水利水電工程混凝土質量聲波檢測技術芻議

摘 要：本文對水利水電工程混凝土質量聲波檢測技術進行討論，重點介紹聲波檢測混凝土質量的基本方法和技術原理，為廣大水利水電施工技術人員提供理論參考。

關鍵詞：水利水電；混凝土質量；聲波檢測技術

1、聲波檢測混凝土質量的基本方法及技術原理

聲波在均勻介質中傳播其聲波衰減很少。應用聲波檢測混凝土質量即是利用此原理來研究混凝土結構的形態。目前，較為成功的聲波檢測方法有透射法（也稱穿透法）和反射法。下面將具體介紹聲波檢測混凝土質量各種方法的特點和使用范圍。

（1）透射法（穿透法）。

透射法是一種簡單而有效的檢測方法，主要用作混凝土結構的完整性檢測。本方法的主要優點是準確度高，可定量分析混凝土結構的缺陷和判定缺陷所處位置。而缺點是需要提前埋設聲測管，成本增加且造成施工不便，現場的檢測效率也不高。

透射法主要利用三種設備或儀器，即聲波發射器、接收換能器和聲波檢測儀。通常，要求聲波發射器和接收換能器要滿足以下幾點要求：

a.柱狀徑向振動，且沿徑向具有無指向性；

b.外徑不大于聲測管的內徑，有效工作面的軸向邊長小于150mm；

c.諧振頻率不宜超過60 kHz；

d.在不小于1MPa水壓條件下該設備不發生滲水現象，水密性保持良好。

聲波檢測儀需滿足一下幾點要求：

a.功能齊全。擁有即時顯示和記錄時程曲線或頻譜分析等功能；

b.該檢測儀最小的采樣間隔不大于0.5μs，頻帶寬度宜為1kHz～200kHz，控制測量聲波幅值的相對誤差不大于5%，最大的動態范圍應該至少為100 Db。

c.聲波發射的脈沖應為階躍或矩形脈沖，電壓幅值在200V～1000V范圍以內。

根據聲波換能器通道不同的布置形式可將聲波透射法分為三種，即體內單孔透射法、體外孔透射法和體內跨孔透射法。

a.體內單孔透射法。特殊情況下，水利水電工程某個混凝土構件如只有單孔可供質量檢測，在完成鉆孔取芯后，同時了解芯樣周邊混凝土的質量，以作為鉆芯檢測的輔助手段，這種情況即可采用體內單孔檢測。這時候換能器被放在孔內，并以隔聲材料（或配置具備一發多收的換能器）進行隔離處理。聲波從發射器、換能器經過耦合水進入到孔壁混凝土的表層，沿著混凝土表層滑行，再經過耦合水分別到達兩組接收換能器內，從而得到聲波沿著孔壁混凝土傳送的諸項聲學指標及參數。這里值得強調的是，應用此法進行混凝土質量檢測時，需充分利用信號分析技術來排除管內的干擾因素，尤其是孔道外層包裹鋼制套管有可能會因為鋼管影響聲波在孔壁混凝土中的繞行現象，因此不可應用。

b.體外孔投射法。當水利水電工程混凝土構件在施工過程中未預留換能器通道，可以在體外緊鄰構件的土層中鉆孔并作為檢測的通道。在檢測過程中，混凝土構件的頂面可安置一臺功率較大的發射換能器，接收換能器則從體外自上而下依次放入，聲波沿著構件表層的混凝土依次向下傳送，同時穿過構件與孔之間的土體，經過孔內的耦合水可進入到接收換能器，逐步檢測出投射聲波的諸項聲學參數，按照信號變化可大致判斷構件的混凝土質量。

c.體內跨孔透射法。本方法較為可靠，是聲波透射法檢測水利水電工程混凝土構件最為主要的形式。它需要在構件內預埋兩組或兩組以上聲測導管，在聲測導管內注水，同時將發射換能器和接收換能器分別放置在兩組導管內。檢測過程中聲波發射換能器發出聲波穿過兩組導管之間的混凝土，然后由接收換能器實現接收，實際有效的檢測范圍是聲波脈沖從發射換能器到接收換能器經過的所有面積。按照不同情況采取一種或集中不同的檢測方法來采集諸項聲學指標及參數。同時，按照波形變化判定混凝土構件的質量。體內跨孔透射法按照發射換能器和接收換能器相對高程的變化也可分為平測、斜測和交叉斜測等多個方式，在實際檢測活動中可根據現場條件靈活選擇。

