摘 要：本文對水利水電工程混凝土質(zhì)量聲波檢測技術(shù)進(jìn)行討論，重點(diǎn)介紹聲波檢測混凝土質(zhì)量的基本方法和技術(shù)原理，為廣大水利水電施工技術(shù)人員提供理論參考。

關(guān)鍵詞：水利水電；混凝土質(zhì)量；聲波檢測技術(shù)

1、聲波檢測混凝土質(zhì)量的基本方法及技術(shù)原理

聲波在均勻介質(zhì)中傳播其聲波衰減很少。應(yīng)用聲波檢測混凝土質(zhì)量即是利用此原理來研究混凝土結(jié)構(gòu)的形態(tài)。目前，較為成功的聲波檢測方法有透射法（也稱穿透法）和反射法。下面將具體介紹聲波檢測混凝土質(zhì)量各種方法的特點(diǎn)和使用范圍。

（1）透射法（穿透法）。

透射法是一種簡單而有效的檢測方法，主要用作混凝土結(jié)構(gòu)的完整性檢測。本方法的主要優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，可定量分析混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷和判定缺陷所處位置。而缺點(diǎn)是需要提前埋設(shè)聲測管，成本增加且造成施工不便，現(xiàn)場的檢測效率也不高。

透射法主要利用三種設(shè)備或儀器，即聲波發(fā)射器、接收換能器和聲波檢測儀。通常，要求聲波發(fā)射器和接收換能器要滿足以下幾點(diǎn)要求：

a.柱狀徑向振動，且沿徑向具有無指向性；

b.外徑不大于聲測管的內(nèi)徑，有效工作面的軸向邊長小于150mm；

c.諧振頻率不宜超過60 kHz；

d.在不小于1MPa水壓條件下該設(shè)備不發(fā)生滲水現(xiàn)象，水密性保持良好。

聲波檢測儀需滿足一下幾點(diǎn)要求：

a.功能齊全。擁有即時(shí)顯示和記錄時(shí)程曲線或頻譜分析等功能；

b.該檢測儀最小的采樣間隔不大于0.5μs，頻帶寬度宜為1kHz～200kHz，控制測量聲波幅值的相對誤差不大于5%，最大的動態(tài)范圍應(yīng)該至少為100 Db。

c.聲波發(fā)射的脈沖應(yīng)為階躍或矩形脈沖，電壓幅值在200V～1000V范圍以內(nèi)。

根據(jù)聲波換能器通道不同的布置形式可將聲波透射法分為三種，即體內(nèi)單孔透射法、體外孔透射法和體內(nèi)跨孔透射法。

a.體內(nèi)單孔透射法。特殊情況下，水利水電工程某個(gè)混凝土構(gòu)件如只有單孔可供質(zhì)量檢測，在完成鉆孔取芯后，同時(shí)了解芯樣周邊混凝土的質(zhì)量，以作為鉆芯檢測的輔助手段，這種情況即可采用體內(nèi)單孔檢測。這時(shí)候換能器被放在孔內(nèi)，并以隔聲材料（或配置具備一發(fā)多收的換能器）進(jìn)行隔離處理。聲波從發(fā)射器、換能器經(jīng)過耦合水進(jìn)入到孔壁混凝土的表層，沿著混凝土表層滑行，再經(jīng)過耦合水分別到達(dá)兩組接收換能器內(nèi)，從而得到聲波沿著孔壁混凝土傳送的諸項(xiàng)聲學(xué)指標(biāo)及參數(shù)。這里值得強(qiáng)調(diào)的是，應(yīng)用此法進(jìn)行混凝土質(zhì)量檢測時(shí)，需充分利用信號分析技術(shù)來排除管內(nèi)的干擾因素，尤其是孔道外層包裹鋼制套管有可能會因?yàn)殇摴苡绊懧暡ㄔ诳妆诨炷林械睦@行現(xiàn)象，因此不可應(yīng)用。

b.體外孔投射法。當(dāng)水利水電工程混凝土構(gòu)件在施工過程中未預(yù)留換能器通道，可以在體外緊鄰構(gòu)件的土層中鉆孔并作為檢測的通道。在檢測過程中，混凝土構(gòu)件的頂面可安置一臺功率較大的發(fā)射換能器，接收換能器則從體外自上而下依次放入，聲波沿著構(gòu)件表層的混凝土依次向下傳送，同時(shí)穿過構(gòu)件與孔之間的土體，經(jīng)過孔內(nèi)的耦合水可進(jìn)入到接收換能器，逐步檢測出投射聲波的諸項(xiàng)聲學(xué)參數(shù)，按照信號變化可大致判斷構(gòu)件的混凝土質(zhì)量。

c.體內(nèi)跨孔透射法。本方法較為可靠，是聲波透射法檢測水利水電工程混凝土構(gòu)件最為主要的形式。它需要在構(gòu)件內(nèi)預(yù)埋兩組或兩組以上聲測導(dǎo)管，在聲測導(dǎo)管內(nèi)注水，同時(shí)將發(fā)射換能器和接收換能器分別放置在兩組導(dǎo)管內(nèi)。檢測過程中聲波發(fā)射換能器發(fā)出聲波穿過兩組導(dǎo)管之間的混凝土，然后由接收換能器實(shí)現(xiàn)接收，實(shí)際有效的檢測范圍是聲波脈沖從發(fā)射換能器到接收換能器經(jīng)過的所有面積。按照不同情況采取一種或集中不同的檢測方法來采集諸項(xiàng)聲學(xué)指標(biāo)及參數(shù)。同時(shí)，按照波形變化判定混凝土構(gòu)件的質(zhì)量。體內(nèi)跨孔透射法按照發(fā)射換能器和接收換能器相對高程的變化也可分為平測、斜測和交叉斜測等多個(gè)方式，在實(shí)際檢測活動中可根據(jù)現(xiàn)場條件靈活選擇。

