栗寶鵑，張 濤，張美多，劉康和，李嘉欣

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222;2.黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司，山西 太原 030002)

1 引 言

超聲橫波反射三維成像技術(shù)在水工混凝土內(nèi)部及層間缺陷探測(cè)、混凝土面板脫空、隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)、混凝土內(nèi)部鋼筋檢測(cè)等混凝土檢測(cè)中均有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)水電工程物探規(guī)范(NB/T 10227-2019)中的相關(guān)規(guī)定，超聲橫波反射三維成像法適用于檢測(cè)隧洞襯砌質(zhì)量、檢測(cè)大壩面板質(zhì)量、檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷及鋼筋分布[1]。

在超聲橫波反射三維成像法應(yīng)用的過(guò)程中，朱燕梅等以MIRA超聲橫波三維成像儀為例，將該技術(shù)應(yīng)用于水工混凝土缺陷探測(cè)，探測(cè)目標(biāo)以預(yù)制孔和鋼筋為主，并研究波速和頻率對(duì)探測(cè)精度的影響[2]；杜惠光等在介紹陣列式換能器超聲橫波反射成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，首次將該技術(shù)應(yīng)用于混凝土層間缺陷檢測(cè)之中[3]；謝琪等將超聲橫波反射三維成像法與地質(zhì)雷達(dá)法共同用于大壩混凝土面板脫空檢測(cè)，可通過(guò)圖像直觀顯示出鋼筋層分布和混凝土面板內(nèi)部脫空狀況[4]；徐濤等將超聲橫波反射成像和探地雷達(dá)綜合物探檢測(cè)方法相結(jié)合應(yīng)用于隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)，并將兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析[5]；董明華等將超聲橫波技術(shù)與探地雷達(dá)相結(jié)合，應(yīng)用于密集型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，從而提高了密集型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)信號(hào)的分辨率和判識(shí)準(zhǔn)確率[6]；栗寶鵑等將超聲橫波反射三維成像法與探地雷達(dá)法、表面聲波法用于水工混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)，并采用鉆孔電視對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，具有良好的檢測(cè)效果[7]。

綜上所述，近年來(lái)超聲橫波反射三維成像法的應(yīng)用主要有以下特點(diǎn)：①探測(cè)目標(biāo)由已知的預(yù)制孔和鋼筋到未知的混凝土脫空、襯砌質(zhì)量、層間及內(nèi)部缺陷，逐漸精準(zhǔn)和細(xì)化；②探測(cè)方法由單一到綜合，即逐漸實(shí)現(xiàn)超聲橫波反射三維成像法、探地雷達(dá)法等多物探方法的綜合運(yùn)用；③在探測(cè)過(guò)程中，逐漸考慮到地球物理參數(shù)對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響和作用。本文在對(duì)超聲橫波反射三維成像原理及特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)裂縫、脫空等水工混凝土缺陷進(jìn)行精細(xì)化診斷。

2 基本原理及技術(shù)特點(diǎn)

超聲波是頻率大于20 kHz、以波動(dòng)形式在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。超聲波法主要是使用超聲波探頭測(cè)量超聲波脈沖在混凝土中的傳播速度、首波幅度和接收信號(hào)的主頻率等聲學(xué)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)及其相對(duì)變化來(lái)判斷混凝土裂縫的深度情況。超聲波法的探測(cè)方式有三種，分別為單面平測(cè)法、雙面斜測(cè)法和鉆孔對(duì)測(cè)法。其中，單面平測(cè)法適用于混凝土構(gòu)件只有一個(gè)可測(cè)表面，且裂縫預(yù)估深度不大于被測(cè)構(gòu)件厚度一半的情況[7-14]。

2.1 基本原理

超聲橫波反射三維成像法屬于彈性波測(cè)試的一種。在混凝土質(zhì)量檢測(cè)的過(guò)程中，通常采用一個(gè)換能器將超聲橫波脈沖發(fā)射到襯砌結(jié)構(gòu)中，再利用另一個(gè)換能器接收反射脈沖，通過(guò)測(cè)量從發(fā)射脈沖到接收脈沖之間的時(shí)間間隔，依據(jù)波速求出反射界面的深度。如果超聲波在混凝土中傳播時(shí)遇到了波阻抗有差異的物體，如鋼筋、水體、空洞或欠密實(shí)區(qū)域等，一部分脈沖信號(hào)在缺陷位置提前反射回接收換能器，另一部分脈沖信號(hào)會(huì)繼續(xù)傳播，在到達(dá)混凝土構(gòu)件底部之后再返回接收換能器(圖1)。

