弹性波CT 在混凝土防渗墙无损检测中的应用

扈本娜

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250）

混凝土防渗墙的检测作为工程检测中的一个重要内容，随着各专家学者的不断研究，得到了广泛的应用与发展。在大量的实践研究中研制出了一系列的无损检测设备，还发展出众多检测方法，例如回弹法、超声法、贯入法、拔出法、钻芯法等［1］。 虽然这些方法直观、可靠，但是它们施工效率低、成本高、损害墙体，而且这类传统检测方法采用抽样方式进行检测，检测指标相对单一，不具备代表性［2］。 自医用CT技术被推广到混凝土检测领域来，其优势也逐渐显现。 该方法根据检测对象的弹性波速度与其物理力学参数有较好的相关性，通过无损检测，对施工对象可以进行整体评判，达到对目标体更加准确全面的检测与评价。

近年来， 采用弹性波CT方进行工程检测也进入了快速发展阶段。 李高等［3］对河北承德半壁山危岩体进行弹性波检测， 结果较好地说明了该山体存在孔间岩体破裂的发育情况；赵祥等［4］采用弹性波CT技术对高压摆喷防渗墙质量进行检测， 检测结果的波速色谱图说明了混凝土浇筑墙质量达标， 表明弹性波CT技术在检测防渗墙完整性方面行之有效；郭秀芹等［5］采用弹性波层析成像法对某特大桥的桥墩进行质量检测， 通过桥墩断面弹性波波速度分布等值线图判断出了被检测桥墩存在的混凝土不密实部位， 在随后的修复过程中证实了检测结果的准确性与该方法可行性；陈湘华等［6］利用电磁波和弹性波CT联合方法对地下桩基础结构进行检测， 检测结果得到了钻孔验证；赵汉金等［7］勘查浙江某地铁沿线溶洞分布情况及钻孔之间溶洞发育情况时， 采用弹性波CT法表明，该方法对探测溶洞效果较好；巩思园等［8］采用弹性波CT技术对含有空区的混凝土试验展开了试验研究， 证实了该方法对于空区探测的有效性；卢进延［9］为对西淋冈地区断裂进行精细探测，在该地区开展了浅层地震和弹性波CT工作， 结果表明该方法在隐伏断裂探测方面具有良好效果。

目前， 在混凝土防渗墙质量评价及修复工作中，地球物理探测技术是一项重要手段。本文通过利用弹性波CT技术对某水库防渗墙进行实际探测， 不仅证实了该方法在混凝防渗墙检测方面的快速高效性，同时还表明此方法相对于传统探测方法具有明显优势。

1 弹性波CT技术

1.1 检测原理

CT技术起初应用于医学领域， 近年来在混凝土无损检测、岩溶精细探测等方面得到广泛应用［10］。CT技术是指在对研究“对象”内部结构不造成损伤的条件下，利用某种射线源，通过外部检测设备获得投影数据，再依据一定的物理和数学关系，利用计算机反演物体内部某种物理量的分布函数，生成二维图像，重现物体内部特征的一种技术［11，12］。

弹性波CT技术需要利用两个钻孔， 在其中一个钻孔激发弹性波，在另一钻孔中接收弹性波。弹性波在激发点和接收点之间沿射线路径传播， 形成密集的射线扇形交叉网格（图1），由仪器记录形成数据文件，再从数据文件中读取首波走时数据，然后采用联合迭代重建算法求解大型矩阵方程（1），得到剖面上每一个单元（网格）的弹性波速度，从而利用专业软件做出弹性波速度色谱图和等值线图， 根据成像剖面上弹性波的速度分布来评价检测段防渗墙的质量及判断隐患大小及分布位置［13，14］。

