激光扫描技术在水利工程混凝土裂缝检测中的应用及探究

1 前言

激光扫描技术因其在便利性、精准性等方面的优势而得到了广泛的应用，探索其在水利工程混凝土裂缝检测中的灵活运用方法，肯定激光扫描技术的应用价值，在实践应用中总结经验，优化检测体系，提升检测效果。

2 激光扫描技术原理分析

2.1 激光测距原理

激光测距原理，基于激光光束发射到检测对象表面并折返的时间差来完成测距工作，结合飞行时间原理，计算距离，如式（1）所示：

式（1）中，S 表示激光光束与被检测对象之间的距离，单位：m ；c 表示光速，单位：m/s ；△ t 表示激光发射到接收之间的时间差，单位：s。激光扫描仪通过转动扫描装置，同步获取被检测对象多个点位的距离信息，结合三角测量原理，整合多视角下的距离信息，得到被检测对象的三维坐标信息。

2.2 相位偏移原理

对比发射与接收的调制光波相位差，计算距离，保持精度在 0.1～0.5mm 级，激光检测对混凝土表面＞ .0.2mm 的微裂缝引发相位畸变极其敏感，准确识别裂缝边缘的相位突变特征，在隧道、桥梁等混凝土裂缝检测中优势明显[1]。对比激光测距方式，相位偏移法精度更高，但测程变短，比较适合重点位置的精细扫描检测。

3 激光扫描技术分类

光扫描技术主要包括脉冲式、相位式、三角测量式，对比各类测量方式的适用场景，如表1 所（注：表中内容来源于百度百科、网页资料分析等）

4 水利工程混凝土表面裂缝检测的重要性

4.1 利于保障坝体结构安全

水利工程混凝土表面裂缝会削弱工程结构的防渗性能，引发渗透性破坏或灾难性事故，减少工程设计寿命，降低工程稳定性 [2]。进行混凝土表面裂缝检测，确定裂缝宽度演变情况，据此评估工程结构安全状态，对相关裂缝隐患加以提前处理，并为加固决策制定提供事实依据，保障坝体结构安全。

4.2 利于水利工程功能性与经济性维护

裂缝造成的工程渗漏，会显著降低工程抗渗能力，影响防洪、蓄水等核心功能，不利于水利工程正常运行，可能引发其他事故。此外，早期检测能有效避免裂缝拓展为深层、贯穿性损伤，减少工程后期因碳纤维加固、灌浆等带来的高昂修复费用，减少水利工程建设、维护保养成本，降低运维经济压力。

国家相关法律法规及规范要求水利工程应定期检测混凝土表面裂缝，并对裂缝位置、深度、宽度、发展动态等详细记录，纳入工程档案，为工程后期维护提供参考 [3]。分级处理标准，宽度 <0.2mm 的裂缝，必须用精密仪器检测；宽度＞0.5mm 的贯穿缝，必须安排专项处理，否则难以通过施工质量验收。

5 激光扫描技术在水利工程混凝土表面裂缝检测中的应用

5.1 数据采集与获取

（1）核心设备配置。对比其他波长，选择配置 532nm 绿色脉冲激光器，因 532nm 绿光处于人眼最敏感的可见光谱范围（555nm 附近），相同功率下亮度比红光高 3 倍～ 5 倍，显著提升检测可视性；装载 40MHz 高频表面波探头，构成非接触式检测系统，精确控制激光聚焦与接收时序，支持 0.5 ～ 1.2mm 的空间分辨率扫描。同时，采用自适应滤波技术，配置特殊镀膜光学元件，在受到10 万lux 强光干扰时，激光扫描过程仍能维持信号反射率在92.3%±0.8% 之间，提升检测稳定性。设置检测系统防护等级：IP68，这是国际电工委员会（IEC）制定的一种电子设备外壳防护等级标准，做好防潮设计，适用于输水隧洞、水坝闸门等水利工程设施的多粉尘、高湿度工况环境监测[4]。

（2）数据采集、获取。针对典型工程，梳理数据采集与获取方式，结合两种工况进行具体化分析。一是坝体扫描，对坝体迎水面进行三维激光扫描，设置超密点云采样间距1mm，获取高密度点云数据，再以即时定位与地图构建技术，实现自主定位，进行后期数据处理验证，控制平面测量精度≥ 1.2mm，达到水利工程 ms 级的裂缝、变形监测标准。在扫描进程中，采集混凝土表面纹理信息，为工程结构分析提供多维数据支持 [5]。二是隧洞检测，引入六自由度机械臂，配合三维激光扫描仪，适用于复杂的隧洞曲面结构，利用机械臂的灵活运动补偿，支持垂直方向 270°大倾角扫描、水平方向 360°无死角覆盖扫描，采集完整的曲面结构数据。持续优化扫描路径，提升单侧站全周向扫描效率，保证点云密度 ⩾ 500 点 /cm2。

