超声横波反射法在水利工程混凝土检测中的应用

戴镜元

(肇庆市水利水电工程质量检测站，广东 肇庆 526104)

0 引言

20世纪末，我国修建了大量的水利工程建筑。由于当时技术的限制，以及常年的工作，已经有不少的建筑存在不同程度的病险问题。近年来国家已经对部分存在潜在危险的建筑进行治理，但是仍然会有不少的水利水电建筑出现不同程度的病险。水利工程建筑的检测主要包括缺陷与病害，以及力学性能方面的检测。此次研究主要通过无损检测来检测结构体的缺陷，如裂缝，内部空洞等问题，来制定对缺陷的修补方式。此次实验通过搭建混凝土无损检测测试平台，对常见的缺陷，如裂缝，内部空洞进行模拟。在测试平台上验证不同方法的检验缺陷的性能。此次研究旨在对水利工程混凝土结构中的缺陷进行检测，通过检测结果来确定结构的安全，同时对后续的结构修复和工程治理提供可靠的保证。

1 基于超声波反射法的水利工程混凝土质量检测的研究

1.1 混凝土质量检测平台的建立

水利工程安全检测是对水利工程的缺陷进行检测，通过检测数据和后续数据分析的结果对水利工程的安全情况进行评估，为后续的结构修复提供依据。水利工程大型混凝土结构通常存在的缺陷有3种，分别是内部空洞、裂缝和不密实区。混凝土无损检测测试平台就是将以上所说的各种缺陷集于一体的大型混凝土试验构件。该试验构件上的缺陷如裂缝、空洞、不密实区等都是经过计算后精心设计的，缺陷尺寸和位置都是预先设计好的。在该试验构件上进行缺陷的检测具有几个优点，可以对现有的检测技术或检测设备进行检验，验证检测方法和检测设备的性能，同时可以对相同缺陷选用不同的检测方法或检测设备来进行检测，方便对不同方法的检测效果进行比较，还可以通过对复杂缺陷的检验，来测试新设备的性能和新技术的合理性。

对于混凝土无损检测测试平台需要满足以下几个条件。首先需要在有限的混凝土块空间中，尽量多布置不同类型的缺陷。因此需要缺陷的类型具有代表性，且型式需要多样化，经过综合考虑，选用裂缝、内部架空、不密实区。缺陷尺寸要提前设定好，对工程质量有着较小影响的缺陷，如窄且浅的裂缝，较小的内部架空等均不在此次实验的考虑范围内。其次是缺陷的分布位置需要提前设置。由于此次测试平台受外部条件影响，体积有限。因此需要一个合理的方案使得不同大小的裂缝，空洞和不密实区等缺陷布置在有限的测试平台内。且各个缺陷之间不会相互干扰，同时满足大多数设备的检测面要求。

此次混凝土无损检测平台主要由混凝土结构组成，选用强度等级为C25的混凝土，选用最大粒径为25mm的石子，设定水胶比为0.45，粉煤灰掺量为20%，砂率为45%。其他详细数据见表1。

表1 混凝土材料表

混凝土裂缝的检验难点在于检验裂缝的深度。通过现有的检测经验的总结，深层裂缝的宽度一般不会较大。通过实际情况分析，设定2种裂缝宽度分别为1、2mm。对于1mm的裂缝，设置2种尺寸的裂缝深度分别为46、40cm。对于2mm的裂缝，设置2种尺寸的裂缝深度分别为90、60cm。裂缝的方向不止竖向1种，还会有部分倾斜的裂缝。因此需要设置1条倾斜裂缝来保证与实际情况的吻合。设置该倾斜裂缝倾斜角度为55°，可以通过该裂缝检验各个检测方法和设备对倾斜裂缝深度检测性能。混凝土结构最常见的缺陷除了裂缝之外还有内部架空和不密实区。初步设定内部架空的缺陷结构尺寸为10cm和21cm。通过对不同尺寸的缺陷进行检测来检验不同方法和设备对缺陷的探测性能。并且可以在同种检测方法和设备下，对不同大小的缺陷进行检测，分析其性能。将2种不同尺寸的空洞放置在不同位置。直径为10cm的空洞，设定其埋深分别为26、34、40、100cm。直径为21cm的空洞，设定其埋深分别为42、46、64、68cm。这种放置方式可以检验检测方法和设备在探测同样大小不同深度的空洞的性能。将混凝土试验构件中的部分区域设置成不密实区，可以验证检测方法和检测设备对不密实区的检测性能。综上所述，设定混凝土无损检测测试平台断面尺寸长为1.5m，宽为1.2m，高为3m的长方体。这样的大小存在以下几个优点，首先是空间够大，方便各类设备进行检测操作，然后是平台能够划分为3段，可承载不同的缺陷且互不干扰。最后是各种缺陷布置比较紧凑，能够有效地利用空间。

