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1穩態表面波檢測系統

大體積水工混凝土由大骨料及水泥砂漿組成，非常不均勻，對于高頻彈性波而言，是一種非均勻介質。表面波在其中傳播過程非常復雜，除可以直接傳播外，還將產生折射、反射、繞射等現象。因此，接收到的信號波形是由直達波波形分量和各散射波分量組合而成。各散射波分量即是聲干涉，由于有了散射波的存在，使直達波的振幅與相位受到干繞，從而產生畸變。用正弦波法檢測無法去除這些干繞波的影響，所以在水工混凝土中進行檢測只能用脈沖波進行檢測，以提取有用信息。由于瞬態表面波法產生的信號具有很寬的頻譜，可以傳播到不同深度，為了獲取準確的傳播深度信息，需要采用單頻脈沖表面波法進行檢測［1］。據此，中國水利水電科學研究院自主研發了穩態表面波混凝土質量檢測系統，系統工作原理如圖1所示。發射系統運用單頻脈沖波作為激發震源，傳播速度用首波相位差計算，可減少聲干涉的影響，并通過相關計算來消除混凝土不均勻性的影響［3］。檢測流程如下:穩態表面波信號發生器、功率放大器及穩態表面波激振器組成發射系統向被檢測的介質發射所需的表面波。拾振器、前置放大器、信號處理器及微機組成接收系統，對表面波信號進行拾取、放大、A/D轉換以及有用信息的提取、分析計算并將結果輸出?，F場測點布置如圖2所示，圖中G點為穩態表面波激振器的激振點?，F場檢測時，根據檢測深度的需要，穩態表面波的發射頻率從較高的頻率開始，逐步降低發射頻率，直至達到要求的檢測深度。拾振器接收的信號經過濾波、互相關計算及Hilbert變換后，計算得到不同頻率的表面波在兩拾振器之間傳播的延遲時間及幅度衰減等參數。

2穩態表面波法檢測實例

穩態表面波檢測技術自20世紀90年代初發展至今，經大量的現場檢測試驗表明，在對大體積混凝土 質量檢測和裂縫檢測方面，與目前國內外常用的混凝土無損檢測方法相比，穩態表面波檢測技術主要主要在以下三個方面具有一定的優勢:(1)可通過調整穩態震源的激震頻率來實現不同深度混凝土參數的獲取，從而實現對混凝土質量的評價。(2)檢測深度與穩態震源的激震能量有關，根據目前的震源，最大檢測深度可達10m，隨著震源技術的進步，檢測深度范圍可進一步加深。(3)在大體積水工混凝土裂縫檢測方面，穩態表面波檢測技術可以實現裂縫深度的無損檢測，而且不受結構物中水和鋼筋的影響，可在結構物的任何一個臨空面上進行檢測。以上特點可在下面幾個應用實例中得到印證。

2.1檢測混凝土質量根據表面波在混凝土中的傳播距離、時間延遲和幅度衰減等參數，可計算得到表面波在混凝土中的傳播速度，根據波速便可評價混凝土的質量。由于表面波在平面與曲面上的傳播機理不同，結合水工混凝土結構的具體情況，分為平面檢測和曲面檢測。

