陣列超聲橫波反射技術(shù)在混凝土檢測中的應(yīng)用

杜惠光，胡 丹

(長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010)

在水利水電工程大體積混凝土施工過程中，受分縫方式、施工條件、施工組織措施、質(zhì)量監(jiān)控體系等各種因素的影響，混凝土分縫處的結(jié)合部位易形成缺陷，如蜂窩、膠結(jié)欠密實等；這些缺陷的存在會影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性，嚴重的會形成滲流通道，給整個工程帶來安全隱患。目前國內(nèi)外主要通過壓水試驗結(jié)合錄像、聲波等測孔方式進行檢測，這些方法對混凝土存在一定的破壞，且檢測周期長、費用高，僅憑少數(shù)鉆孔難以對混凝土整體質(zhì)量進行評價。隨著工程建設(shè)對工期、質(zhì)量的要求日益嚴格，快速、無損、精細檢測層間缺陷顯得十分重要。

文章首次采用陣列式超聲橫波反射成像技術(shù)(以下簡稱超聲橫波反射法)在某水利水電工程中進行了混凝土層間結(jié)合面缺陷的檢測，取得了良好的效果，實現(xiàn)了對混凝土層間結(jié)合面的快速、無損、高精度的檢測。

1 超聲橫波反射法原理與特點

類似傳統(tǒng)的彈性波方法，通過機械誘導產(chǎn)生超聲波，布置在混凝土中的一個或多個傳感器接收超聲波在不同波阻抗介質(zhì)中產(chǎn)生反射波，分析這些反射波的速度和接收到的反射波的走時來了解探測對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 超聲橫波反射層析成像原理

但超聲橫波反射法使用的采集及成像系統(tǒng)主要是采用超聲橫波、短脈沖、DPC傳感器和合成孔徑聚焦技術(shù)的信號處理數(shù)學算法來重建圖像，與傳統(tǒng)的彈性波法有幾點不同，主要表現(xiàn)在：

(1)采用橫波探測。

傳統(tǒng)的測試設(shè)備利用應(yīng)力波的傳播原理，通過換能器產(chǎn)生縱波誘導粒子運動，超聲縱波是質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向平行的波；超聲橫波是質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直的波，即平行于混凝土表面，并且其速度是縱波速度的60%。根據(jù)公式v=fλ可知，波的速度與頻率f和波長λ成正比，同樣的頻率，橫波速度低則波長短，波長短則分辨率高。同時，隨著波在探測介質(zhì)中傳播的距離增大其強度減小，特別是混凝土中，其本身的不均勻性會導致信號的散射，增加噪聲；另外其內(nèi)部缺陷會進一步導致信號衰減。而橫波代替縱波可減少反向散射和信號衰減。

(2)陣列式干耦合換能器。

傳統(tǒng)的探測換能器多為一發(fā)一收，而超聲橫波反射檢測系統(tǒng)天線由4×12點陣列換能器及一個操控換能器的控制單元組成，如圖2所示。換能器相繼地用作發(fā)射或接收裝置，具有很高的衰減系數(shù)，以產(chǎn)生持續(xù)時間很短的脈沖。

圖2 4×12點陣列換能器

換能器的控制單元將第一列換能器用作發(fā)射，將其余列的換能器用作接收，然后將下一列換能器用于發(fā)射，其余各列的換能器用于接收，這個過程會重復進行直到前11列都作過發(fā)射器為止，同一傳感器既可用作發(fā)射換能器，也可用作接收換能器。圖3顯示了與一陣列換能器有關(guān)的所有波束路徑。

圖3 所有波束路徑

過去混凝土檢測不管是反射波還是透射波都必須使用耦合劑來解決超聲波探頭表面和混凝土結(jié)構(gòu)面之間接觸問題，而超聲橫波檢測系統(tǒng)設(shè)備不需要使用耦合劑，其傳感器的彈簧設(shè)計很適合紋理和表面缺陷，解決了長期困擾混凝土超聲探測設(shè)備與混凝土表面的接觸問題。同時，換能器中包括一個專用的阻尼器，其點接觸的特性提高了傳感器控制方向(縱向或橫向)的靈敏度。