1.2 超声波反射法在混凝土质量检测中的研究

对于裂缝的检测，主要是利用超声波的纵波的传播特性。任何弹性物体在其本身发生形变时，都会产生弹性力，因此纵波可以在任何状态下的介质中。由于纵波的特性：振动方向与传播方向相同，使得纵波的传播速度最快。当物体介质为特别大的介质时，其传播速度如式(1)所示。

(1)

式中，E—材料的弹性模量；μ—泊松比；ρ—密度。当纵波的波长较长且介质为平面板状介质时，纵波传播速度如式(2)所示。

(2)

通常情况下，混凝土为非均质体，因此超声波在对混凝土进行检测时，声波在混凝土的传播状况要比在均匀介质的物体中表现得更加复杂。由于超声波频率高，衰减大以及混凝土是非均质体特性，使得超声波在混凝土中传播时的散射和折射现象非常明显，这种现象越明显，能量损失越多。为了避免此问题，使超声波在混凝土中的传播距离尽量大，因此通常选择频率较低的超声波来对混凝土进行检验。但是超声波的频率越低，波长越长，其波束的扩散角也就越大，导致超声波的指向性受到极大影响。当超声波在混凝土中的不均匀界面传播时，会产生反射波和折射波，多种波束的出现也会对超声波的指向性产生极大的影响。多种波的叠加导致接收到的无用信息变多，导致波形发生畸变。利用超声波对混凝土进行裂缝检验，记录各项声波数据。当混凝土出现裂缝时，由于空气的波阻抗远低于混凝土的波阻抗，超声波通过固体介质到达空气界面时会发生全反射。因此可以认定接收到的声波信号是绕过裂缝通过固体介质传播过来的衍射波。根据接收到的波的数据信息，可以对混凝土构件的裂缝进行分析。表面波相比于超声波反射法有着更好的性能，该方法的波体主要集中于弹性介质的表面和浅层，非常适合探测裂缝的深度。

使用超声波对空洞和不密实区进行检测的原理与检测混凝土结构中的裂缝的相似，都是将声波发射到混凝土结构的内部，然后通过接收到的声波信息来确定缺陷信息。通过声波沿着直线传播时各种信息参数参数，来确定混凝土的缺陷。当混凝土出现空洞时，由于空气的波阻抗远低于混凝土的波阻抗，超声波从混凝土构件中到达空气界面时会发生全反射。因此可以认定接收到的声波信号为通过混凝土介质绕过空洞的波。如图1所示。

图1 超声波检验混凝土空洞原理图

由图1可知，由于声波绕过空洞进行传播导致传播路径的增长，而声速降低，通过该数据可以计算出空洞的大小。由于空洞的影响，会导致不同的波形相互叠加，从而使得波形发生一定程度的畸变。也可以通过对声波振幅、频率等参数进行分析来确定混凝土结构中是否存在空洞缺陷。对不密实度的检测是通过声波在不同密度的介质中传播速度并不相同的原理来进行的，通过对声波数据的分析，可以计算出不密实区域的厚度参数。超声横波反射法利用混凝土或钢筋混凝土等构件的一个检测面对其进行成像的一种无损检测技术，超声波横波的传播速度如式(3)所示。

(3)

式中，E—材料的弹性模量；μ—泊松比；ρ—密度。

由于横波的传播速度为纵波的2/3左右，从而使得超声横波对小型缺陷的识别能力较强。并且超声横波在介质中穿透能力比纵波强，能量衰减比纵波少，所以声波信号在穿过混凝土结构后，保留的信息比纵波更多。当超声横波遇到空洞或裂缝时，无法在其中进行传播，因此检测精度会更高，适用性更强。超声横波反射法在检测时，利用发射器向混凝土中发射脉冲波，接收器对回波进行收集如图2所示。

