声波散射成像技术在风电基础混凝土质量检测中的应用

(1.北京同度工程物探技术有限公司，北京 102209；2.中国科学院地质与地球物理所，北京 100029)

伴随着我国基建工程规模的日益扩大，大体积混凝土构筑物已普遍应用于土木工程领域，如水利中的坝体、风机等大型设备基础、大跨度桥梁基础、大型沉管等[1-3]。但这些大体积混凝土的相关研究更多停留在材料、施工、裂缝分析等阶段，针对其质量与健康状况的无损检测方法的研究甚少[4-8]。现行检测手段更多停留在外观观察、温度监控以及试块检测上，表面裂缝分析、钻孔取芯等表面检测与抽样检测技术并不能全面、深入地评价其质量[9-11]。况且现有的常规无损检测技术，如回弹、超声、雷达、冲击回波等具有探测深度较浅，不适应大体积混凝土内部钢筋网密集等缺点，不能满足无损检测的实际要求[12-14]。即，滞后的检测技术与大体积混凝土的无损检测需求不匹配。

声波CT(Computerized Tomography,层析成像)技术作为大体积混凝土的检测方法在交通和水利行业已经有成熟的应用，如对高铁桥墩大体积混凝土的质量检测[15]，陕西宝汉高速的预制梁混凝土内部结构质量检测[16]等。虽声波CT技术在大体积混凝土无损检测领域值得推广，但其也有如下的局限性：布置在同一个可测面上进行表面CT时，探测深度较浅，根据高斯射线束原理，仅可探测1/4波长厚度(约为25 cm)范围内的混凝土质量；布置在两个可测面上进行截面CT时，探测深度与击震源有关，探测深度较深，但如风电基础等众多大体积混凝土构件仅1个可测面，并不能采用截面CT。声波散射成像技术属于地震勘探方法，在岩土工程与资源勘探领域应用广泛，其恰恰可在1个可测面上进行检测[17-23]。但仅仅采用声波散射技术是达不到混凝土无损检测精度要求的，还需要提高震源激发的弹性波频率，并采取消除拉姆波的方法以及应用数学相控阵技术，来增强声波散射成像技术分辨率。

1 声波散射成像方法原理

1.1 声波散射法理论基础

声波散射法是在地震反射基础上发展起来的新技术。其以非均匀地质模型为基础，利用地震散射波对地质界面和介质波速进行成像，实现对地质结构精细勘查的目的。勘探时首先向地下发射地震波，当地震波入射到非均匀介质内部时，由于两个界面的波阻抗存在差异而产生散射波，差异幅度越大和异常体的体积越大，散射波越强。通过接收到的散射波走时、幅值，可对异常体的位置、形态以及波速大小进行精细成像。声波散射勘探采用小排列采集方式，通过密集发射与密集接收，实现高分辨率的特质。

偏移图像是反应介质物理力学特性最直观的成果，是检测解释的主要依据。大体积混凝土构件中，混凝土可看做是均匀介质，施工冷缝等病害会在其中形成散射界面，这是声波散射勘探的物理基础。

1.2 声波散射成像方法的关键技术

大体积混凝土无损检测面临很多难题。首先，混凝土是由水泥、骨料、砂、钢筋构成的凝聚体，是一种非均匀的结构物,非均匀的尺度由骨料大小决定。非均匀体的散射特性会影响检测分辨率和波的传播距离(探测深度)。使用弹性波与电磁波探测混凝土时，根据瑞利散射与米散射理论，如果使用的波长小于骨料尺度时，波的能量绝大部分会被逆散射回来，很难透射入混凝体中。因而若探测混凝土内部结构，使用的波长必须超过骨料尺度的10倍，分辨率也与波长相当。对于1 cm尺度骨料的混凝土，散射法探测时，震源激振的波最佳频率在10 kHz20 kHz。

另外，大体积混凝土结构通常存在多个表面，检测中存在拉姆波干扰，能否有效地消除拉姆波的影响，是散射成像成败的关键技术之一。

由于混凝土的散射和几何扩散的强烈衰减，混凝土的检测不能依靠单点激发方式得到满意结果，而通常采用相控阵震源技术提高信噪比和分辨率。物理相控阵频率高、能量小，但其性价比较低以及设备体积过大，故不适合大体积混凝土的无损检测。数学相控阵对震源设备要求低，便于实施，具有物理相控阵达不到的效果。

综上所述，声波散射成像方法检测大体积混凝土包含以下4项关键技术：① 进行波场分离，滤除拉姆波提取散射波；② 对单点激发记录进行数学相控阵，提高激发点下方的照度；③ 对散射记录进行速度扫描，获得混凝土的实际波速；④ 根据波速分布和散射记录进行偏移成像，获得混凝土内部结构图像。