（2）反射波（回波）法。

發射波法，也稱回波法。它是一種基于一維應力波以截面波阻抗Z=ρCA為指標（其中，ρ為材料的密度，C為聲波速率，A為截面積）來描述和判定混凝土質量。當應力波沿著混凝土構件傳送時，如遇波阻變化截面會產生反射現象和投射現象，反射的相位和幅值的大小都由波阻抗的變化來決定。波阻抗減小，混凝土離析、夾泥或頸縮，聲波發生同相反射；波阻抗增大，聲波發生反相發射，波阻抗變化越大則說明發射波的幅值越大，由發射波的發射時間可推算出混凝土構件內聲波傳送的平均速度，由缺陷反射信號波的時間即可確定缺陷所處的具體位置。

按照聲波的測波情況可推斷混凝土構件存在缺陷的位置，同時也可根據發射波信號預估混凝土基底持力層和沉渣情況，反射波檢測現場的操作也更為便捷，所投入的成本也會很少。但是，反射波作為反演手段不可能做到直接反映混凝土質量情況，存在一定的不確定性，而作為描述混凝土質量情況和影響聲波傳送的重要指標波阻抗Z，它在很大程度上也會受到混凝土構件截面尺寸和材質特性的影響，因此反射波發不能準確識別如頸縮、夾泥和離析等問題。波阻抗是截面評價參數對于截面以上局部的小缺陷問題難以準確反應，波阻抗突變截面相對于應力波來說放映比較顯著，而對于波阻抗的漸變則反映不夠明顯，波阻抗突然變小（變大）或還原的情況也容易出現判定結果錯誤的情況。

在我國，大部分檢測機構采用反射法（瞬態時域分析法）來檢測混凝土結構的完整性，究其原因就在于該方法利用的設備和儀器比較簡單，現場施測十分快捷，同時結合激勵手段和頻域分析法作為檢測和輔助分析手段。當然，低應變法檢測不管缺陷是哪種類型，它的綜合表現都是阻抗變小，且對于缺陷性質分析不明，這也是反射法應用的一個最主要的局限性。

聲波于混凝土構件的內部傳播，混凝土是否均勻或界面是否破碎等波阻抗不同引起反射波。如波阻抗面距波形振動的延續面較小時，它會產生兩種波形振動帶挈相互疊加，反射波分辨率最好的位置是發射換能器附近；如發射換能器和接收換能器的距離過大，淺層的反射波振動帶也會帶來嚴重的干擾反射波，主要干擾下層工作區，這時候聲波型圖比較復雜且無法清楚分辨。因此，在應用反射法時需注意如下幾點要求：

a.接收換能器需緊鄰靠近發射換能器，因聲波在這時候具有穩定強度和一致的波形，反射波極容易被追蹤。

b.發射換能器附近的臨測區，反射波法可以清楚分辨出界面相近的反射波。

c.檢測點距離發射換能器不遠的時候，反射波信號在發送方向上的形態與反射面法線近似一致。因此，混凝土構件的的中間界面折射影響大大降低，這樣一來，可提高對于波形的認識和解釋精度。

a.接收探頭應盡量靠近發射探頭，因為這時波具有穩定的強度和一致的波形，這使得反射波容易追蹤。

2、結束語

綜上所述，在水利水電工程混凝土質量檢測方面，施工單位應不斷加強質量檢測的管理力度和增強對混凝土施工質量控制的重視程度，強化相應質量檢測方法的創新，并認真執行國家法規及規范，在法律允許的范圍之內不斷提升工程質量檢測水平，確保質檢工作的科學性、準確性和權威性，保障水利水電工程質量的可靠性。

參考文獻

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