(3)陣列合成孔徑原理。

文章所采用的合成孔徑技術(shù)為陣列合成孔徑聚焦算法，其工作方式是：陣列中的每個探頭輪流作發(fā)射探頭，其他的探頭都當作接收探頭，然后分別收集每個接收探頭上采集的數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)導入計算機進行進一步的成像處理。以12個探頭所組成的線形陣列，會在探測結(jié)構(gòu)體中充分形成21條獨立的A掃孔徑線，圖4是線形陣列探測示意圖。由于探頭固定擴散角的原因，假設(shè)反射點P只能被陣列中的n個探頭探測到，且n≤k。P點到探測表面的垂直距離為R。

圖4 陣列探測示意圖

由于P點只能被陣列中n個探頭探測到，探測體內(nèi)就會有2n-3條獨立的有效孔徑掃查線。P點到這n個探頭發(fā)射點的距離ri是變化的，如式(1)所示：

(1)

式中，di—這n個探頭到P點的橫向距離。

由于線型陣列探頭的結(jié)構(gòu)特點，P點反射信號在陣列各有效孔徑信號中的實際聲程Sm也是變化的，可用式(2)表示：

(2)

圖5 S'm趨勢變化圖圖6 Snm趨勢變化圖

tm=Sm/V[m=1，2，…，2n-3]

(3)

(4)

式中，F(xiàn)(tm)—第m個有效孔徑信號中點P的回波；s—點P的重建信號。

對混凝土構(gòu)件進行檢測時，在檢測表面上定出相應(yīng)間隔的網(wǎng)格，設(shè)置一系列掃描線，在沿著所有掃描線取得數(shù)據(jù)后，用合成孔徑聚焦技術(shù)(SAFT)來重建混凝土構(gòu)件內(nèi)部的三維斷面圖像，從而確定反射界面的深度或厚度。

層間結(jié)合性能較差是大體積混凝土澆筑過程中存在著的一個薄弱環(huán)節(jié)，影響混凝土層間結(jié)合性能的因素很多，但其表現(xiàn)為層間結(jié)合面處存在裂縫、骨料分離等，用超聲橫波探測時會產(chǎn)生全(強)反射。利用超聲橫波反射法的幾個特性，采用超聲橫波避免了超聲縱波在混凝土介質(zhì)中的散射問題，提高了探測精度；采用陣列式換能器，增大了數(shù)據(jù)采集量，提高了數(shù)據(jù)精度；利用合成孔徑技術(shù)，可提高成像清晰度；采用干耦合點接觸技術(shù)，使得不需要耦合劑便能較好耦合換能器與混凝土面，提高了工作效率。整體而言，超聲橫波反射法使得混凝土檢測的分辨率、信噪比、工作效率有較大的提升。

2 工程應(yīng)用

某水利工程泄水閘混凝土厚2.5m，底板分兩期施工，第一期混凝土澆筑厚度約為1m，第二期混凝土澆筑厚度約為1.5m。底板順流向長25m，底板基礎(chǔ)為粉細砂層。因泄水閘大部分閘孔底板出現(xiàn)不同程度的順流向裂縫，且檢查孔出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，懷疑為兩期混凝土結(jié)合部位的缺陷問題。此前國內(nèi)尚無大體積混凝土層間結(jié)合處的缺陷無損檢測相關(guān)案例。在采用該技術(shù)前，進行技術(shù)驗證，并與實際鉆孔資料進行驗證。確認技術(shù)可行后開始大規(guī)模檢測。

2.1 技術(shù)驗證

驗證分為兩步：首先在已知存在層間缺陷的部位進行探測，探測結(jié)果如圖7所示，在層間結(jié)合面1.3～1.5m處的異常區(qū)有三處，其中出現(xiàn)滲水的1號檢查孔位于反射最明顯且面積最大的一塊異常區(qū)；其次在已知不存在層間缺陷的部位進行探測，探測結(jié)果如圖8所示，整個測試區(qū)呈現(xiàn)微弱反射，位于測試區(qū)的2號檢查孔層間結(jié)合處膠結(jié)良好。通過對比發(fā)現(xiàn)，層間結(jié)合處膠結(jié)好則無反射界面或較弱反射界面，層間結(jié)合處膠結(jié)差則出現(xiàn)強反射界面，與推斷情況相吻合。

