基于瑞利波的電線桿埋地深度及損傷檢測方法

左伊琦，聶俊波，朱珈葳，魏業文

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

環形鋼筋混凝土電桿在我國傳統電力系統中發揮著至關重要的作用。目前在鄉村地區，環形鋼筋混凝土電桿仍支撐整個村落的供電。電桿埋于地下的部分作為電桿的根基，由于常年受土壤的腐蝕和鋼繩拉應力的影響，因此隨著服役年限的增加往往伴隨著桿體混凝土開裂、鋼筋腐蝕以及混凝土脫落等現象，導致我國每年都會發生電線桿倒塌事故，如圖1所示。巡檢工人從陸地上無法觀測其損傷情況，所以存在極大的安全隱患。為保障鄉村電力系統的穩定，降低經濟損失和避免人員傷亡，須定期檢測桿體埋地部分，因此高效率且高精度的探傷方法尤為重要。

電桿埋地部分探傷的方法主要包括地下超聲波法、地下窺探鏡法以及測量尺法。其中，測量尺法包括兩種不同的檢測方式。一種是將電桿測量尺插入地下檢測，當測量尺碰觸固體異物時將難以測量，因此無法測量完整埋深；另一種是利用相似性原理通過電桿錐度來估算埋深，算法模型因電桿規格不同而不同。地下窺探鏡法和地下超聲波法都須借助鉆機向電桿四周土壤打孔，為檢測裝置潛入地下提供通路。其檢測設備體積大且需要多名巡檢工人同時完成，耗時費力且效率低。

圖1 電線桿倒塌事故

文獻[1]從具體生產操作、運輸、存放以及使用過程中受拉應力的影響，闡述了電桿裂紋的成因及防治方法，但其只是針對電桿裸露部分的檢測和防治，具有局限性。文獻[2]借助于超聲波探傷儀雖然可以大致測定裂縫的深度，但因混凝土不是均質材料，內部有空隙、鋼筋以及水分，因此檢測結果往往要結合經驗作必要的修正。上述對混凝土結構的驗傷方法中，忽略了環形鋼筋混凝土電桿的特殊性，檢測難度較高且效果不佳。

針對埋地電桿的不可見性及其結構的特殊性問題，基于瑞利波的傳播特性，提出了電線桿埋地深度及損傷檢測方法。本文首先分析了瑞利波在無線半空間彈性介質中的傳播特性，其次結合環形鋼筋混凝土電桿的裂縫形態與瑞利波傳播特性，通過傳播時長的突變節點確定電桿埋地深度以及裂縫的種類和深度，最后利用具體的檢測器材進行實驗[3]。

1 瑞利波的傳播特性

瑞利波（后文以R波簡稱）是一種干涉波，由剪切波和壓縮波在無限半空間彈性介質中干涉產生。R波入射頻率決定了其穿透深度，低頻率R波穿透深度大，高頻率R波穿透深度小。在彈性體中，R波的穿透深度h約等于1個波長，即h=λ。R波波速V=R波震動頻率f×R波波長λ，即V=fλ。彈性體彈性常數決定R波的波速V，對于工藝良好的混凝土電桿其波速V為定值，穿透深度的大小因入射頻率的改變而改變。相對裂縫深度P/λ在0～1/3是R波能量的主要聚集區。當R波傳播過程中經歷高于相對深度P/λ時，裂縫將反射絕大部分的R波能量[4]。

2 電桿裂縫形態與瑞利波傳播特性的結合

本文結合電桿裂縫形態與瑞利波傳播特性，以入射頻率為橫坐標，拾振器檢測到折返信號的時長為縱坐標，構建4種傳播模型。分別為無裂縫模型、開口面非斷續裂縫模型、桿內隱藏裂縫模型以及開口面斷續裂縫模型[5]。

2.1 無裂縫模型

高頻率R波傳播過程中，若未經歷開口裂縫，則R波將一直沿電桿縱向延伸，直至端面處折返回大量能量，原路返回后被拾振器監測到信號。圖2為無裂縫模型的時間-頻率圖。

2.2 開口面非斷續裂縫模型

高頻率R波在傳播過程中若經歷開口裂縫，那么將h視為無限大，h遠大于λ，反射回R波中絕大部分的能量，拾振器提前檢測到折返信號。隨著R波入射頻率的不斷減小，當R波穿透深度略大于裂縫長度時，R波恰好能越過裂縫繼續沿電桿向地下端面傳播，此時信號被拾振器檢測到的時長突然變長。圖3為開口面非斷續裂縫模型的時間-頻率圖。

圖2 無裂縫模型的時間-頻率圖

圖3 開口面非斷續裂縫模型的時間-頻率圖

2.3 桿內隱藏裂縫模型

高頻率R波傳播過程中若未經歷裂縫，那么隨著入射頻率的減小，拾振器檢測到信號的時長在明顯縮減后恢復到原傳播時長。該種情況表明，高頻率R波穿透深度淺時未經歷隱藏裂縫，在頻率降低后R波經歷裂縫，檢測時長明顯縮減，最后在穿透深度完全越過裂縫后，R波在地下端面處折返被檢測到的信號，恢復原時長。圖4為桿內隱藏裂縫模型的時間-頻率圖。

