左伊琦，聶俊波，朱珈葳，魏業(yè)文

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

環(huán)形鋼筋混凝土電桿在我國(guó)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前在鄉(xiāng)村地區(qū)，環(huán)形鋼筋混凝土電桿仍支撐整個(gè)村落的供電。電桿埋于地下的部分作為電桿的根基，由于常年受土壤的腐蝕和鋼繩拉應(yīng)力的影響，因此隨著服役年限的增加往往伴隨著桿體混凝土開(kāi)裂、鋼筋腐蝕以及混凝土脫落等現(xiàn)象，導(dǎo)致我國(guó)每年都會(huì)發(fā)生電線桿倒塌事故，如圖1所示。巡檢工人從陸地上無(wú)法觀測(cè)其損傷情況，所以存在極大的安全隱患。為保障鄉(xiāng)村電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，降低經(jīng)濟(jì)損失和避免人員傷亡，須定期檢測(cè)桿體埋地部分，因此高效率且高精度的探傷方法尤為重要。

電桿埋地部分探傷的方法主要包括地下超聲波法、地下窺探鏡法以及測(cè)量尺法。其中，測(cè)量尺法包括兩種不同的檢測(cè)方式。一種是將電桿測(cè)量尺插入地下檢測(cè)，當(dāng)測(cè)量尺碰觸固體異物時(shí)將難以測(cè)量，因此無(wú)法測(cè)量完整埋深；另一種是利用相似性原理通過(guò)電桿錐度來(lái)估算埋深，算法模型因電桿規(guī)格不同而不同。地下窺探鏡法和地下超聲波法都須借助鉆機(jī)向電桿四周土壤打孔，為檢測(cè)裝置潛入地下提供通路。其檢測(cè)設(shè)備體積大且需要多名巡檢工人同時(shí)完成，耗時(shí)費(fèi)力且效率低。

圖1 電線桿倒塌事故

文獻(xiàn)[1]從具體生產(chǎn)操作、運(yùn)輸、存放以及使用過(guò)程中受拉應(yīng)力的影響，闡述了電桿裂紋的成因及防治方法，但其只是針對(duì)電桿裸露部分的檢測(cè)和防治，具有局限性。文獻(xiàn)[2]借助于超聲波探傷儀雖然可以大致測(cè)定裂縫的深度，但因混凝土不是均質(zhì)材料，內(nèi)部有空隙、鋼筋以及水分，因此檢測(cè)結(jié)果往往要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)作必要的修正。上述對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的驗(yàn)傷方法中，忽略了環(huán)形鋼筋混凝土電桿的特殊性，檢測(cè)難度較高且效果不佳。

針對(duì)埋地電桿的不可見(jiàn)性及其結(jié)構(gòu)的特殊性問(wèn)題，基于瑞利波的傳播特性，提出了電線桿埋地深度及損傷檢測(cè)方法。本文首先分析了瑞利波在無(wú)線半空間彈性介質(zhì)中的傳播特性，其次結(jié)合環(huán)形鋼筋混凝土電桿的裂縫形態(tài)與瑞利波傳播特性，通過(guò)傳播時(shí)長(zhǎng)的突變節(jié)點(diǎn)確定電桿埋地深度以及裂縫的種類和深度，最后利用具體的檢測(cè)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3]。

1 瑞利波的傳播特性

瑞利波（后文以R波簡(jiǎn)稱）是一種干涉波，由剪切波和壓縮波在無(wú)限半空間彈性介質(zhì)中干涉產(chǎn)生。R波入射頻率決定了其穿透深度，低頻率R波穿透深度大，高頻率R波穿透深度小。在彈性體中，R波的穿透深度h約等于1個(gè)波長(zhǎng)，即h=λ。R波波速V=R波震動(dòng)頻率f×R波波長(zhǎng)λ，即V=fλ。彈性體彈性常數(shù)決定R波的波速V，對(duì)于工藝良好的混凝土電桿其波速V為定值，穿透深度的大小因入射頻率的改變而改變。相對(duì)裂縫深度P/λ在0～1/3是R波能量的主要聚集區(qū)。當(dāng)R波傳播過(guò)程中經(jīng)歷高于相對(duì)深度P/λ時(shí)，裂縫將反射絕大部分的R波能量[4]。

