超声脉冲法在水利工程质量检测中的应用研究

郁欣

（安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000）

0 前言

超声脉冲法是一种特殊的水利工程质量检测法，快速发展的科学技术促使超声脉冲法得到广泛应用，也为超声脉冲法的发展带来全新的考验。现阶段，国家水利工程领域的研究人员为进一步探索超声脉冲法的有效应用策略，将其作为水利工程研究的重要课题，以此提高质量检测的水平。

1 超声脉冲法检测的基本原理

超声脉冲法会产生机械波与电磁波两种物质运动形式。其中，机械振动引发弹性介质产生波动过程中出现的声波，称为机械波，声波属于机械波。当声波传播到弹性介质某处不动的质点后，会使该处质点产生动能进而形成位能。此外，弹性介质中的声波是逐层传递能量的，在谐波振动下，可使用以下公式计算单位质点能量。

其中：E-能量密度；ρ-介质密度；A-振幅；ω-角频率。

不在人们听到声波频率范围内的声波称为超声波，且超声波属于机械波，在介质中进行能量传递时，通过产生反射、干涉、衰减等现象来反映介质的结构与本质，使水利工程质量检测能够对混凝土工程、金属结构以及机械电气进行检测。因此，水利工程质量检测中的超声脉冲是由不同频率的余弦波组成的，进而用来检测被测物质结构与质量。

2 水利工程质量检测中超声脉冲法的应用

2.1 金属结构检测

2.1.1 钢管壁厚度检测

提升水利工程稳定性与安全性的关键在于，能够准确测量出钢管壁的厚度。通常情况下，水利工程中的引水管道属于钢材质，在水流长时间的冲磨作用下，其厚度以及性能会有所下降，导致水利工程稳定性降低。因此，为获得准确的钢管壁厚度数据，要求检测人员利用超声脉冲法对钢管壁厚度进行定期测量。在这一过程中，主要是利用超声脉冲法寻找检测钢管壁厚度的最佳检测点，因此降低质量检测难度，避免水利工程出现较大的安全隐患。此外，检测人员可通过测量一侧管道的外表面，推测钢管的整体质量情况，从而得到精准的数据[1]。

2.1.2 焊缝质量检测

水利工程中钢结构的尺寸与厚度相对较大，且外界的环境因素会对钢结构的焊缝工作造成一定影响。因此，为保证钢结构焊缝的水平，可采用超声脉冲法对其进行质量检测，从而为水利工程的投入使用奠定良好的基础。首先，检测人员要综合考虑影响金属晶粒声抗阻力的因素，以此减少实际工作中干扰因素。其次，对钢结构焊缝中的细小缺陷使用超声脉冲法，同时保证超声设备的倾斜角度要符合相应的标准。最后，在采用斜侧法进行检测时，可在夹缝中加入一些小砂砾，使设备发出的超声波能够穿过砂砾并达到夹缝的最深处。此外，应重点检测压引力水管处的焊缝质量，以此从根本上保证水利工程的质量。运用斜侧法检测混凝土焊缝质量的原理如图1 所示。

图1 斜侧法基本原理

2.2 混凝土工程检测

在应用超声脉冲法开展水利工程质量检测工作时，对混凝土工程的检测主要为材料强度检测与混凝土缺陷检测，其中混凝土缺陷检测包括对混凝土裂缝以及表面损伤进行检测，从而测量出不同龄期、配合比、原材料等条件下的混凝土质量，增强水利工程试件的可信度，以此提高水利工程的建设水平。

2.2.1 材料强度检测

混凝土是水利工程中最主要的结构材料，经过配料、拌和、浇注、养护等环节形成可投入使用的试件。检测混凝土材料强度中应用超声脉冲法，主要是混凝土介质中超声波的传播速度以及混凝土弹性介质之间的关系，并依据弹性模量、力学强度等数据建立起完善的数学模型，用来表示超声波声速与混凝土抗压强度之间的关系。与此同时，超声设备还可测量出声波在混凝土试件中的传播时间，进而推算出混凝土的强度。一般情况下，以龄期为28d 的混凝土立方试件作为材料强度检测对象，并在综合考虑材料种类、配合比、施工工艺等因素的基础上，采用超声脉冲法计算材料的强度。根据相关研究表示，不同配合比、材料种类的混凝土的抗压强度值存在一定差异，利用超声脉冲法能够推定出增强混凝土强度的条件，且骨料品种、用料以及环境与混凝土强度能够用统计方法建立相应的数学表达式，以此为超声脉冲法检测材料强度提供精准依据。

