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

伴隨著我國基建工程規(guī)模的日益擴大，大體積混凝土構筑物已普遍應用于土木工程領域，如水利中的壩體、風機等大型設備基礎、大跨度橋梁基礎、大型沉管等[1-3]。但這些大體積混凝土的相關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并不能全面、深入地評價其質(zhì)量[9-11]。況且現(xiàn)有的常規(guī)無損檢測技術，如回彈、超聲、雷達、沖擊回波等具有探測深度較淺，不適應大體積混凝土內(nèi)部鋼筋網(wǎng)密集等缺點，不能滿足無損檢測的實際要求[12-14]。即，滯后的檢測技術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]，陜西寶漢高速的預制梁混凝土內(nèi)部結(jié)構質(zhì)量檢測[16]等。雖聲波CT技術在大體積混凝土無損檢測領域值得推廣，但其也有如下的局限性：布置在同一個可測面上進行表面CT時，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；布置在兩個可測面上進行截面CT時，探測深度與擊震源有關，探測深度較深，但如風電基礎等眾多大體積混凝土構件僅1個可測面，并不能采用截面CT。聲波散射成像技術屬于地震勘探方法，在巖土工程與資源勘探領域應用廣泛，其恰恰可在1個可測面上進行檢測[17-23]。但僅僅采用聲波散射技術是達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用數(shù)學相控陣技術，來增強聲波散射成像技術分辨率。

1 聲波散射成像方法原理

1.1 聲波散射法理論基礎

聲波散射法是在地震反射基礎上發(fā)展起來的新技術。其以非均勻地質(zhì)模型為基礎，利用地震散射波對地質(zhì)界面和介質(zhì)波速進行成像，實現(xiàn)對地質(zhì)結(jié)構精細勘查的目的?？碧綍r首先向地下發(fā)射地震波，當?shù)卣鸩ㄈ肷涞椒蔷鶆蚪橘|(zhì)內(nèi)部時，由于兩個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。通過接收到的散射波走時、幅值，可對異常體的位置、形態(tài)以及波速大小進行精細成像。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，實現(xiàn)高分辨率的特質(zhì)。

偏移圖像是反應介質(zhì)物理力學特性最直觀的成果，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。

1.2 聲波散射成像方法的關鍵技術

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、鋼筋構成的凝聚體，是一種非均勻的結(jié)構物,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時，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，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，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。對于1 cm尺度骨料的混凝土，散射法探測時，震源激振的波最佳頻率在10 kHz20 kHz。

另外，大體積混凝土結(jié)構通常存在多個表面，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鍵技術之一。

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

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項關鍵技術：① 進行波場分離，濾除拉姆波提取散射波；② 對單點激發(fā)記錄進行數(shù)學相控陣，提高激發(fā)點下方的照度；③ 對散射記錄進行速度掃描，獲得混凝土的實際波速；④ 根據(jù)波速分布和散射記錄進行偏移成像，獲得混凝土內(nèi)部結(jié)構圖像。

1.2.1 波場分離技術消除拉姆波

混凝土結(jié)構具有封閉的表面，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，有不同的模態(tài)和波結(jié)構。

拉姆波的能量比體波的能量大得多，是混凝土結(jié)構檢測的主要干擾源。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)。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 單點激發(fā)和相控陣激發(fā)效果對比

1.2.2 震源的數(shù)學相控陣處理技術

單點激發(fā)和相控陣激發(fā)效果對比如圖2所示，可見單點激發(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。

在混凝土檢測中使用物理相控陣較困難，文章采用數(shù)學相控陣技術，可以達到物理相控陣同樣的效果。數(shù)學相控陣是一種后處理技術，其對單點激發(fā)的數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理，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)點下方的信號得到加強，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個震源點相控陣，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)共炮點散射波記錄，對炮點下方混凝土的波速與散射界面位置進行掃描，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 風電基礎混凝土無損檢測試驗

2.1 工程概況

圖5 風電塔基礎半側(cè)結(jié)構示意

錫林格勒盟境內(nèi)建有很多風電設施，少數(shù)風電基礎混凝土質(zhì)量有待檢測。風電塔的基礎為鋼筋混凝土結(jié)構，其典型結(jié)構形式如圖5所示?；炷两Y(jié)構由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規(guī)范要求[23-24]，對塔基混凝土結(jié)構實施了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，測線走向為北-南，東-西；4條聲波散射測線布置在東西南北4個方向的斜坡上，沿徑向布置，每條測線長約4.5 m。檢波器間距與激發(fā)點間距均為0.25 m(適應檢測精度的需求)，激發(fā)點緊靠檢波器。

圖6 風電塔基礎檢測測線布置

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

圖7 混凝土聲波散射成像主機與震源槍實物

2.3 結(jié)果與驗證

2.3.1 聲波散射成像結(jié)果

經(jīng)數(shù)據(jù)坐標編輯、濾波處理，每個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 取芯驗證現(xiàn)場

2.3.2 取芯驗證

為了驗證檢測結(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，聲波散射成像技術的檢測結(jié)果得到了驗證。

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上，利用視速度濾波去除了拉姆波干擾，且利用數(shù)學相控陣技術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)構后，得到了能清晰顯示混凝土內(nèi)部構造的偏移圖像。

聲波散射成像技術在風電基礎混凝土質(zhì)量檢測中的應用成果表明，該技術可以作為大體積混凝土質(zhì)量檢測的備選技術。與聲波CT等無損檢測技術相比，聲波散射成像技術的優(yōu)勢是只需要一個檢測面，探測深度可達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用前景。