圖4 桿內隱藏裂縫模型的時間-頻率圖

2.4 開口面斷續裂縫模型

在鋼筋與混凝土界面未緊密貼時容易發生鋼筋生銹現象，導致兩個貼合面之間有鐵銹牽連，使R波傳播路徑中形成斷續裂縫。R波可沿斷續貼合面傳播，但傳播路徑變長，因此拾振器檢測到信號的耗時變長。圖5為開口面斷續裂縫模型的時間-頻率圖。

圖5 開口面斷續裂縫模型的時間-頻率圖

3 具體檢測方案

通過將結合R波傳播特性和環形鋼筋混凝土電桿形態，分析4種情況的坐標圖，將突變點對應的頻率規定為特征頻率。根據特征頻率即可求得裂縫位置、裂縫深度以及電桿埋地深度[6]。通過如下5個步驟闡述具體的檢測方案。

3.1 判斷并標記鋼筋位置

按照工藝標準環形鋼筋混凝土電線桿中的鋼筋在圓周內等弧度分布，根據含鋼筋數量的不同電桿通常分為包絡8根鋼筋和包絡6根鋼筋兩種。裂縫主要存在于混凝土與鋼筋的結合面附近。用記號筆在離地面約D=30 cm處的電桿表面勾畫一個環形等高線，此做法是為了保證R波在每次檢測時的傳播距離相等。隨后用磁鐵判斷鋼筋所在位置并在等高線上作出標記。

3.2 布置拾振器位置

將激振器和拾振器安裝于等高線兩側,激振器在上，拾振器在下，而且激振器下端和拾振器上端在距等高線1 cm處。為了保證傳播方向和距離的特殊性，方便計算電桿埋地深度及裂縫所處位置。激振器和拾振器間連線須與電桿側面母線平行[7]。儀器采用混凝土多功能無損檢測儀SCE-MATS，結合激振器和拾振器于一體。

3.3 信號的激振與拾振

激振器發出的信號頻率從高頻率100 kHz開始，每10 ms減少100 Hz，直至截止頻率7 kHz。拾振器開始檢測信號發生在激振器發出信號tΔ=0.5 ms后。每一個頻率檢測后，拾振器將該頻率f下拾振器檢測到折返信號所耗的時長t和頻率f傳送給處理裝置，并在傳送完后清除現有數據[8]。處理裝置采用電腦。

3.4 檢測完所有標記處

每測試完一個等高線上的標記處，就在處理裝置中建立時長—頻率的折線圖。之后按順序依次檢測剩余標記處，直至檢測完所有的標記處。

3.5 尋找特征頻率并判斷埋深與損傷情況

將處理裝置接收到的所有折線圖導入一個折線圖中，與4種裂縫模型圖進行比對并尋找特征頻率f0，通過公式計算并判斷電桿埋深長度與電桿地下損傷情況。其中，裂縫深度h=波速V/（2×特征頻率f0），埋深L=波速V×（t+tΔ）/2-等高線距地距離D。

4 實驗測試與結果分析

選擇GB/T4623—2006中桿長L=10 m的電桿為實驗對象，埋地深度為h=L×1/10+0.6。在進行具體檢測前，先測得瑞利波在該桿中傳播的平均波速為1 168 m/s，隨后根據具體檢測方案中的5個步驟進行電桿埋深及損傷檢測。由檢測結果判斷電桿埋地段是否存在裂縫，并確定裂縫的性質、深度以及位置[9]。

混凝土多功能無損檢測儀SCE-MATS對電桿埋地段損傷情況的檢測情況如圖6和圖7所示。曲線C1表示1號鋼筋長度段內混凝土的時頻特性曲線。激振器發出信號的頻率從高頻向低頻遞減的過程中，拾振器檢驗到信號的時間大致相同。曲線C1較平滑，表明1號鋼筋長度段內混凝土未出現裂縫，混凝土與鋼筋貼合緊密，由時間t1平均值2.691 ms計算出電桿埋地長度為1.56 m，相對誤差為2.50%。曲線C2表示2號鋼筋長度段內混凝土的時頻特性曲線。在激振器發出信號的頻率從高頻向低頻遞減的過程中，頻率ff在25～100 kHz曲線C2較平緩，時間t20平均值為1.212 ms，在特征頻率f0=24.33 kHz處曲線發生突變，時間延長為2.71 ms，表明2號鋼筋長度段內出現開口裂縫。經計算知，在距離等高線1.09 m處出現2.37 cm的開口裂縫，經打孔取樣得在距等高線0.98 m處出現2.24 cm的開口裂縫，相對誤差分別為10.09%和5.80%。

圖6 無裂縫頻率—時間特性曲線1

圖7 無裂縫頻率—時間特性曲線2

5 結 論

為保障鄉村電力系統的穩定，降低經濟損失和避免人員傷亡，須定期檢測桿體埋地部分。本文提出了基于瑞利波的電線桿埋地深度及損傷檢測方法，提升了檢測效率，提高了檢驗精度。通過具體器械進行實驗測試和模型比對，結果表明，結合瑞利波的傳播特性與環形鋼筋混凝土電桿特殊形態，構建無裂縫、開口面非斷續裂縫、桿內隱藏裂縫以及開口面斷續裂縫4種模型，在判斷電桿埋地段是否存在裂縫以及裂縫的性質、深度以及位置等問題上具有可行性，且測量精度較高。此外，該方法操作便捷，可提高電力工人的巡檢效率。