1.2.1 波场分离技术消除拉姆波

混凝土结构具有封闭的表面，体波和面波形成干涉波场，这种干涉波被称作拉姆波(Lamb)。拉姆波的传播与纵、横波速及混凝土厚度密切相关，有不同的模态和波结构。

拉姆波的能量比体波的能量大得多，是混凝土结构检测的主要干扰源。其频率较低，波速低于横波与纵波速度；波场分离使用视速度滤波方法滤除拉姆波，提取出散射波。滤波参数选择保留视速度3 800 m·s-1以上即可(与混凝土波速有关)。图1所示为滤波前后的结果对比,从中可以清楚地看出滤波的效果。

图1 滤波前后的波形对比

图2 单点激发和相控阵激发效果对比

1.2.2 震源的数学相控阵处理技术

单点激发和相控阵激发效果对比如图2所示，可见单点激发产生的波场向下呈广角辐射，能量在下方的照度分布是分散的，信噪比和横向分辨率都很低；相控阵是将震源规则排列，控制相位发射，在一定范围内形成相干加强。

在混凝土检测中使用物理相控阵较困难，文章采用数学相控阵技术，可以达到物理相控阵同样的效果。数学相控阵是一种后处理技术，其对单点激发的数据进行数学处理，合成为相控阵数据，具有与物理相控阵同等的效果。震源相控阵的效果如图3所示，可以看出激发点下方的信号得到加强，右侧的信号被削弱，起到提高信噪比和横向分辨率的作用。以炮间距0.25 cm为例，选用5个震源点相控阵，表面排列长度为1 m，最优聚焦区在24 m深度处。对不同目标深度的探测可调整相控阵的数目。

图3 单炮与相控阵记录效果比较

图4 混凝土波速扫描结果

1.2.3 混凝土波速的扫描

根据共炮点散射波记录，对炮点下方混凝土的波速与散射界面位置进行扫描，确定混凝土的波速分布,扫描结果如图4所示。从图4中可以看出波速约为3 800 m·s-1，混凝土中界面清晰。除了地界面之外，还有内部界面，疑是存在冷缝(施工间歇面)。

2 风电基础混凝土无损检测试验

2.1 工程概况

图5 风电塔基础半侧结构示意

锡林格勒盟境内建有很多风电设施，少数风电基础混凝土质量有待检测。风电塔的基础为钢筋混凝土结构，其典型结构形式如图5所示。混凝土结构由C40混凝土浇筑而成，外形呈圆楔形，直径为15 m，中心有高为1 m，直径为7 m的圆柱体。圆柱外侧圆楔的厚度为3 m，向外侧渐薄，至边缘处减薄至1 m。

2.2 检测方案

根据声波散射成像方法原理及相关规范要求[23-24]，对塔基混凝土结构实施了6条声波散射测线的检测(测线布置见图6)。其中，2条声波散射测线位于中心圆柱体上，测线走向为北-南，东-西；4条声波散射测线布置在东西南北4个方向的斜坡上，沿径向布置，每条测线长约4.5 m。检波器间距与激发点间距均为0.25 m(适应检测精度的需求)，激发点紧靠检波器。

图6 风电塔基础检测测线布置

仪器采用北京同度工程物探技术有限公司生产的声波扫描仪，其主机与震源枪实物如图7所示。

图7 混凝土声波散射成像主机与震源枪实物

2.3 结果与验证

2.3.1 声波散射成像结果

经数据坐标编辑、滤波处理，每个记录取震源附近的少数记录(不超过11道)，联合偏移成像。得到东西南北4条剖面如图8所示，图中底部3 m左右的红色界面是混凝土构件底部界面，界面很清楚，位置基本正确。图8中80 cm1 m范围内不同程度的红色条纹，表示存在低速界面，可解释为浇筑中的冷缝。将所有测线成果拼接起来，进行三维展示(见图9)，从图中可以看出二次浇筑界面清晰、连贯。

图8 台柱声波散射偏移图像

图9 声波散射三维成像结果

图10 取芯验证现场

2.3.2 取芯验证

为了验证检测结果，如图10所示，在面向东侧的台柱混凝土基础上，且距离台柱边界35 cm位置上钻取芯样，芯样长度为111.5 cm。该芯样整体质量较好，不存在明显的不密实区，仅在表层钢筋浅部存在少量小气孔。芯样在距表面87.5 cm处断为两截，断口不是新面，表明该位置的断裂是前期浇筑过程形成的，是明显的施工间歇面，与图8显示的低速界面深度一致，声波散射成像技术的检测结果得到了验证。

3 结语

研究了声波散射法用于混凝土无损检测的适用性。在分析声波在大体积混凝土中传播特性的基础上，利用视速度滤波去除了拉姆波干扰，且利用数学相控阵技术提高了探测深度与分辨率；利用波速扫描分析混凝土波速结构后，得到了能清晰显示混凝土内部构造的偏移图像。

声波散射成像技术在风电基础混凝土质量检测中的应用成果表明，该技术可以作为大体积混凝土质量检测的备选技术。与声波CT等无损检测技术相比，声波散射成像技术的优势是只需要一个检测面，探测深度可达5 m(配备更大能量的震源，探测深度可能更深)，可显示出混凝土的内部缺陷。在众多只露出一个检测面且探测距离较深的大体积混凝土无损检测中具有广泛的应用前景。