阵列超声横波反射技术在混凝土检测中的应用

杜惠光，胡 丹

(长江地球物理探测(武汉)有限公司，湖北 武汉 430010)

在水利水电工程大体积混凝土施工过程中，受分缝方式、施工条件、施工组织措施、质量监控体系等各种因素的影响，混凝土分缝处的结合部位易形成缺陷，如蜂窝、胶结欠密实等；这些缺陷的存在会影响混凝土结构的承载力和耐久性，严重的会形成渗流通道，给整个工程带来安全隐患。目前国内外主要通过压水试验结合录像、声波等测孔方式进行检测，这些方法对混凝土存在一定的破坏，且检测周期长、费用高，仅凭少数钻孔难以对混凝土整体质量进行评价。随着工程建设对工期、质量的要求日益严格，快速、无损、精细检测层间缺陷显得十分重要。

文章首次采用阵列式超声横波反射成像技术(以下简称超声横波反射法)在某水利水电工程中进行了混凝土层间结合面缺陷的检测，取得了良好的效果，实现了对混凝土层间结合面的快速、无损、高精度的检测。

1 超声横波反射法原理与特点

类似传统的弹性波方法，通过机械诱导产生超声波，布置在混凝土中的一个或多个传感器接收超声波在不同波阻抗介质中产生反射波，分析这些反射波的速度和接收到的反射波的走时来了解探测对象的内部结构，如图1所示。

图1 超声横波反射层析成像原理

但超声横波反射法使用的采集及成像系统主要是采用超声横波、短脉冲、DPC传感器和合成孔径聚焦技术的信号处理数学算法来重建图像，与传统的弹性波法有几点不同，主要表现在：

(1)采用横波探测。

传统的测试设备利用应力波的传播原理，通过换能器产生纵波诱导粒子运动，超声纵波是质点的振动方向与波的传播方向平行的波；超声横波是质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，即平行于混凝土表面，并且其速度是纵波速度的60%。根据公式v=fλ可知，波的速度与频率f和波长λ成正比，同样的频率，横波速度低则波长短，波长短则分辨率高。同时，随着波在探测介质中传播的距离增大其强度减小，特别是混凝土中，其本身的不均匀性会导致信号的散射，增加噪声；另外其内部缺陷会进一步导致信号衰减。而横波代替纵波可减少反向散射和信号衰减。

(2)阵列式干耦合换能器。

传统的探测换能器多为一发一收，而超声横波反射检测系统天线由4×12点阵列换能器及一个操控换能器的控制单元组成，如图2所示。换能器相继地用作发射或接收装置，具有很高的衰减系数，以产生持续时间很短的脉冲。

图2 4×12点阵列换能器

换能器的控制单元将第一列换能器用作发射，将其余列的换能器用作接收，然后将下一列换能器用于发射，其余各列的换能器用于接收，这个过程会重复进行直到前11列都作过发射器为止，同一传感器既可用作发射换能器，也可用作接收换能器。图3显示了与一阵列换能器有关的所有波束路径。

图3 所有波束路径

过去混凝土检测不管是反射波还是透射波都必须使用耦合剂来解决超声波探头表面和混凝土结构面之间接触问题，而超声横波检测系统设备不需要使用耦合剂，其传感器的弹簧设计很适合纹理和表面缺陷，解决了长期困扰混凝土超声探测设备与混凝土表面的接触问题。同时，换能器中包括一个专用的阻尼器，其点接触的特性提高了传感器控制方向(纵向或横向)的灵敏度。

(3)阵列合成孔径原理。

文章所采用的合成孔径技术为阵列合成孔径聚焦算法，其工作方式是：阵列中的每个探头轮流作发射探头，其他的探头都当作接收探头，然后分别收集每个接收探头上采集的数据，最后将数据导入计算机进行进一步的成像处理。以12个探头所组成的线形阵列，会在探测结构体中充分形成21条独立的A扫孔径线，图4是线形阵列探测示意图。由于探头固定扩散角的原因，假设反射点P只能被阵列中的n个探头探测到，且n≤k。P点到探测表面的垂直距离为R。

图4 阵列探测示意图

由于P点只能被阵列中n个探头探测到，探测体内就会有2n-3条独立的有效孔径扫查线。P点到这n个探头发射点的距离ri是变化的，如式(1)所示：

(1)

式中，di—这n个探头到P点的横向距离。

由于线型阵列探头的结构特点，P点反射信号在阵列各有效孔径信号中的实际声程Sm也是变化的，可用式(2)表示：

(2)

图5 S'm趋势变化图图6 Snm趋势变化图

tm=Sm/V[m=1，2，…，2n-3]

(3)

(4)

式中，F(tm)—第m个有效孔径信号中点P的回波；s—点P的重建信号。

对混凝土构件进行检测时，在检测表面上定出相应间隔的网格，设置一系列扫描线，在沿着所有扫描线取得数据后，用合成孔径聚焦技术(SAFT)来重建混凝土构件内部的三维断面图像，从而确定反射界面的深度或厚度。

