CN112255274A - 一种古城墙隐伏缺陷的无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，该方法通过地质雷达检测技术筛查古城墙夯土以及砌砖内部的隐伏缺陷和尺寸。该检测方法包括以下步骤：一、结构信息调研和资料收集，研究古城墙病害的类型及形成原因，为后期检测提供判断依据；二、测线布置，对古城墙容易形成病害的区域做到全覆盖；三、地质雷达初探，获取古城墙隐伏缺陷的初步信息；四、地质雷达加密复测，提高隐伏缺陷的探测精度，形成内部隐伏缺陷立体分布图。本发明方法步骤简明，操作简单，能快速有效地筛查出古城墙内部隐伏缺陷，为后续古城墙结构的安全评估、维护和修缮提供理论依据和技术支撑。

Description

一种古城墙隐伏缺陷的无损检测方法

技术领域

本发明属于古建筑保护技术领域，特别涉及一种古城墙隐伏缺陷的无损检测方法。

背景技术

古城墙多为砖表土芯结构，即内部为夯土墙2，外部为砌砖墙体1，同时还包括了女儿墙3、海墁4以及垛墙5，如图1。古城墙是人类文明发展的重要遗产，在漫长的岁月里经历风吹日晒的侵蚀和人类活动的破坏作用，存在着许多隐患，如土体不均、隐伏断裂、空洞、脱空等。上述隐患对墙体的安全造成了潜在的危险，因此准确获得缺陷信息，确定其位置范围，对古城墙修复工程设计和复原方案制定就显得十分重要。传统的探测方法是采用观形变、叩击、钎探、铲孔和开挖等有损检测手段，如此导致了未修先损、漏点多、频繁修补局面，无法实施较为彻底的工程修复。为了防止探测过程中对墙体造成不必要的损害，无损高效的物理勘探手段就显得格外重要。

随着物探技术的大力发展，面波法、高密度地震映像法、高密度电法、和探地雷达方法等物探技术在文物保护领域得到广泛应用。面波法虽然具有检测深度较大，检测精度较高，对场地条件要求不高的优势，但是此方法属于点测方式，所获取的墙内信息为相隔一定间距的离样本，不能给出地下目标体连续的分布信息，易出现漏掉或误判有用信息；高密度地震映像法具有测点密、信息量大、可连续追踪地下不同岩土性界面、水平分辨率高等特点，但存在对垂向分辨力较低，并难以实现垂向空洞的定量反演计算，受直达波影响其浅部有用信息难以分辨；高密度电法可以获得较丰富的断面结构特征的地质信息，提高了资料的解释精度，但在对异常体的数据进行处理时，由于平滑处理作用，不易发现到较小的空洞，并有对异常区有扩大的作用；而该方法具有检测深度较大，检测精度较高，对场地条件要求不高的优势；而探地雷达检测技术具有可连续获取墙内土体分布信息，分辨率较高等优势，但因该方法采用的是高频电磁波，由于导电介质中的电磁波存在着趋附效应，导致为提高检测分辨率增加工作频率而使检測深度减小结果，为加大检测深度降低工作频率而使分辨率减小的矛盾。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，该方法借助探地雷达检测技术，通过变换不同的采集参数对同一测点(缺陷区域)进行多次加密探测，对波形信号进行综合分析来判识不同隐伏缺陷所产生的波形变化，提高资料的准确性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，包括如下步骤：

步骤一、结构信息调研和资料收集，对古城墙的结构特征、空间尺寸进行初步测量，并收集以往病害信息；

步骤二、根据步骤一的结构特征和以往病害分布的实际情况，确定检测线布设位置及路线；

步骤三、采用地质雷达进行无损探测，初步确定古城墙内部隐伏缺陷地质雷达异常区域；

步骤四、选取地质雷达异常区域，改变参数加密检测线，实现对异常区域的精细复测，提高隐伏缺陷的探测精度，形成内部隐伏缺陷立体分布图。

所述隐伏缺陷包括：夯土墙裂隙、夯土墙密实不均、夯土墙空洞、砌砖墙裂隙、砌砖墙体与夯土墙脱空。

所述结构特征包括：结构底宽顶窄，外部砌砖，内部用土夯筑。

所述检测线布设原则为：分别在古城墙顶部以及古城墙外墙沿走向布设地质雷达检测线，以使地质雷达对古城墙容易形成病害的区域做到全覆盖。

所述在古城墙顶部的检测线线距为1.0～2.0m，其中距女儿墙及垛墙最近检测线的距离均为0.5m，古城墙外墙的检测线线距为1.0～2.0m，其中距海墁顶面及墙底最近检测线的距离均为0.5m。

