(1.北京同度工程物探技術(shù)有限公司，北京 102209；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所，北京 100029)

伴隨著我國基建工程規(guī)模的日益擴(kuò)大，大體積混凝土構(gòu)筑物已普遍應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，如水利中的壩體、風(fēng)機(jī)等大型設(shè)備基礎(chǔ)、大跨度橋梁基礎(chǔ)、大型沉管等[1-3]。但這些大體積混凝土的相關(guān)研究更多停留在材料、施工、裂縫分析等階段，針對其質(zhì)量與健康狀況的無損檢測方法的研究甚少[4-8]?，F(xiàn)行檢測手段更多停留在外觀觀察、溫度監(jiān)控以及試塊檢測上，表面裂縫分析、鉆孔取芯等表面檢測與抽樣檢測技術(shù)并不能全面、深入地評價(jià)其質(zhì)量[9-11]。況且現(xiàn)有的常規(guī)無損檢測技術(shù)，如回彈、超聲、雷達(dá)、沖擊回波等具有探測深度較淺，不適應(yīng)大體積混凝土內(nèi)部鋼筋網(wǎng)密集等缺點(diǎn)，不能滿足無損檢測的實(shí)際要求[12-14]。即，滯后的檢測技術(shù)與大體積混凝土的無損檢測需求不匹配。

聲波CT(Computerized Tomography,層析成像)技術(shù)作為大體積混凝土的檢測方法在交通和水利行業(yè)已經(jīng)有成熟的應(yīng)用，如對高鐵橋墩大體積混凝土的質(zhì)量檢測[15]，陜西寶漢高速的預(yù)制梁混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測[16]等。雖聲波CT技術(shù)在大體積混凝土無損檢測領(lǐng)域值得推廣，但其也有如下的局限性：布置在同一個(gè)可測面上進(jìn)行表面CT時(shí)，探測深度較淺，根據(jù)高斯射線束原理，僅可探測1/4波長厚度(約為25 cm)范圍內(nèi)的混凝土質(zhì)量；布置在兩個(gè)可測面上進(jìn)行截面CT時(shí)，探測深度與擊震源有關(guān)，探測深度較深，但如風(fēng)電基礎(chǔ)等眾多大體積混凝土構(gòu)件僅1個(gè)可測面，并不能采用截面CT。聲波散射成像技術(shù)屬于地震勘探方法，在巖土工程與資源勘探領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其恰恰可在1個(gè)可測面上進(jìn)行檢測[17-23]。但僅僅采用聲波散射技術(shù)是達(dá)不到混凝土無損檢測精度要求的，還需要提高震源激發(fā)的彈性波頻率，并采取消除拉姆波的方法以及應(yīng)用數(shù)學(xué)相控陣技術(shù)，來增強(qiáng)聲波散射成像技術(shù)分辨率。

1 聲波散射成像方法原理

1.1 聲波散射法理論基礎(chǔ)

聲波散射法是在地震反射基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)。其以非均勻地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，利用地震散射波對地質(zhì)界面和介質(zhì)波速進(jìn)行成像，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)勘查的目的?？碧綍r(shí)首先向地下發(fā)射地震波，當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷涞椒蔷鶆蚪橘|(zhì)內(nèi)部時(shí)，由于兩個(gè)界面的波阻抗存在差異而產(chǎn)生散射波，差異幅度越大和異常體的體積越大，散射波越強(qiáng)。通過接收到的散射波走時(shí)、幅值，可對異常體的位置、形態(tài)以及波速大小進(jìn)行精細(xì)成像。聲波散射勘探采用小排列采集方式，通過密集發(fā)射與密集接收，實(shí)現(xiàn)高分辨率的特質(zhì)。

偏移圖像是反應(yīng)介質(zhì)物理力學(xué)特性最直觀的成果，是檢測解釋的主要依據(jù)。大體積混凝土構(gòu)件中，混凝土可看做是均勻介質(zhì)，施工冷縫等病害會在其中形成散射界面，這是聲波散射勘探的物理基礎(chǔ)。

1.2 聲波散射成像方法的關(guān)鍵技術(shù)