层间结合性能较差是大体积混凝土浇筑过程中存在着的一个薄弱环节，影响混凝土层间结合性能的因素很多，但其表现为层间结合面处存在裂缝、骨料分离等，用超声横波探测时会产生全(强)反射。利用超声横波反射法的几个特性，采用超声横波避免了超声纵波在混凝土介质中的散射问题，提高了探测精度；采用阵列式换能器，增大了数据采集量，提高了数据精度；利用合成孔径技术，可提高成像清晰度；采用干耦合点接触技术，使得不需要耦合剂便能较好耦合换能器与混凝土面，提高了工作效率。整体而言，超声横波反射法使得混凝土检测的分辨率、信噪比、工作效率有较大的提升。

2 工程应用

某水利工程泄水闸混凝土厚2.5m，底板分两期施工，第一期混凝土浇筑厚度约为1m，第二期混凝土浇筑厚度约为1.5m。底板顺流向长25m，底板基础为粉细砂层。因泄水闸大部分闸孔底板出现不同程度的顺流向裂缝，且检查孔出现涌水现象，怀疑为两期混凝土结合部位的缺陷问题。此前国内尚无大体积混凝土层间结合处的缺陷无损检测相关案例。在采用该技术前，进行技术验证，并与实际钻孔资料进行验证。确认技术可行后开始大规模检测。

2.1 技术验证

验证分为两步：首先在已知存在层间缺陷的部位进行探测，探测结果如图7所示，在层间结合面1.3～1.5m处的异常区有三处，其中出现渗水的1号检查孔位于反射最明显且面积最大的一块异常区；其次在已知不存在层间缺陷的部位进行探测，探测结果如图8所示，整个测试区呈现微弱反射，位于测试区的2号检查孔层间结合处胶结良好。通过对比发现，层间结合处胶结好则无反射界面或较弱反射界面，层间结合处胶结差则出现强反射界面，与推断情况相吻合。

图7 已知缺陷区处1.3～1.5m处的异常(红色线圈内)分布图

图8 无缺陷区1.3～1.5m处的异常分布图

2.2 检测情况

本次对多个怀疑有缺陷的闸孔底板进行了检测，发现存在部分异常反射点。检测完毕之后，选取了一部分异常反射点和无异常反射点进行了打孔验证。通过对53个钻孔的岩芯进行分析，可知层间结合面位于1.3～1.5m处。根据缺陷大小将发现的缺陷分为三种，分别为结合处欠密实、结合处局部欠密实、结合面细骨料胶结差，缺陷表述见表1。

表1 层间结合处缺陷情况表

(1)结合处欠密实

如图9、图10所示，检测图像1.3～1.4m处有较强异常反射。而钻孔岩芯长度1.3～1.4m处发现较大孔洞。

图9 56号检查孔MIRA检测图像

图10 56号检查孔钻孔岩芯图

(2)结合处局部欠密实

如图11、图12所示，25-3号钻孔在1.37～1.40m处存在局部孔洞，检测图像在1.37m处有较强异常反射。

图11 25-3号孔检测图像

图12 25-3号孔钻孔岩芯图像

(3)结合处细骨料胶结差

如图13、图14所示，10-8号孔检测发现1.4m处有较强异常反应，在钻孔时发现岩芯长度1.40m处为层间缝。

图14 10-8号孔钻孔岩芯图

3 探测效果分析

(1)大体积混凝土层间结合面微小缺陷相对于其探测深度而言显得非常小，且混凝土自身的不均匀性也给弹性波类或电磁波类探测造成很大干扰，所以在混凝土表面开展高精度层间结合面探测尚无成功案例。超声横波法使用横波作为探测媒介，其能量大且衰减慢，分辨率高；使用阵列式干耦合点接触探头，获取大量优质数据；以及后期的合成孔径聚焦技术的信号处理算法来重建图像，使其具有其他传统无损探测方法无法比拟的优势，从而实现了对深度大、体量小的层间结合面缺陷的有效检测。

(2)在深约1.5m的混凝土层间结合面缺陷检测综合检测精度达到84.9%。对于层间结合面存在结合处欠密实的情况，检测基本上没有问题，而且是架空越大，反射越明显，检测准确率为100%；存在结合处局部欠密实的情况，检测准确率为85.7%；对于层间结合面胶结存在细裂缝及微细裂缝的情况，该方法准确率为70%。对于层间结合面胶结较好的，判断准确率达到83.3%，漏判和错判的主要原因是大深度下的小缺陷在复杂结构中所产生的随机异常。

(3)混凝土缺陷深度与检测图像所标示的深度误差可达厘米级。

4 结语

(1)该工程为超声横波反射成像法首次应用在混凝土层间缺陷的检测中，从现场试验情况来看，该方法应用于混凝土层间缺陷检测是可行的。

(2)在深约1.5m的混凝土中，综合检测精度达到84.9%，超声横波反射法技术检测精度高，且混凝土缺陷深度与检测图像所标示的深度误差可达厘米级。

总的说来，超声横波反射成像技术为大型水电工程大体积混凝土层间缺陷质量检测提供了一种行之有效的快速、无损测试手段，可对混凝土内部缺陷进行高效、精细化的探测，为设计、施工等部门处理混凝土内部缺陷提供科学的参考依据。同时随着采集和数据处理技术的发展，检测精度将进一步提高。

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