圖1 混凝土缺陷射線路徑傳播示意圖[7]Fig.1 Ray path propagation diagram of concrete defects[7]

在測(cè)量過(guò)程中，超聲橫波反射三維成像X軸對(duì)應(yīng)于裂縫平行方向，Y軸對(duì)應(yīng)于裂縫垂直方向，零點(diǎn)位于天線陣中央，儀器設(shè)備網(wǎng)格布設(shè)X軸方向逐點(diǎn)移動(dòng)；Z軸對(duì)應(yīng)被測(cè)對(duì)象深度方向且垂直于平面，零點(diǎn)位于被測(cè)對(duì)象的表面，根據(jù)換能器接收到反射脈沖的到達(dá)時(shí)間，生成三維超聲圖像。分別從三個(gè)不同方向?qū)D像進(jìn)行切片處理，其中，B-Scan垂直X軸方向，C-Scan垂直Z軸方向，D-Scan垂直Y軸方向(圖2)。通過(guò)不同方向的三維超聲圖像切片來(lái)推斷構(gòu)件內(nèi)部缺陷的位置，并對(duì)水工混凝土缺陷進(jìn)行精細(xì)化診斷。

圖2 三維超聲圖像結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of 3D ultrasound image

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 橫波探測(cè)

波是振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，縱波和橫波是波的兩種類型。超聲橫波反射成像法本質(zhì)上與傳統(tǒng)的超聲縱波相似，即利用超聲波在混凝土傳播過(guò)程中遇到波阻抗有差異的物體界面時(shí)產(chǎn)生反射波，其特點(diǎn)主要是與傳統(tǒng)意義上的超聲縱波相比，超聲橫波檢測(cè)反射系數(shù)和反射波幅更大，對(duì)混凝土內(nèi)脫空、裂縫等缺陷反應(yīng)更敏感。

超聲橫波反射的特點(diǎn)有三個(gè)：一是橫波在傳播過(guò)程中要產(chǎn)生剪切形變，由于液體和氣體中無(wú)剪切彈性，因此，橫波只能在固體中傳播，當(dāng)超聲橫波在傳播過(guò)程中遇到固體—液體界面或者固體—?dú)怏w界面等波阻界面時(shí)，不能發(fā)生透射，而是在該界面處發(fā)生全反射，因此，橫波對(duì)裂縫、空洞等缺陷的反映更為明顯；二是在頻率相等的前提下，橫波波速要小于縱波，故橫波波長(zhǎng)也較縱波短，因此，超聲橫波探測(cè)分辨率比縱波高；三是在傳播過(guò)程中，波的強(qiáng)度隨傳播距離增大會(huì)產(chǎn)生衰減現(xiàn)象，以混凝土探測(cè)為例，介質(zhì)不均勻性在增加噪聲的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，內(nèi)部缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生衰減，橫波代替縱波會(huì)減少反向散射和信號(hào)衰減現(xiàn)象。

2.2.2 陣列式耦合

傳統(tǒng)探測(cè)換能器為“一發(fā)一收”，超聲橫波反射的換能器則可實(shí)現(xiàn)“多發(fā)多收”，該設(shè)備采用的是干耦合式單晶DPC換能器，其陣列組合方式由4×12道DPC傳感器組成[5](圖3)。在檢測(cè)過(guò)程中，換能器控制單元將第一列換能器用作發(fā)射，其余列的換能器用作接收，直到重復(fù)進(jìn)行前11列都作過(guò)發(fā)射器為止，可形成21×(2n-3)條有效孔徑掃查線，這樣，不僅使有效探測(cè)范圍增大，一次探測(cè)還能收到多點(diǎn)反射信號(hào)，由此更加準(zhǔn)確地反映地下缺陷的類型及特點(diǎn)。

圖3 4×12 點(diǎn)陣列換能器超聲橫波反射波束路徑示意圖Fig.3 Schematic diagram of the 4×12 point array ultrasonic shear wave reflected beam path

2.2.3 相控陣成像技術(shù)

超聲相控陣成像技術(shù)的基本思想來(lái)自雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)。相控陣?yán)走_(dá)是由許多輻射單元排成陣列組成，通過(guò)控制陣列天線中各單元的幅度和相位，調(diào)整電磁波的輻射方向，可在一定空間范圍內(nèi)合成靈活快速的聚焦掃描的雷達(dá)波束[15-17]。