大體積混凝土無損檢測面臨很多難題。首先，混凝土是由水泥、骨料、砂、鋼筋構(gòu)成的凝聚體，是一種非均勻的結(jié)構(gòu)物,非均勻的尺度由骨料大小決定。非均勻體的散射特性會影響檢測分辨率和波的傳播距離(探測深度)。使用彈性波與電磁波探測混凝土?xí)r，根據(jù)瑞利散射與米散射理論，如果使用的波長小于骨料尺度時(shí)，波的能量絕大部分會被逆散射回來，很難透射入混凝體中。因而若探測混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使用的波長必須超過骨料尺度的10倍，分辨率也與波長相當(dāng)。對于1 cm尺度骨料的混凝土，散射法探測時(shí)，震源激振的波最佳頻率在10 kHz20 kHz。

另外，大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常存在多個(gè)表面，檢測中存在拉姆波干擾，能否有效地消除拉姆波的影響，是散射成像成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。

由于混凝土的散射和幾何擴(kuò)散的強(qiáng)烈衰減，混凝土的檢測不能依靠單點(diǎn)激發(fā)方式得到滿意結(jié)果，而通常采用相控陣震源技術(shù)提高信噪比和分辨率。物理相控陣頻率高、能量小，但其性價(jià)比較低以及設(shè)備體積過大，故不適合大體積混凝土的無損檢測。數(shù)學(xué)相控陣對震源設(shè)備要求低，便于實(shí)施，具有物理相控陣達(dá)不到的效果。

綜上所述，聲波散射成像方法檢測大體積混凝土包含以下4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：① 進(jìn)行波場分離，濾除拉姆波提取散射波；② 對單點(diǎn)激發(fā)記錄進(jìn)行數(shù)學(xué)相控陣，提高激發(fā)點(diǎn)下方的照度；③ 對散射記錄進(jìn)行速度掃描，獲得混凝土的實(shí)際波速；④ 根據(jù)波速分布和散射記錄進(jìn)行偏移成像，獲得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。

1.2.1 波場分離技術(shù)消除拉姆波

混凝土結(jié)構(gòu)具有封閉的表面，體波和面波形成干涉波場，這種干涉波被稱作拉姆波(Lamb)。拉姆波的傳播與縱、橫波速及混凝土厚度密切相關(guān)，有不同的模態(tài)和波結(jié)構(gòu)。

拉姆波的能量比體波的能量大得多，是混凝土結(jié)構(gòu)檢測的主要干擾源。其頻率較低，波速低于橫波與縱波速度；波場分離使用視速度濾波方法濾除拉姆波，提取出散射波。濾波參數(shù)選擇保留視速度3 800 m·s-1以上即可(與混凝土波速有關(guān))。圖1所示為濾波前后的結(jié)果對比,從中可以清楚地看出濾波的效果。

圖1 濾波前后的波形對比

圖2 單點(diǎn)激發(fā)和相控陣激發(fā)效果對比

1.2.2 震源的數(shù)學(xué)相控陣處理技術(shù)

單點(diǎn)激發(fā)和相控陣激發(fā)效果對比如圖2所示，可見單點(diǎn)激發(fā)產(chǎn)生的波場向下呈廣角輻射，能量在下方的照度分布是分散的，信噪比和橫向分辨率都很低；相控陣是將震源規(guī)則排列，控制相位發(fā)射，在一定范圍內(nèi)形成相干加強(qiáng)。

在混凝土檢測中使用物理相控陣較困難，文章采用數(shù)學(xué)相控陣技術(shù)，可以達(dá)到物理相控陣同樣的效果。數(shù)學(xué)相控陣是一種后處理技術(shù)，其對單點(diǎn)激發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，合成為相控陣數(shù)據(jù)，具有與物理相控陣同等的效果。震源相控陣的效果如圖3所示，可以看出激發(fā)點(diǎn)下方的信號得到加強(qiáng)，右側(cè)的信號被削弱，起到提高信噪比和橫向分辨率的作用。以炮間距0.25 cm為例，選用5個(gè)震源點(diǎn)相控陣，表面排列長度為1 m，最優(yōu)聚焦區(qū)在24 m深度處。對不同目標(biāo)深度的探測可調(diào)整相控陣的數(shù)目。

圖3 單炮與相控陣記錄效果比較

圖4 混凝土波速掃描結(jié)果

1.2.3 混凝土波速的掃描

根據(jù)共炮點(diǎn)散射波記錄，對炮點(diǎn)下方混凝土的波速與散射界面位置進(jìn)行掃描，確定混凝土的波速分布,掃描結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出波速約為3 800 m·s-1，混凝土中界面清晰。除了地界面之外，還有內(nèi)部界面，疑是存在冷縫(施工間歇面)。

