不均匀，松散介质难以提供足够的支撑作用力，因此出现离缝，证明本实施例的测量评价方法是准确的。

1.25为经验值，实际应用时可以根据实际情况修订。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。