三维超声成像技术在水电站压力管道灌浆检测中的应用

王 凡

(中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

在水电站现场施工过程中，压力钢管背后的回填混凝土由于泵送压力不足、浇筑过程中发生间断、钢衬背后加径环的影响、混凝土干缩影响、振捣不均匀等原因，在混凝土同基岩接触面、钢管同混凝土接触面可能出现脱空或不密实等现象，进行灌浆后，此类缺陷依然可能存在，从而不同程度地影响压力钢管的受力结构，使工程的安全运行存在隐患。由于压力钢管对电磁波的屏蔽特征，其回填灌浆质量检测一般难以采用以地质雷达法为主的电磁类方法。要利用超声波对压力钢管灌浆质量进行无损检测，较好的思路便是增强异常区域或介质分界面所引起的异常反射信号。为增强反射信号的能量，最简单的办法便是进行信号叠加，增强激励源的功率，相控阵震源技术恰好可以做到这一点[1-2]。

1 超声相控阵方法原理

超声相控阵技术主要采用一致性较好的换能器组成激发或接收单元阵列，通过控制换能器阵列中激发或接收脉冲信号的时间延迟，从而改变发射或接收声波到达被测目标体中某点位的相位关系，以实现聚焦点和声束方位的变化，最终达到在某部位同相叠加的目的，这样就实现了对异常部位的反射超声波信号的聚焦接收，因此，检测目标区域的超声波反射信号的振幅能量将显著增强，基本原理如图1所示[3]。

采用超声相控阵进行缺陷体的检测，主要要解决换能器延迟激发时间与聚焦深度和波束偏转角度的空间几何关系，如图2所示。

假设换能器阵列由N个换能器阵元按线性并列组成，其中，各换能器阵元中心点间距为d，以阵列中心点为原点，则第n个换能器阵元的位置计算如下：

(1)

因此，对于空间某位置P点，原点和阵元n到P点的距离差可表示为r-rn。以原点作为延迟时间的参考点，则阵元n的延迟时间计算为：

(2)

式中：v为超声波速度。

由余弦定理可得：

(3)

式中：θ为偏转角度，即波束与换能器阵列法线方向的夹角。

将式(3)代入式(2)中，得：

(4)

(5)

式(5)计算出来的是在均匀介质中形成的波束传播角度。

(6)

因此，对所有的换能器阵元每次由一个换能器阵元发射，其余所有换能器阵元接收，依次滚动发射和接收，便可实现对空间某部位的信号加强。

2 数值模拟

依据水电站压力钢管设计理念建立如图3所示的钢管混凝土模型[9]，模型大小为90 cm×90 cm。其中：第一层为钢管，厚度为33 mm，第二层为混凝土，厚度45 cm，第三层为围岩，厚度41.7 cm，其中混凝土同围岩接触面设置一空腔，无充填。混凝土层中随机分布着大量的骨料，以白色的椭圆表示，骨料最大粒径dmax=25 mm，最小粒径为2 mm，按连续级配置，骨料占混凝土的体积比PK=0.5。数值模拟时在模型上表面布置20个主频为100 kHz的超声换能器，数值模拟所用的各种材料的声学参数见表1。

表1 数值模拟所用的各种材料的声学参数

数值模拟的波场记录见图4所示，对所有换能器的波场数据进行合成成像结果如图5所示，由数值模拟结果可知：

1)压力钢管由于厚度较薄，无明显反射干扰信号。在实际检测工作中，由于压力钢管表面存在一层防腐涂层，反射干扰信号要比模拟结果严重。

2)在混凝土层中，骨料颗粒的散射信号较明显。对多道数据进行合成孔径聚焦成像后，能一定程度的压制散射波。

3)混凝土同基岩分界面的反射信号较强，空腔处存在明显的反射信号。该结果表明，可以利用相控阵方法对开挖厚度进行检测。并且，理论分析认为，基岩同混凝土的声学参数差异越明显，探测效果越好。

3 工程检测实例

3.1 回填灌浆脱空检测

对某水电站压力钢管回填灌浆脱空检测进行超声相控阵扫描，测线布置如图6所示。检测测线沿压力钢管轴线方向布置3条扫描测线(即分别布置于顶拱中线、左顶拱线及右顶拱线，测线间隔约300)，扫描线测点间距为20 cm。本次检测使用仪器为MIRA-超声波混凝土检测仪，采集系统由4×12点阵列换能器阵元组成，换能器中心频率为50 kHz，数据处理采用合成孔径聚焦技术(SAFT)方式。

工程区钢管厚36 mm，钢管同围岩间的开挖高度约60 cm，回填C25微膨胀混凝土，围岩为弱风化板岩和变质砂岩，局部有地下水活动。

对该段压力钢管回填灌浆进行超声相控阵检测，结果如图7所示，桩号管0+130.5～管0+131.4 m段混凝土与基岩存在脱空，脱空长度约0.6 m。同时，检测成果图中也能较好地识别出开挖轮廓线。

3.2 接触灌浆脱空检测

采用超声相控阵技术对某电站接触灌浆脱空异常进行检测，结果见图8所示。

图8中，左图为缺陷体三维空间分布情况，右图为中线部位切片。红色区域即为缺陷位置。相较于传统的脉冲回波法，超声相控阵检测结果图中能明显识别缺陷体的空间分布范围。

4 结论

通过对压力钢管灌浆脱空模型的相控阵模拟实验及检测实践成果表明：1)超声相控阵法可以较为准确地检测压力钢管灌浆脱空缺陷，同时，能有效地分辨出开挖轮廓线。2)对压力钢管灌浆进行检测时，首先根据振幅信息定性判断灌浆密实与否，当出现出现强反射波，则可进行多方向的测量，以精确定义脱空范围。3)与脉冲回波法相比，利用相控阵超声检测时可以明显提高异常目标体的检测准确度及检测效率。