（2）反射波（回波）法。

發(fā)射波法，也稱回波法。它是一種基于一維應(yīng)力波以截面波阻抗Z=ρCA為指標(biāo)（其中，ρ為材料的密度，C為聲波速率，A為截面積）來描述和判定混凝土質(zhì)量。當(dāng)應(yīng)力波沿著混凝土構(gòu)件傳送時(shí)，如遇波阻變化截面會產(chǎn)生反射現(xiàn)象和投射現(xiàn)象，反射的相位和幅值的大小都由波阻抗的變化來決定。波阻抗減小，混凝土離析、夾泥或頸縮，聲波發(fā)生同相反射；波阻抗增大，聲波發(fā)生反相發(fā)射，波阻抗變化越大則說明發(fā)射波的幅值越大，由發(fā)射波的發(fā)射時(shí)間可推算出混凝土構(gòu)件內(nèi)聲波傳送的平均速度，由缺陷反射信號波的時(shí)間即可確定缺陷所處的具體位置。

按照聲波的測波情況可推斷混凝土構(gòu)件存在缺陷的位置，同時(shí)也可根據(jù)發(fā)射波信號預(yù)估混凝土基底持力層和沉渣情況，反射波檢測現(xiàn)場的操作也更為便捷，所投入的成本也會很少。但是，反射波作為反演手段不可能做到直接反映混凝土質(zhì)量情況，存在一定的不確定性，而作為描述混凝土質(zhì)量情況和影響聲波傳送的重要指標(biāo)波阻抗Z，它在很大程度上也會受到混凝土構(gòu)件截面尺寸和材質(zhì)特性的影響，因此反射波發(fā)不能準(zhǔn)確識別如頸縮、夾泥和離析等問題。波阻抗是截面評價(jià)參數(shù)對于截面以上局部的小缺陷問題難以準(zhǔn)確反應(yīng)，波阻抗突變截面相對于應(yīng)力波來說放映比較顯著，而對于波阻抗的漸變則反映不夠明顯，波阻抗突然變?。ㄗ兇螅┗蜻€原的情況也容易出現(xiàn)判定結(jié)果錯誤的情況。

在我國，大部分檢測機(jī)構(gòu)采用反射法（瞬態(tài)時(shí)域分析法）來檢測混凝土結(jié)構(gòu)的完整性，究其原因就在于該方法利用的設(shè)備和儀器比較簡單，現(xiàn)場施測十分快捷，同時(shí)結(jié)合激勵手段和頻域分析法作為檢測和輔助分析手段。當(dāng)然，低應(yīng)變法檢測不管缺陷是哪種類型，它的綜合表現(xiàn)都是阻抗變小，且對于缺陷性質(zhì)分析不明，這也是反射法應(yīng)用的一個(gè)最主要的局限性。

聲波于混凝土構(gòu)件的內(nèi)部傳播，混凝土是否均勻或界面是否破碎等波阻抗不同引起反射波。如波阻抗面距波形振動的延續(xù)面較小時(shí)，它會產(chǎn)生兩種波形振動帶挈相互疊加，反射波分辨率最好的位置是發(fā)射換能器附近；如發(fā)射換能器和接收換能器的距離過大，淺層的反射波振動帶也會帶來嚴(yán)重的干擾反射波，主要干擾下層工作區(qū)，這時(shí)候聲波型圖比較復(fù)雜且無法清楚分辨。因此，在應(yīng)用反射法時(shí)需注意如下幾點(diǎn)要求：

a.接收換能器需緊鄰靠近發(fā)射換能器，因聲波在這時(shí)候具有穩(wěn)定強(qiáng)度和一致的波形，反射波極容易被追蹤。

b.發(fā)射換能器附近的臨測區(qū)，反射波法可以清楚分辨出界面相近的反射波。

c.檢測點(diǎn)距離發(fā)射換能器不遠(yuǎn)的時(shí)候，反射波信號在發(fā)送方向上的形態(tài)與反射面法線近似一致。因此，混凝土構(gòu)件的的中間界面折射影響大大降低，這樣一來，可提高對于波形的認(rèn)識和解釋精度。

a.接收探頭應(yīng)盡量靠近發(fā)射探頭，因?yàn)檫@時(shí)波具有穩(wěn)定的強(qiáng)度和一致的波形，這使得反射波容易追蹤。

2、結(jié)束語

綜上所述，在水利水電工程混凝土質(zhì)量檢測方面，施工單位應(yīng)不斷加強(qiáng)質(zhì)量檢測的管理力度和增強(qiáng)對混凝土施工質(zhì)量控制的重視程度，強(qiáng)化相應(yīng)質(zhì)量檢測方法的創(chuàng)新，并認(rèn)真執(zhí)行國家法規(guī)及規(guī)范，在法律允許的范圍之內(nèi)不斷提升工程質(zhì)量檢測水平，確保質(zhì)檢工作的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和權(quán)威性，保障水利水電工程質(zhì)量的可靠性。

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