所述地质雷达异常区域包括夯土墙体的土体裂隙区域、土体密实不均区域和土体空洞区域以及砌砖墙体的墙体内裂隙区域和墙体脱空区域，在地质雷达图像上，土体裂隙区域表现为同相轴被错动或同向轴断断续续；土体密实不均区域表现为同相轴不连续、分散；土体空洞区域表现为双曲线，反射波同相轴成弧型，并有多次波干扰；墙体内裂隙区域表现为同相轴被错动或同向轴断断续续；墙体脱空区域表现为单次震荡反射，振幅较大，同相轴连续。

所述古城墙夯土墙检测采用100MHz收发单置屏蔽天线；砌砖墙体检测采用400MHz收发单置屏蔽天线。

所述步骤三中，为保证垂直方向的测试精度，通过如下步骤获取土体以及砌砖的介电常数：

301、精确丈量待测体即夯土墙和砌砖墙的几何厚度和收发天线间距x；

302、分别进行探地雷达100MHz，400MHz的测试，获取待测体的顶底板反射波；

303、读取顶底板反射波的时差，连同收发天线间距一并代入公式

计算出波速；

304、将上述波速代入公式

推算出相对介电常数；

式中，z为反射体深度，单位为m，x为收发天线间距，单位为m，t为双程走时，单位为ns，v为地质雷达实测得到的电磁波速，单位为m/ns，c为电磁波在空气中的传播速度，ε为介电常数，雷达采样时窗宽度W与测深和介电常数有关，

H为探测深度；

为保证垂向分辨率，采样点数尽量选择大值，对于不同的天线频率f、不同的时窗宽度W，选择样点数S应满足关系式S≥10^-8×W×f；

为保证测试的水平精度，每隔2m定点做标记，检测过程中匀速拖动天线；

为获得清晰的解释图像，将试验数据进行处理与反演。

所述加密测线的布置原则为：采用纵向、横向探测相结合的方式，呈网格化布置，所述网格化布置的步骤如下：

401、依据纵向主检测线上获取的某一缺陷的最大深度，选取更高频率的天线，同时改变地质雷达的时窗宽度以及采样点数在内的参数，提高加密检测路径的检测精度；

402、在地质雷达显示异常的相邻两条纵向主检测线间添加一条同方向的辅助检测线，其中辅助检测线与两相邻主检测线间的间距相等，辅助检测线长度为2l，l为通过纵向主检测线初步获取的该缺陷最大长度，每条辅助检测线的起点和终点距该缺陷最大长度中点所在垂线的垂直距离均为l；

403、在纵向检测线的垂直方向布置横向检测线，其中夯土墙的横向检测线间距为0.25m，砌砖墙体的横向检测线间距为0.1m；横向检测线的长度为2w，w为步骤402获取该隐伏缺陷在横向的最大宽度，每条横向检测线起点和终点距该缺陷最大宽度中点所在垂线的垂直距离均为w；起始横向检测线与纵向辅助检测线的起点连线重合，末位横向检测线与纵向辅助检测线的终点连线接近或者重合，横向检测线检测区域长度不小于2l且不大于2.5l。

与现有技术相比，本发明存在以下优点：

1、可以兼顾探测深度和空间分辨率，具有无损、高精度、探测成果直观、现场检测快速、便捷等优点；

2、可平行以及垂直于探测对象走向任意加密测线，准确完整地勾勒探测对象隐伏缺陷的精确位置，拓宽了地质雷达探测技术在古建筑修复工程中的应用领域，适合在古城墙病害调查中大范围使用。