2.1.1平面結構的檢測通過穩態表面波無損檢測儀的檢測結果，是不同深度的表面波波速的平均值VR，要檢測混凝土內部的質量則須測出不同深度的點速度VR，因此必需根據測出得的VR計算出VR，再由VR推算出Vs及Vp。在混凝土內部介質處于均勻狀態時，表面波波速不變，深度、波速特性曲線(VR～D)為直線;當混凝土內部不均勻時，VR發生變化，VR～D呈現折線形狀，其拐點即代表在此深度混凝土特性發生變化，因此根據VR～D曲線上拐點便能計算出混凝土不均勻區域相對應的深度，即所謂內部分層。華東地區某河道工程為了防止船行波淘刷河岸，兩岸都建起了直立的混凝土墻護坡，由于護坡混凝土的體積較大，一般的檢測手段無法進行定量的無損檢測。作者采用穩態表面波法進行檢測試驗，分10個斷面，每個斷面4個測點，現場測點布置如圖3(a)所示，一個激振點周圍布置4個測點，見由于被檢測的混凝土護坡是板狀平面結構，混凝土板后為回填土，現場測試中，作者測試了不同頻率的表面波在該混凝土中的傳播速度及其振幅衰減情況，某測點的表面波波速～深度曲線如圖3(b)所示。根據表面波的傳播特性，當波速～深度特性曲線出現“之”字型時，表明混凝土有軟弱層或內部可能存在疏松區，根據圖3(b)中的曲線拐點，可以確定該測試點混凝土板厚度，可以判斷混凝土與回填土之間側分界面，從而確定混凝土層的厚度。由圖3可知，該護坡混凝土的厚度約為20cm，且護坡后存在2～3cm厚的墊層。后經鉆孔驗證，護板的實際厚度為20cm，墊層厚度為2cm，結果與表面波法檢測結果一致。

2.1.2曲面結構的檢測當在曲面上檢測時，根據表面波在曲面上的傳播特性，波速計算需進行修正。曲面為凸面時，VR=VR0(1+δ)，曲面為凹面時，VR=VR0(1－δ)，其中，δ為修正因子，可通過公式計算得到［2］。西部某大型抽水蓄能水電站水輪機組在甩負荷試驗中，定子基礎部位的混凝土由于機組爆炸遭到破壞，在維修處理前需定量檢測定子基礎部位混凝土結構的損傷情況，以確定是否需要全部拆除重新澆筑。由于該部位混凝土厚度較大(厚3.5m)，且內部的鋼筋密集，常用的無損檢測手段無法進行全面檢測。筆者采用了表面波法，用該部位混凝土的表面波波速來定量評價混凝土損傷程度，由于現場工作面的局限，現場檢測時采用外立面和內測對穿檢測，其中某個測點的檢測結果如圖4所示。由圖4(b)、4(c)可知，該部位混凝土表面波波速變化趨勢為:由外而內逐漸減小，說明該部位的混凝土破壞程度由外而內逐漸增大，波速分布在2250m/s左右，比較均勻，未出現因嚴重缺陷而造成的表面波波速突變的現象，說明該定子基礎部位混凝土的總體破壞程度不大，結構未被完全破壞。后經彈性波CT測試、芯樣抗壓強度檢測以及回彈拉拔試驗驗證，檢測結論與穩態表面波法一致。

2.2檢測混凝土裂縫深度目前國內外常用的混凝土裂縫深度檢測方法主要是超聲波和脈沖波的繞射特性進行檢測，實際應用中，由于條件的限制，檢測深度一般只能達到3～5m［3］。而利用穩態表面波法在30多座大壩等混凝土建筑物上進行了大量的裂縫檢測試驗，試驗結果表明，利用大功率穩態振源，穩態表面波法可將混凝土裂縫檢測深度提高至8～10m。現場檢測時，同時在無縫區和有縫區各布置一條測線，在有縫區的測線橫跨裂縫。表面波的發射頻率從5000Hz開始，逐步降低，以增加檢測深度，直至有縫區的深度～頻率曲線和無縫區的深度～頻率曲線相交，得到特征頻率f0，根據特征頻率f0便可計算出裂縫深度。

2.2.1檢測案例一我國西南某特大型混凝土雙曲拱壩壩體出現裂縫，最長的裂縫長度為13m，為了檢測裂縫的深度和了解裂縫發展情況，筆者分別在2006年1月和2009年1月利用穩態表面波法對該壩體裂縫進行了兩次檢測，2009年1月檢測中某測點的頻率特性曲線如圖5(b)所示。圖5(b)中C1表示無縫區的測值，C2表示有縫區的測值，從圖中可以得到無縫與有縫區深度～頻率曲線的交點，即:特征頻率f0為170Hz，根據表面波在兩個拾振器之間的傳播時間Δt為436μs，可計圖6東風電站大壩裂縫檢測算得到該點的表面波的傳播速度VR為2293m/s，再根據表面波裂縫檢測的原理，計算得該點的裂縫深度為6.75m。此次檢測結果與2006年1月檢測的裂縫深度6.7m基本一致，說明經過3年時間裂縫深度沒有繼續發展。