圖7 已知缺陷區(qū)處1.3～1.5m處的異常(紅色線圈內(nèi))分布圖

圖8 無缺陷區(qū)1.3～1.5m處的異常分布圖

2.2 檢測情況

本次對多個懷疑有缺陷的閘孔底板進行了檢測，發(fā)現(xiàn)存在部分異常反射點。檢測完畢之后，選取了一部分異常反射點和無異常反射點進行了打孔驗證。通過對53個鉆孔的巖芯進行分析，可知層間結(jié)合面位于1.3～1.5m處。根據(jù)缺陷大小將發(fā)現(xiàn)的缺陷分為三種，分別為結(jié)合處欠密實、結(jié)合處局部欠密實、結(jié)合面細骨料膠結(jié)差，缺陷表述見表1。

表1 層間結(jié)合處缺陷情況表

(1)結(jié)合處欠密實

如圖9、圖10所示，檢測圖像1.3～1.4m處有較強異常反射。而鉆孔巖芯長度1.3～1.4m處發(fā)現(xiàn)較大孔洞。

圖9 56號檢查孔MIRA檢測圖像

圖10 56號檢查孔鉆孔巖芯圖

(2)結(jié)合處局部欠密實

如圖11、圖12所示，25-3號鉆孔在1.37～1.40m處存在局部孔洞，檢測圖像在1.37m處有較強異常反射。

圖11 25-3號孔檢測圖像

圖12 25-3號孔鉆孔巖芯圖像

(3)結(jié)合處細骨料膠結(jié)差

如圖13、圖14所示，10-8號孔檢測發(fā)現(xiàn)1.4m處有較強異常反應(yīng)，在鉆孔時發(fā)現(xiàn)巖芯長度1.40m處為層間縫。

圖14 10-8號孔鉆孔巖芯圖

3 探測效果分析

(1)大體積混凝土層間結(jié)合面微小缺陷相對于其探測深度而言顯得非常小，且混凝土自身的不均勻性也給彈性波類或電磁波類探測造成很大干擾，所以在混凝土表面開展高精度層間結(jié)合面探測尚無成功案例。超聲橫波法使用橫波作為探測媒介，其能量大且衰減慢，分辨率高；使用陣列式干耦合點接觸探頭，獲取大量優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)；以及后期的合成孔徑聚焦技術(shù)的信號處理算法來重建圖像，使其具有其他傳統(tǒng)無損探測方法無法比擬的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)了對深度大、體量小的層間結(jié)合面缺陷的有效檢測。

(2)在深約1.5m的混凝土層間結(jié)合面缺陷檢測綜合檢測精度達到84.9%。對于層間結(jié)合面存在結(jié)合處欠密實的情況，檢測基本上沒有問題，而且是架空越大，反射越明顯，檢測準確率為100%；存在結(jié)合處局部欠密實的情況，檢測準確率為85.7%；對于層間結(jié)合面膠結(jié)存在細裂縫及微細裂縫的情況，該方法準確率為70%。對于層間結(jié)合面膠結(jié)較好的，判斷準確率達到83.3%，漏判和錯判的主要原因是大深度下的小缺陷在復雜結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的隨機異常。

(3)混凝土缺陷深度與檢測圖像所標示的深度誤差可達厘米級。

4 結(jié)語

(1)該工程為超聲橫波反射成像法首次應(yīng)用在混凝土層間缺陷的檢測中，從現(xiàn)場試驗情況來看，該方法應(yīng)用于混凝土層間缺陷檢測是可行的。

(2)在深約1.5m的混凝土中，綜合檢測精度達到84.9%，超聲橫波反射法技術(shù)檢測精度高，且混凝土缺陷深度與檢測圖像所標示的深度誤差可達厘米級。

總的說來，超聲橫波反射成像技術(shù)為大型水電工程大體積混凝土層間缺陷質(zhì)量檢測提供了一種行之有效的快速、無損測試手段，可對混凝土內(nèi)部缺陷進行高效、精細化的探測，為設(shè)計、施工等部門處理混凝土內(nèi)部缺陷提供科學的參考依據(jù)。同時隨著采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，檢測精度將進一步提高。

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