附图说明

图1是古城墙结构示意图。

图2是本发明检测的流程图。

图3是古城墙隐伏缺陷类型示意图。

图4是本发明地质雷达纵向主检测线示意图。

图5古城墙主要缺陷地质雷达图像判定图

图6是本发明雷达数据处理流程图。

图7是异常区域地质雷达探测网布置示意图。

图8是地质雷达纵向检测剖面示意图。

图9是地质雷达横向检测剖面示意图。

图10是古城墙内部隐伏缺陷的立体分布图。

附图标记说明：

1 砌砖墙体； 2 夯土墙； 3 女儿墙；

4 海墁； 5 垛墙； 6 夯土墙裂隙；

7 夯土墙密实不均区域； 8 夯土墙空洞； 9 砌砖墙裂隙；

10 脱空区域； 11 地质雷达海墁纵向主检测线

12 地质雷达外墙纵向主检测线； 13 异常区域纵向辅助检测线；

14 异常区域横向检测线； 15 地质雷达异常区域；

16 地质雷达纵向检测剖面； 17 缺陷纵向边界关键点；

18 地质雷达横向检测剖面； 19 缺陷横向边界关键点；

20 三维坐标系； 21 古城墙内部隐伏缺陷；

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，采用的设备为地质雷达，可检测的隐伏缺陷至少包括：夯土墙裂隙、夯土墙密实不均、夯土墙空洞、砌砖墙裂隙、砌砖墙体与夯土墙脱空。

参图2，介绍本发明古城墙隐伏缺陷的无损检测方法的具体实施方式，包含以下步骤：

步骤一、结构信息调研和资料收集，对古城墙的构造特征、空间尺寸进行初步测量，并收集以往病害信息，对病害类型及形成原因进行初步调研分析，为后期检测提供判断依据。

步骤二、根据步骤一的结构特征和以往病害分布的实际情况，确定地质雷达检测线布设位置及路线，布设原则为：分别在古城墙顶部以及古城墙外墙沿着古城墙长度方向布设地质雷达纵向主检测线，保证地质雷达对古城墙容易形成病害的区域做到全覆盖。

具体地，参考图3和图4，检测内容及方法包括：夯土墙裂隙6、夯土墙密实不均区域7以及夯土墙空洞8，则沿古城墙顶部即海墁4顺墙走向布置地质雷达海墁纵向主检测线11，线距1.0～2.0m，其中距女儿墙3及垛墙5的最近海墁纵向主检测线11的距离均为0.5m；检测砌砖墙裂隙9以及砌砖墙体1与夯土墙2之间的脱空区域10，则沿外墙顺墙走向布置地质雷达外墙纵向主检测线12，线距1.0～2.0m，其中距海墁4顶面及墙底最近外墙纵向检测线12的距离均为0.5m。

步骤三、采用地质雷达进行对古城墙的夯土墙2以及砌砖墙体1进行整体观测和检测，依据图像解释，初步获取古城墙内部隐伏缺陷的类型和相对位置，如表1所示。

表1古城墙主要缺陷的地质雷达图像判定标准

需要说明的是，步骤三中，鉴于古城墙的高度一般小于15m，墙体内夯土的电阻率大于200Ω·m，同时为了满足最小分辨尺寸小于0.5m等因素，则夯土墙2检测建议采用100MHz收发单置屏蔽天线；对于墙体侧面砌砖检测中，因砌砖厚度一般小于2m，砌砖电阻率大于500Ω·m，同时为了满足探测精度小于0.05m，则砌砖墙体1检测一般采用400MHz收发单置屏蔽天线。

同时，为保证垂直方向的测试精度，需要获取土体以及砌砖的介电常数，具体步骤如下：

301、精确丈量待测体(砌砖墙体1和夯土墙2)的几何厚度(一般通过墙体断面或者已知段)和收发天线间距x；

302、分别进行探地雷达100MHz，400MHz的测试，获取待测体的顶底板反射波；

303、读取顶底板反射波的时差，连同收发天线间距一并代入公式(1)计算出波速；

304、将上述波速代入公式(2)推算出相对介电常数。

式(1)、式(2)中，z为反射体深度，单位为m，x为收发天线间距，单位为m，t为双程走时，单位为ns，v为地质雷达实测得到的电磁波速，单位为m/ns，c为电磁波在空气中的传播速度(c＝0.3m/ns)，ε为介电常数。