图2 超声横波反射法检测混凝土缺陷原理图

由图2可知，每个超声横波发射器对混凝土结构发射声波后通过接收器接收回波，通过接收到的信息对超声横波进行分析，从而判断缺陷类型和大小。

2 超声波在混凝土质量检测中的性能分析

此次研究主要针对工程质量影响较大的裂缝进行研究。因此在设计裂缝的时侯，将裂缝设置在混凝土测试平台较深的位置，这样设置提高对检测能力的要求。此次实验引入表面波法，将2种方法下的检测性能进行比较，见表2。

表2 不同裂缝探测结果对比

表2中，1号裂缝为垂直裂缝，裂缝深度为90cm，宽2mm。该裂缝的深度超过了超声波反射法能测量的最大深度。使用表面波法对1号裂缝进行探测。实验结果显示，混凝土构件中探测到的深度比实际深度较小，有着较大误差。当使用表面波法对尺寸较小的构件上进行裂缝探测时，精度会有所下降，该方法更适合于大型的混凝土结构进行裂缝的探测。2号裂缝为垂直裂缝，裂缝深度为60cm，宽2mm。该裂缝的深度超过了超声波反射法能测量的最大深度。表面波法对其进行裂缝深度检测，测得裂缝深度为54.3cm，与1号裂缝相比，2号裂缝的探测准确度明显上升。3号裂缝为垂直裂缝，裂缝深度为46cm，宽1mm。通过超声波反射法对其进行探测，探测的结果比实际值偏低，误差较大，其原因是处于此处缝深的裂缝快要达到超声波反射法探测的极限距离，声波衰减严重。由于表面波法的声波能量较大，接收到的信号更加明显，相比于超声波反射法有着更高的精度。4号裂缝为斜裂缝，裂缝深度为40cm，宽1mm。使用双椭圆法对裂缝尖端坐标进行探测，经过计算求解出裂缝深度。可以看出双椭圆法的探测精度比表面波法要小，通过3号裂缝和4号裂缝的对比，可以看出表面波法对垂直裂缝的探测能力要优于斜裂缝。

如图3所示，为不同埋深下的2种方法的探测准确度，可以看出当埋深过深时，由于声波能量的损失，导致过深回弹的声波会有畸变，使得准确率降低。使用超声波法对空洞位置和大小进行探测，其结果见表3。

图3 不同埋深下的不同方法的探测准确度

表3 超声横波反射法对不同缺陷的识别结果

由表3可知，超声波发射法在对混凝土缺陷的识别过程中。未能发现深度为100cm直径为10cm的1号空洞。其原因是超声波在传播时候的能量衰减导致的。超声波在混凝土内部进行传播时，由于其内部的复杂结构，在传播过程中，声波的强度不可避免地会有一定的损失。损失的多少与混凝土结构中的复杂程度和声波的频率有关，声波的传播距离越大，损失越多。对2种空洞进行探测的结果，可以发现对1号空洞进行埋深探测，探测的误差在4%左右；对2号空洞进行埋深探测，探测的误差在7%左右。实验结果表明，超声横波反射法的探测精度符合要求。对不同方法的探测性能进行比较，如图4所示。

图4 不同方法对空洞的识别准确率

由图4可知超声波反射法在不同的空洞中均有着较好的准确率，由于2号空洞埋深过深，导致超声波的衰减较多，所以预测性能有所降低。但在埋深超过45cm后，超声横波反射法的性能开始低于探地雷达法。

3 结论

水利工程安全检测是指对水利工程的结构、设备、水文水资源等进行定期或不定期的检测和评估，以确保工程的安全性和可靠性。它是对水利工程进行全面监测、分析和评估的过程，旨在发现潜在的安全隐患和问题，并采取相应的措施进行修复和改进。此次研究搭建了混凝土无损检测测试平台，在测试平台上布置不同的缺陷，然后选择不同的方法对测试平台上的缺陷进行检测，以验证不同方法的检测性能。此次研究仍然存在不足，实际情况下的工程混凝土缺陷并不是单一出现的，此次研究只讨论了单一缺陷的探测性能，若对多种复合缺陷进行讨论，可以让实验结果更具有说服力。