5.2 数据处理与分析

（1）噪声过滤。抑制环境振动干扰，设置PCL 半径滤波参数化方案，在数据处理中引入半径滤波系统，设置搜索半径 5cm，邻域点阈值 6 个，过滤因人为操作不当、施工机械振动等产生的离散噪点。引入 FFT 分析方式，发现90% 的干燥信号主要集中在20 ～200Hz 频段，滤波处理后，信噪比从初始12dB 提升至28dB。

（2）特征提取。构建激光－裂缝距相关数据的主要特征。一是总结峰值响应规律，操控激光扫描仪重面裂缝 1mm 时，反射信号峰值最大，与菲涅尔反射理论观点高效反射，而在距离＜ 1mm时，信号强度开始下降，可能是部分激间距增加时，反射信号呈指数衰减趋势，在检测距离≥ 5mm 时，信号幅线性回归分析，构建激光信号衰减数字模型，如式（2）：

V=3.2×e^-0.82d （式2）

式（2）中，V 表示信号幅值，单位：V，表征测量点的激光信号电压幅值，反映信号强度；d 表示测量距离，单位：mm，表示激光扫描仪、混凝土表面的距离；e 表示自然对数的底，在指数衰减模型表征自然指数函数。该模型拟合优度较高，进一步分析表面，衰减系数 0.82mm^-1 一定程度上反映了被测混凝土表面特征，为后续测量体系优化提供参考。

（3）三维重建。一是自适应 α 参数，引入曲率权重因子，形成动态调节机制，实时计算三维点云的局部曲率 C，综合基准系数 K，构建非线性映射关系，保持 α 在区间 0.5～3.0 之间的智能浮动。通过标准数据集验证，自适应α 参数优化算法能显著降低曲面重建的均方根误差，具体计算过程，参考式（3）：

式（3）中，a 表示自适应参数，无量纲参数，用于动态调整算法行为‌；k 表示混凝土表面材料特性相关的基准系数，一般取值1.2，为固定比例系数，无量纲； |C| 表示归一化处理的局部曲率绝对值，曲率单位为m-1，归一化后转为无量纲值‌；0.5 表示曲率影响因子，可经大量实验检验、优化后确定最佳值，实验确定的常数，无量纲‌。该算法解决了以往三维模型构建中平坦区域欠拟合、尖锐特征过于平滑等现实问题。

（4）数据分析。构建多模态关联模型，支持对检测数据的深度分析，具体数据维度、分析工具、工程意义等，如表2 所示。

（注：表中内容来源于多模态关联模型不同数据维度的深入分析）

5.3 裂缝识别与结果

（1）拱坝裂缝识别与结果。操控三维激光扫描仪按照上述方式，对水利枢纽拱坝展开全坝面检测，识别出18 条宽度 ⩾0.2mm 的裂缝，基本分布在坝体迎水面高层高程195 ～210mm 范围内。再引入多测站数据配准算法，控制裂缝定位精度 ⩾±0.05mm ，达到水利部《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》SL713-2015 的试验标准。

（2）输水隧洞检测。针对长度 32km 的输水隧洞检测，扫描速率达到 1.5km/ 日，但隧洞内相对湿度通常＞85%，可能造成扫描点云数据丢失，装置除湿设备，并辅以多角度扫描技术，提升检测效率，对比分析激光检测技术、传统检测技术，如表3 所示。

（注：数据来源于激光检测技术、传统检测技术对比实验）

6. 技术优势与挑战

结合某水坝裂缝检测实施流程分析激光扫描技术的优势与挑战，以期检测坝体迎水面及排水廊道的裂缝发育情况，选择两种检测技术：无人机航测、激光扫描检测，其中无人机航测的航高 80m，旁向重叠率 70%、航向 65% ，结合航测数据，生成三维模型，定位裂缝位置；激光扫描检测，按照上述流程展开，总结检测效果，如表4 所示。

6.1 技术优势

一是非接触检测，激光扫描技术无需直接接触物体即可检测混凝土表面裂缝，避免损伤被测物体表面，在高价值文物、危险环境检测方面有较高优势。是能集成BIM 技术，支持全生命周期管理，结合点云数据对接建筑信息模型，支持工程从设计、施工到运维施工环节的数字化系统管理，有效提升工程施工效率，保障施工数据可追溯性[6]。

6.2 技术局限性

是误差相对较大，工程曲面结构点云配准误差可能会达到 1.2mm，虽然符合《水利水电工程单元工程施工质量验收标准》（SL/T631）规定的水利工程 ⩽ 10cm 的宏观监测要求，但检测过程也会受复杂几何形态影响，从多视角扫描被测物体时产生累积误差，需后期人工再次校准。二是微裂缝识别能力不足，对于宽度的裂缝，激光点云分辨率有限，易漏检，需依赖超声法辅助验证。