图1 弹性波CT技术观测系统布置示意图

式中 lij为第i条射线在第j个单元（网格）内的路径长度；Sj为第j个单元的慢度值， 即第j个单元速度的倒数；Ti为第i条射线的走势。

1.2 地球物理特征

波的传播是沿着最短路径进行传播的， 也就是说传播用时最短的路径。波速的大小和介质的密度、弹性模量、孔隙度等有关。弹性波在防渗墙内部传播时，墙体质量越高即强度越大、密度大、凝固好，波速也会相应的高；相反，墙体密度小、强度小，出现空洞、夹泥沙等缺陷时，相应的波速也会小。 因此当混凝土防渗墙存在缺陷或异常时， 可以利用弹性波的特征，对防渗墙进行检测［15］。

2 应用实例

2.1 工程概况

某水库大坝坝基除险加固采用普通混凝土防渗墙工程，设计墙厚0.6m，深入基岩不小于1.5m。 强度大于15MPa，弹性模量大于22000MPa，渗透系数小于4.19×10-9cm/s，地震波速大于3400m/s。 在混凝土龄期达到28d后， 采用弹性波CT进行防渗墙完整性检测，采取单一孔激发单一孔接收的工作方式。

2.2 工程布置和数据采集

本次检测工程中使用的检测仪器设备采用由美国Geometrics公司生产的StrataVisor NZXP型浅层地震仪及岳阳奥成科技有限公司生产的HX-DHH-03J型电火花声波发射震源。 测试参数为： 接收点距1.0m、 激发点距1.0m、 采样间隔31.25μs、 采样长度0.03s、接收信道数12道。

将电火花探头放至发射孔孔底激发地震波，串状检波器放至接收孔孔底接收地震波， 选择保存地震波波形正常、初至起跳清晰的记录，然后将电火花探头向上移动1m，再次激发地震波，直至电火花探头移动至水位处或孔口1m处。 将串状检波器向上移动12m，重复上述过程测试，直至串状检波器移动至水位处或孔口1m处，则完成断面的地震波CT测试。 现场测量并记录钻孔间距和钻孔孔口高程。 沿混凝土防渗墙中心线共布置3对钻孔进行测试，共测试2328个检波点炮点（图2）。

图2 工程布置示意图

2.3 数据处理

资料处理采用湖南奥成科技有限公司研发的弹性波CT成像软件。处理过程包括①数据编辑，主要包括数据剔除、坐标校正、排列参数；②数据分析，主要包括校正触发延时、滤波、地震波旅行时初至拾取；③成像分析，根据初始化速度模型，选择合适单元（网格）尺寸、算法及迭代次数，进行反演运算，获得各单元（网格）的速度，最后做出弹性波速色谱图和等值线图。

2.4 成果分析

根据工程设计要求，龄期28d后，混凝土纵波速度应大于3400m/s，当防渗墙存在夹泥、空洞、裂缝、混凝土振捣不密实等缺陷时， 其波速一般小于3400m/s。 因此根据检测断面波速分布，并结合防渗墙其他资料综合分析， 可以评价防渗墙混凝土的质量，判断混凝土缺陷及位置。

从弹性波CT波速等值线图可以看出：图3反演剖面中地震波速度3510～4044m/s，平均值3799m/s；图4反演剖面中地震波速度3407～3999m/s，平均值3804m/s；图5反演剖面中地震波速度3518～4170m/s，平均值3830m/s。 也就是说，混凝土防渗墙波速主要分布在3500～4100m/s之间，无明显低速区，表明混凝土防渗墙浇筑质量较好，防渗墙整体完整、连续、均匀。

图3 ZK1-1-ZK1-2地震波CT反演剖面图

图4 ZK1-3-ZK1-4地震波CT反演剖面图

图5 ZK1-5-ZK1-6地震波CT反演剖面图

3 结语

本文阐述了弹性波CT方法的基本原理和过程，对某水库混凝土防渗墙的质量进行检测， 检测结果表明该混凝土防渗墙整体完整、连续。 通过实际工程应用，有力证明了弹性波CT技术在混凝土防渗墙质量检测方面具有分辨率高、图像直观且信息量大的优势；其实用性、可靠性及高效性，相比传统损害墙体的探测方法，显示了在大体积混凝土工程检测中的优势。