超聲相控陣換能器是由多個(gè)獨(dú)立的壓電晶片(換能器)組成陣列，因此，可實(shí)現(xiàn)聲束控制和進(jìn)行聲壓分布，如需對(duì)混凝土內(nèi)某一區(qū)域進(jìn)行成像，首先要進(jìn)行聲束掃描。在聲束掃描過(guò)程中，具有“轉(zhuǎn)向”和“聚焦”(圖4)兩個(gè)特點(diǎn)：對(duì)橫波而言，因延時(shí)參數(shù)不同，表現(xiàn)出波束是“傾斜”的，通過(guò)控制陣列換能器中各個(gè)陣元脈沖的時(shí)間延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)波束“轉(zhuǎn)向”；所謂“聚焦”是通過(guò)改變單個(gè)陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(dá)(或來(lái)自)混凝土內(nèi)某點(diǎn)的相位關(guān)系，使各震動(dòng)聲源到達(dá)焦點(diǎn)的聲束具有相同的相位，即按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)晶片單元，來(lái)調(diào)節(jié)控制焦點(diǎn)的位置和聚焦的方向。

圖4 相控陣技術(shù)Fig.4 Phased array technology

2.2.4 合成孔徑聚焦算法

合成孔徑聚焦技術(shù)(SAFT，Synthetic Aperture Focusing Technique)是通過(guò)合成孔徑聚焦算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用合成孔徑聚焦算法主要是因?yàn)樘炀€陣列的探測(cè)方式。以圖5為例，假設(shè)天線陣列的第1個(gè)傳感器與混凝土缺陷的距離為d1,單位為m;第1個(gè)傳感器與天線陣列中心水平距離為l1,單位為m;缺陷與天線陣列中心的垂直距離為h,單位為m。則三者關(guān)系如下：

圖5 天線陣列探測(cè)原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of antenna array detection principle

(1)

假設(shè)超聲橫波在混凝土中的傳播速度為V,單位為m/s,則超聲橫波信號(hào)的傳播時(shí)間和傳播距離之間的關(guān)系為：

(2)

合成孔徑聚焦算法(圖6)通過(guò)對(duì)同一位置不同傳感器采集的信號(hào)分別加以時(shí)延，并進(jìn)行疊加處理來(lái)凸顯異常反射[18-20]，由此得到高信噪比、高分辨率的圖像。與傳統(tǒng)單發(fā)單收超聲反射法的區(qū)別在于，在波束發(fā)散角度較大的情況下，采用合成孔徑聚焦算法可解決超聲波傳播方向差、易受干擾等問(wèn)題，由此得到較高的空間分辨率。

圖6 合成孔徑聚焦算法示意圖[2]Fig.6 Schematic diagram of the synthetic aperture focusing algorithm

綜上所述，超聲橫波反射三維成像法的優(yōu)點(diǎn)與其特性密切相關(guān)：第一，避免了超聲縱波在混凝土中的散射問(wèn)題，提高了探測(cè)精度；第二，干耦合技術(shù)提高了工作效率，陣列式換能器提高了數(shù)據(jù)的采集量；第三，合成孔徑技術(shù)不僅提高了數(shù)據(jù)精度，還提高了圖像質(zhì)量。因此，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地下目標(biāo)高精度、高信噪比、高分辨率的采集與成像。

圖7 混凝土地面裂縫Fig.7 Cracks in concrete ground

3 案例分析

本文以某水電站發(fā)電機(jī)組地面和蝸殼內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部檢測(cè)為例，將超聲橫波反射三維成像法用于水工混凝土構(gòu)件缺陷精細(xì)化診斷。發(fā)電機(jī)組經(jīng)過(guò)多年的發(fā)電運(yùn)行，地面出現(xiàn)裂縫，并存在冬季滲水的情況，裂縫滲水量較大的時(shí)期多發(fā)生在11月下旬至次年3月之間，有時(shí)滲水會(huì)呈現(xiàn)帶壓現(xiàn)象。針對(duì)上述情況，水電站管理局曾多次進(jìn)行灌漿和導(dǎo)排處理，雖地面滲水處灌漿嘴密布、排水溝交錯(cuò)，但滲水問(wèn)題仍未得到很好的解決。因此，本次研究分別在發(fā)電機(jī)組地面(圖7a)和蝸殼內(nèi)部(圖7b)選取典型位置，并布設(shè)測(cè)網(wǎng)，進(jìn)行混凝土構(gòu)件內(nèi)部缺陷精細(xì)化診斷。

在發(fā)電機(jī)組混凝土地面裂縫檢測(cè)的過(guò)程中，采用美國(guó)產(chǎn)低頻超聲波斷層掃描儀A1040 MIRA進(jìn)行檢測(cè)，儀器設(shè)備的采集模式為Mapping模式，采樣頻率為50 kHz，橫波波速設(shè)置為2 750 m/s，網(wǎng)格間距0.1 m。測(cè)線布設(shè)原則為橫跨裂縫布設(shè)，且長(zhǎng)度涵蓋裂縫、寬度為裂縫估測(cè)深度的2倍，因此，在確保探測(cè)深度的前提下，每條裂縫至少被覆蓋一次，對(duì)長(zhǎng)度較大的裂縫進(jìn)行多次測(cè)區(qū)布設(shè)。