2 風(fēng)電基礎(chǔ)混凝土無損檢測試驗(yàn)

2.1 工程概況

圖5 風(fēng)電塔基礎(chǔ)半側(cè)結(jié)構(gòu)示意

錫林格勒盟境內(nèi)建有很多風(fēng)電設(shè)施，少數(shù)風(fēng)電基礎(chǔ)混凝土質(zhì)量有待檢測。風(fēng)電塔的基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)形式如圖5所示?；炷两Y(jié)構(gòu)由C40混凝土澆筑而成，外形呈圓楔形，直徑為15 m，中心有高為1 m，直徑為7 m的圓柱體。圓柱外側(cè)圓楔的厚度為3 m，向外側(cè)漸薄，至邊緣處減薄至1 m。

2.2 檢測方案

根據(jù)聲波散射成像方法原理及相關(guān)規(guī)范要求[23-24]，對塔基混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)施了6條聲波散射測線的檢測(測線布置見圖6)。其中，2條聲波散射測線位于中心圓柱體上，測線走向?yàn)楸?南，東-西；4條聲波散射測線布置在東西南北4個(gè)方向的斜坡上，沿徑向布置，每條測線長約4.5 m。檢波器間距與激發(fā)點(diǎn)間距均為0.25 m(適應(yīng)檢測精度的需求)，激發(fā)點(diǎn)緊靠檢波器。

圖6 風(fēng)電塔基礎(chǔ)檢測測線布置

儀器采用北京同度工程物探技術(shù)有限公司生產(chǎn)的聲波掃描儀，其主機(jī)與震源槍實(shí)物如圖7所示。

圖7 混凝土聲波散射成像主機(jī)與震源槍實(shí)物

2.3 結(jié)果與驗(yàn)證

2.3.1 聲波散射成像結(jié)果

經(jīng)數(shù)據(jù)坐標(biāo)編輯、濾波處理，每個(gè)記錄取震源附近的少數(shù)記錄(不超過11道)，聯(lián)合偏移成像。得到東西南北4條剖面如圖8所示，圖中底部3 m左右的紅色界面是混凝土構(gòu)件底部界面，界面很清楚，位置基本正確。圖8中80 cm1 m范圍內(nèi)不同程度的紅色條紋，表示存在低速界面，可解釋為澆筑中的冷縫。將所有測線成果拼接起來，進(jìn)行三維展示(見圖9)，從圖中可以看出二次澆筑界面清晰、連貫。

圖8 臺柱聲波散射偏移圖像

圖9 聲波散射三維成像結(jié)果

圖10 取芯驗(yàn)證現(xiàn)場

2.3.2 取芯驗(yàn)證

為了驗(yàn)證檢測結(jié)果，如圖10所示，在面向東側(cè)的臺柱混凝土基礎(chǔ)上，且距離臺柱邊界35 cm位置上鉆取芯樣，芯樣長度為111.5 cm。該芯樣整體質(zhì)量較好，不存在明顯的不密實(shí)區(qū)，僅在表層鋼筋淺部存在少量小氣孔。芯樣在距表面87.5 cm處斷為兩截，斷口不是新面，表明該位置的斷裂是前期澆筑過程形成的，是明顯的施工間歇面，與圖8顯示的低速界面深度一致，聲波散射成像技術(shù)的檢測結(jié)果得到了驗(yàn)證。

3 結(jié)語

研究了聲波散射法用于混凝土無損檢測的適用性。在分析聲波在大體積混凝土中傳播特性的基礎(chǔ)上，利用視速度濾波去除了拉姆波干擾，且利用數(shù)學(xué)相控陣技術(shù)提高了探測深度與分辨率；利用波速掃描分析混凝土波速結(jié)構(gòu)后，得到了能清晰顯示混凝土內(nèi)部構(gòu)造的偏移圖像。

聲波散射成像技術(shù)在風(fēng)電基礎(chǔ)混凝土質(zhì)量檢測中的應(yīng)用成果表明，該技術(shù)可以作為大體積混凝土質(zhì)量檢測的備選技術(shù)。與聲波CT等無損檢測技術(shù)相比，聲波散射成像技術(shù)的優(yōu)勢是只需要一個(gè)檢測面，探測深度可達(dá)5 m(配備更大能量的震源，探測深度可能更深)，可顯示出混凝土的內(nèi)部缺陷。在眾多只露出一個(gè)檢測面且探測距離較深的大體積混凝土無損檢測中具有廣泛的應(yīng)用前景。