305、当不满足301～304求解介电常数的条件时，可参照表2选取古建筑中常用的建筑材料介电常数。

其中地质雷达的采样时窗宽度W与测深和介电常数有关，符合公式(3)。

式(3)中，H为探测深度。

为保障地质雷达能有效探测目标体深度，一般可将采样时窗长选为2W。

为保证较高的垂向分辨率，在允许的情况下采样点数尽量选择大值。对于不同的天线频率f、不同的时窗宽度W，选择样点数S应满足关系式(4)：

S≥10^-8×W×f (4)

为保证测试的水平精度，可每隔2m定点做标记，检测过程中则务必匀速拖动天线。

为获得较清晰的解释图像，需要将采集的数据进行处理与反演，常用的分析方法有常规滤波和其他滤波处理，主要步骤有：零线设定、一维滤波、背景去噪、增益控制等，小波变换、反褶积等滤波处理方法，具体处理流程可参照图6所示。

步骤四、在通过探测雷达得到地质异常点后，即获取了古城墙上的地质雷达异常区域15部分信息，为了提高对异常点的探测精准度，根据实际探测需要改变参数加密测线，在纵向主测线间增加辅助测线，在垂直于纵向主测线的方向布置横向检测线，实现对地质雷达异常区域15的精细探测，提高隐伏缺陷的探测精度，形成内部隐伏缺陷立体分布图。

具体地，采用纵向、横向探测相结合的方式，提升探测密度，异常点探测网布置如图7所示，操作步骤如下：

401、依据纵向主检测线上获取的某一缺陷的最大深度，选取更高频率的天线，同时改变地质雷达的时窗宽度以及采样点数等参数，提高加密检测路径的检测精度；

402、在地质雷达显示异常的相邻两条纵向主检测线11或12间添加一条同方向的辅助检测线13，其中辅助检测线13与两相邻主检测线11或12间的间距相等，辅助检测线13的长度为2l，l为通过纵向主检测线11或12初步获取的该缺陷最大长度，每条辅助检测线的起点和终点距该缺陷最大长度中点所在垂线的垂直距离均为l；

403、在每个纵向检测线11、12、13形成的地质雷达纵向检测剖面16上尽可能多的选取缺陷纵向边界关键点17，纵向边界关键点关键17选取的越多，缺陷的轮廓越接近实际，如图8，同时记录缺陷边界关键点17相对于纵向检测线11、12、13起点的相对位置；

404、在纵向检测线11、12、13的垂直方向布置横向检测线14，其中夯土墙的横向检测线14间距为0.25m，砌砖墙体的横向检测线14间距为0.1m，砌砖墙体的横向检测线从城墙底部向上进行；横向检测线14的长度为2w，w为步骤402获取该隐伏缺陷在横向的最大宽度，每条横向检测线14起点和终点距该缺陷最大宽度中点所在垂线的垂直距离均为w；起始横向检测线14与纵向辅助检测线13的起点连线重合，末位横向检测线14与纵向辅助检测线13的终点连线接近或者重合，横向检测线14的检测区域长度为2l；

405、在每个横向检测线14形成的地质雷达横向检测剖面18上尽可能多的选取缺陷横向边界关键点19，横向边界关键点关键19选取的越多，缺陷的轮廓越接近实际，如图9，同时记录缺陷边界关键点19相对于纵向检测线14起点的相对位置；

406、建立统一的三维坐标系20，将纵向检测剖面16以及横向检测剖面18上缺陷边界关键点17、19相对位置信息转化为三维坐标系20的坐标信息，最终拟合得出古城墙内部隐伏缺陷的立体分布图，如图10。

由此可见，本发明方法步骤简明，操作简单，能快速有效地筛查出古城墙内部隐伏缺陷，为后续古城墙结构的安全评估、维护和修缮提供理论依据和技术支撑。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、结构信息调研和资料收集，对古城墙的结构特征、空间尺寸进行初步测量，并收集以往病害信息；

步骤二、根据步骤一的结构特征和以往病害分布的实际情况，确定检测线布设位置及路线；

步骤三、采用地质雷达进行无损探测，初步确定古城墙内部隐伏缺陷地质雷达异常区域；

步骤四、选取地质雷达异常区域，改变参数加密检测线，实现对异常区域的精细复测，提高隐伏缺陷的探测精度，形成内部隐伏缺陷立体分布图。

2.根据权利要求1所述古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述隐伏缺陷包括：夯土墙裂隙、夯土墙密实不均、夯土墙空洞、砌砖墙裂隙、砌砖墙体与夯土墙脱空。