2.2.2檢測案例二東風電站大壩是雙曲薄拱壩。壩上有3個泄洪中孔，中孔中都出現裂縫。我們對中孔裂縫進行了檢測。大壩6#壩段右中孔的裂縫檢測結果如圖6所示。右中孔的地板上有一條裂縫，裂縫表面有水溢出。檢測時，在裂縫上布置了兩條測線L1、L2，兩個拾震器布置在裂縫兩邊各0.6m處。在縫的旁邊的無縫區同樣布置了兩條測線L3、L4，兩拾震器間距1.2m，兩條曲線平均得出無縫區相頻特性［見圖6(a)］。通過計算，這條裂縫深度在7.5～8.1m之間。為了驗證這一檢測結果并為灌漿加固提供依據，按圖6(b)所示的位置，在臨近的電梯井內打了4個鉆孔19#～22#。鉆孔結果顯示:所有鉆孔均有滲水流出，說明鉆孔已達到裂縫部位。22#鉆孔與裂縫得交匯區高程為883m，即此處裂縫深度約7m，與檢測的結果基本一致。

3穩態表面波檢測技術的應用進展

通過大量的現場檢測試驗，結果表明在對大體積混凝土質量檢測和裂縫檢測方面，穩態表面波檢測技術與其他檢測技術相比確實具有一定的優勢，能解決目前在大體積混凝土檢測方面遇到的難題，但由于種種原因，這一技術仍未獲得較大范圍的推廣應用，主要原因是儀器產業化程度不高，技術推廣力度不夠，但就檢測系統本身而言，也存在有以下幾個方面的問題:(1)檢測深度的精度僅在質量較好的混凝土中較高，因為在質量較好的混凝土中，有效檢測深度可直接通過λ/2換算得到，但在有較多缺陷的混凝土中，表面波的傳播路徑較復雜，有效檢測深度會減小，需通過大量的檢測試驗來確定修正因子。(2)在檢測數據處理中，如果接收端波形畸變較大，在進行互相關計算時會出現傳播時間計算誤差增大，從而影響檢測精度。(3)在數據采集過程中，對激振器和拾震器的安裝精度要求較高。針對這些問題，下一步需開展以下方面的研究。(1)目前僅能通過縱波的傳播時間計算波速，對混凝土的其他特性參數如彈性模量可通過相位差的計算得到，這是下一步需要繼續深入研究的課題。(2)目前數據采集系統中，采用的是模擬帶通濾波器，濾波器的相位差，下一步可通過研制零相位差的數字濾波器，來計算混凝土的彈性模量等其他特性參數。

4結語

根據在上述幾種混凝土結構檢測中的應用，結果表明利用穩態表面波技術可以解決目前混凝土檢測中的一些難題，特別是大體積的混凝土檢測，包括質量檢測和裂縫深度檢測等。相對瞬態表面波，穩態表面波技術具有振源場穩定，抗干擾能力強，檢測準確度高等優點。但在實際應用過程中，也存在一些問題，如振源的功率和能量直接決定檢測深度，不同的檢測深度需要不同型號的振源;現場檢測時，大體積的振源不易安裝，對拾振器現場布設準確度要求較高。隨著振源技術的不斷進步，會出現更加便攜、且用途多樣的穩態震源出現，穩態表面波檢測技術在大體積混凝土結構無損檢測方面的研究將更趨成熟，應用亦將越來越廣泛。

作者：鄧中俊 姚成林 賈永梅 楊玉波 張貴賓 單位：中國地質大學 中國水利水電科學研究院