以覆蓋3#裂縫的測(cè)區(qū)為例(圖8)，測(cè)區(qū)大小0.7 m×0.7 m，成圖區(qū)域1.1 m×0.7 m(三維超聲成像成圖區(qū)域范圍在X軸方向兩側(cè)各延伸0.2 m)。由YZ剖面圖像推測(cè)可知：3#裂縫深度約為50 cm，因該條裂縫層進(jìn)行過(guò)灌漿處理，裂縫周邊的三維超聲圖像強(qiáng)能量表現(xiàn)為“團(tuán)塊狀”特征。在深度約30 cm的位置，XZ剖面表現(xiàn)為點(diǎn)狀強(qiáng)能量反射，YZ剖面表現(xiàn)為不連續(xù)橫條狀反射，為混凝土內(nèi)部鋼筋層在三維超聲圖像上的直觀反映。

圖8 發(fā)電機(jī)組地面3#測(cè)區(qū)超聲橫波反射三維成像Fig.8 3D imaging of ultrasonic shear wave reflection in the 3# survey area on the ground of the generator set

在該發(fā)電機(jī)組對(duì)應(yīng)蝸殼內(nèi)部頂板部位進(jìn)行超聲橫波反射三維成像法探測(cè)，儀器設(shè)備型號(hào)、參數(shù)設(shè)置與測(cè)線布設(shè)方式與蝸殼地面相同。該處測(cè)線布設(shè)在1#裂縫周邊(圖9)，X方向由壩左指向壩右，Y方向指向下游，測(cè)區(qū)大小0.7 m×0.5 m，成圖區(qū)域1.1 m×0.5 m(三維超聲成像成圖區(qū)域范圍在X軸方向兩側(cè)各延伸0.2 m)。由XZ剖面圖像可知：在X=10 cm、Z=10～30 cm范圍內(nèi)推測(cè)存在蜂窩或不密實(shí)區(qū)域；在X=60 cm、Z=2～5 cm范圍內(nèi)推測(cè)存在不密實(shí)或脫空區(qū)域；在X=100 cm、Z=2～20 cm范圍內(nèi)推測(cè)存在裂縫或脫空區(qū)域。

圖9 蝸殼內(nèi)部1#測(cè)區(qū)超聲橫波反射三維成像Fig.9 3D imaging of ultrasonic shear wave reflection in 1# measurement area inside the volute

通過(guò)利用超聲橫波反射三維成像法對(duì)水工混凝土缺陷進(jìn)行精細(xì)診斷，發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：三維超聲圖像切片圖像存在雜亂反射和散射，且發(fā)電機(jī)組地面比蝸殼內(nèi)部要嚴(yán)重。分析原因如下：第一，混凝土是有水泥、骨料、孔隙等組成的非均勻物質(zhì)，超聲反射信號(hào)在傳播過(guò)程中容易受到干擾；第二、混凝土內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生的反射波與有效信號(hào)混疊在一起，對(duì)圖像效果也有一定影響；第三，發(fā)電機(jī)組地面裂縫進(jìn)行過(guò)灌漿處理，是導(dǎo)致其圖像效果比蝸殼內(nèi)部雜亂的主要原因。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在對(duì)超聲橫波反射三維成像法進(jìn)行原理介紹及特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，將該方法應(yīng)用于裂縫、脫空等水工混凝土缺陷診斷，結(jié)果表明，在未進(jìn)行灌漿處理的蝸殼內(nèi)部效果較好，在灌漿處理之后的發(fā)電機(jī)組地面有待于提高。上述實(shí)例也說(shuō)明該方法的在水工混凝土缺陷精細(xì)化診斷中的適用性。

在該方法應(yīng)用的過(guò)程中，也存在不足之處，根據(jù)水電工程物探規(guī)程(NB/T 10227-2019)中測(cè)區(qū)的布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)線長(zhǎng)度應(yīng)涵蓋裂縫、寬度為裂縫估測(cè)深度的2倍，根據(jù)0.1 m×0.1 m測(cè)線網(wǎng)格的布設(shè)原則，1 m×1 m區(qū)域范圍內(nèi)要逐一探測(cè)121個(gè)測(cè)點(diǎn)，工作量大，不適用于大范圍裂縫和大面積混凝土內(nèi)部缺陷的精細(xì)化診斷工作。