3.根据权利要求1所述古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述结构特征包括：结构底宽顶窄，外部砌砖，内部用土夯筑。

4.根据权利要求1所述古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述检测线布设原则为：分别在古城墙顶部以及古城墙外墙沿走向布设地质雷达检测线，以使地质雷达对古城墙容易形成病害的区域做到全覆盖。

5.根据权利要求4所述古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述在古城墙顶部的检测线线距为1.0～2.0m，其中距女儿墙及垛墙最近检测线的距离均为0.5m，古城墙外墙的检测线线距为1.0～2.0m，其中距海墁顶面及墙底最近检测线的距离均为0.5m。

6.根据权利要求1所述古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述地质雷达异常区域包括夯土墙体的土体裂隙区域、土体密实不均区域和土体空洞区域以及砌砖墙体的墙体内裂隙区域和墙体脱空区域，在地质雷达图像上，土体裂隙区域表现为同相轴被错动或同向轴断断续续；土体密实不均区域表现为同相轴不连续、分散；土体空洞区域表现为双曲线，反射波同相轴成弧型，并有多次波干扰；墙体内裂隙区域表现为同相轴被错动或同向轴断断续续；墙体脱空区域表现为单次震荡反射，振幅较大，同相轴连续。

7.根据权利要求6所述古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述古城墙夯土墙检测采用100MHz收发单置屏蔽天线；砌砖墙体检测采用400MHz收发单置屏蔽天线。

8.根据权利要求7所述古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述步骤三中，为保证垂直方向的测试精度，通过如下步骤获取土体以及砌砖的介电常数：

301、精确丈量待测体即夯土墙和砌砖墙的几何厚度和收发天线间距x；

302、分别进行探地雷达100MHz，400MHz的测试，获取待测体的顶底板反射波；

303、读取顶底板反射波的时差，连同收发天线间距一并代入公式

计算出波速；

304、将上述波速代入公式

推算出相对介电常数；

式中，z为反射体深度，单位为m，x为收发天线间距，单位为m，t为双程走时，单位为ns，v为地质雷达实测得到的电磁波速，单位为m/ns，c为电磁波在空气中的传播速度，ε为介电常数，雷达采样时窗宽度W与测深和介电常数有关，

H为探测深度；

为保证垂向分辨率，采样点数尽量选择大值，对于不同的天线频率f、不同的时窗宽度W，选择样点数S应满足关系式S≥10^-8×W×f；

为保证测试的水平精度，每隔2m定点做标记，检测过程中匀速拖动天线；

为获得清晰的解释图像，将试验数据进行处理与反演。

9.根据权利要求1所述古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述加密测线的布置原则为：采用纵向、横向探测相结合的方式，呈网格化布置。

10.根据权利要求9所述古城墙隐伏缺陷的无损检测方法，其特征在于，所述网格化布置的步骤如下：

401、依据纵向主检测线上获取的某一缺陷的最大深度，选取更高频率的天线，同时改变地质雷达的时窗宽度以及采样点数在内的参数，提高加密检测路径的检测精度；

402、在地质雷达显示异常的相邻两条纵向主检测线间添加一条同方向的辅助检测线，其中辅助检测线与两相邻主检测线间的间距相等，辅助检测线长度为2l，l为通过纵向主检测线初步获取的该缺陷最大长度，每条辅助检测线的起点和终点距该缺陷最大长度中点所在垂线的垂直距离均为l；

403、在纵向检测线的垂直方向布置横向检测线，其中夯土墙的横向检测线间距为0.25m，砌砖墙体的横向检测线间距为0.1m；横向检测线的长度为2w，w为步骤402获取该隐伏缺陷在横向的最大宽度，每条横向检测线起点和终点距该缺陷最大宽度中点所在垂线的垂直距离均为w；起始横向检测线与纵向辅助检测线的起点连线重合，末位横向检测线与纵向辅助检测线的终点连线接近或者重合，横向检测线检测区域长度不小于2l且不大于2.5l。

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