2.2.2 混凝土缺陷检测

原材料种类、配合比、施工工艺以及检测距离与混凝土的密实度具有一定联系。在应用超声脉冲法检测混凝土缺陷时，一方面，要检测混凝土是否存在影响较大的裂缝。当超声波在混凝土介质传播过程中，遇到蜂窝、空洞、裂缝等缺陷会产生相应的反射以及散射现象。又由于混凝土的声阻抗率远高于空气，速率越快的声波衰减得越快，此时需要根据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》对缺陷等级进行判定。当混凝土缺陷处只有一个表面可供检测，则要使用评测法检测混凝土裂缝的深度。无缺陷混凝土以及超声设备的探头布置位置，会对检测结果造成不同程度的影响，但几者之间具有一定的数学关系，能够通过相应公式计算出裂缝深度。对穿斜侧法会在裂缝部位有一对平行表面时使用，利用换能器逐点接收混凝土缺陷处的超声波信号，超声波会在达到混凝土表面处出现衰减，检测人员根据检测到的声时、波幅、频率等进行裂缝深度的推算，从而为提高水利工程质量奠定扎实基础[2]。

另一方面，物理因素、化学因素会影响混凝土的表面结构以及厚度检测，通过检测表面损伤层，可以有效判断对混凝土质量的影响。首先，保证超声设备的换能器稳定在混凝土的待检测表面上；其次，将测试距离按照100mm、150mm、200mm 进行移动，并根据实际要求对测试距离进行一定调整。在测试距离较大的情况下，检测结果反映的是超声波在未损伤混凝土中的传播速度，会使最终分析结果存在偏差。因此，要控制距离在规范测试距离范围内，从而保证超声波能够在损伤的混凝土中传播。当未损伤层的超声脉冲波与损伤层脉冲波一同到达设备接收器时，可根据标准公式进行计算，从而实现对混凝土质量的判定。此外，在判断水利工程桩体的均匀性与稳定性时，同样可使用超声脉冲法，根据移动探头接收到的声波传播时长、频率、波幅等数据，便可实现对混凝土强度的准确判断。

2.3 机械电气检测

利用超声脉冲法进行机械电气检测，主要是对水利工程中的泵站、水电站、排灌站等地点的流量、流速进行检测。在开展现场质量检测工作时，使用可携带的超声设备检测站点的渠道、输水管道处的流量与流速。值得注意的是，渠底换能器声路与水流的夹角不应大于45°～60°，以此保证测量结果准确；选择的检测地点不应出现大石块、水草等干扰超声脉冲法正常使用的物体，且安防经纬仪以及其他超声设备的地点应相对平整，从而提升测量的精准性；为避免从渠底处传出声波，则应保证渠底换能器间隔一小段距离；换能器的探头间距应根据渠内水面高度进行适当调整，以此保证超声脉冲法能够准确测量渠道以及大流量管道处的流速。此外，在检测流量与流速时，需要根据管道尺寸计算换能器之间的夹角，同时保证检测地点处管道的完整性。此时应注意，必须将超声检测所用的介质充满测量的管道，并选直管道作为检测的重要地点，同时选择在10 倍管径的上游管段或是3 倍管径的下游管段进行检测，避免产生影响检测的气泡；钳装的角度与尺寸要符合超声脉冲法检测的标准，避免影响结果的精准性，中心角度宜为45°～75°。测量管道流量与流速中超声脉冲法的应用原理如图2 所示[3]。

图2 管道测流中超声脉冲法应用

3 结论

综上所述，超声脉冲法是当前水利工程中具有良好应用前景的质量检测方法，通过对金属结构、混凝土工程、机械电气三方面的检测，能够有效提高水利工程的建设水平。因此，相关企业还应在原有的技术基础上，积极创新研究与试验方法，结合实际情况对超声脉冲法的具体应用策略进行总结，从而推动水利工程质量检测可持续发展的进程。