2 電桿裂縫形態(tài)與瑞利波傳播特性的結(jié)合

本文結(jié)合電桿裂縫形態(tài)與瑞利波傳播特性，以入射頻率為橫坐標(biāo)，拾振器檢測(cè)到折返信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)為縱坐標(biāo)，構(gòu)建4種傳播模型。分別為無(wú)裂縫模型、開(kāi)口面非斷續(xù)裂縫模型、桿內(nèi)隱藏裂縫模型以及開(kāi)口面斷續(xù)裂縫模型[5]。

2.1 無(wú)裂縫模型

高頻率R波傳播過(guò)程中，若未經(jīng)歷開(kāi)口裂縫，則R波將一直沿電桿縱向延伸，直至端面處折返回大量能量，原路返回后被拾振器監(jiān)測(cè)到信號(hào)。圖2為無(wú)裂縫模型的時(shí)間-頻率圖。

2.2 開(kāi)口面非斷續(xù)裂縫模型

高頻率R波在傳播過(guò)程中若經(jīng)歷開(kāi)口裂縫，那么將h視為無(wú)限大，h遠(yuǎn)大于λ，反射回R波中絕大部分的能量，拾振器提前檢測(cè)到折返信號(hào)。隨著R波入射頻率的不斷減小，當(dāng)R波穿透深度略大于裂縫長(zhǎng)度時(shí)，R波恰好能越過(guò)裂縫繼續(xù)沿電桿向地下端面?zhèn)鞑?，此時(shí)信號(hào)被拾振器檢測(cè)到的時(shí)長(zhǎng)突然變長(zhǎng)。圖3為開(kāi)口面非斷續(xù)裂縫模型的時(shí)間-頻率圖。

圖2 無(wú)裂縫模型的時(shí)間-頻率圖

圖3 開(kāi)口面非斷續(xù)裂縫模型的時(shí)間-頻率圖

2.3 桿內(nèi)隱藏裂縫模型

高頻率R波傳播過(guò)程中若未經(jīng)歷裂縫，那么隨著入射頻率的減小，拾振器檢測(cè)到信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)在明顯縮減后恢復(fù)到原傳播時(shí)長(zhǎng)。該種情況表明，高頻率R波穿透深度淺時(shí)未經(jīng)歷隱藏裂縫，在頻率降低后R波經(jīng)歷裂縫，檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)明顯縮減，最后在穿透深度完全越過(guò)裂縫后，R波在地下端面處折返被檢測(cè)到的信號(hào)，恢復(fù)原時(shí)長(zhǎng)。圖4為桿內(nèi)隱藏裂縫模型的時(shí)間-頻率圖。

圖4 桿內(nèi)隱藏裂縫模型的時(shí)間-頻率圖

2.4 開(kāi)口面斷續(xù)裂縫模型

在鋼筋與混凝土界面未緊密貼時(shí)容易發(fā)生鋼筋生銹現(xiàn)象，導(dǎo)致兩個(gè)貼合面之間有鐵銹牽連，使R波傳播路徑中形成斷續(xù)裂縫。R波可沿?cái)嗬m(xù)貼合面?zhèn)鞑ィ珎鞑ヂ窂阶冮L(zhǎng)，因此拾振器檢測(cè)到信號(hào)的耗時(shí)變長(zhǎng)。圖5為開(kāi)口面斷續(xù)裂縫模型的時(shí)間-頻率圖。

圖5 開(kāi)口面斷續(xù)裂縫模型的時(shí)間-頻率圖

3 具體檢測(cè)方案

通過(guò)將結(jié)合R波傳播特性和環(huán)形鋼筋混凝土電桿形態(tài)，分析4種情況的坐標(biāo)圖，將突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率規(guī)定為特征頻率。根據(jù)特征頻率即可求得裂縫位置、裂縫深度以及電桿埋地深度[6]。通過(guò)如下5個(gè)步驟闡述具體的檢測(cè)方案。

3.1 判斷并標(biāo)記鋼筋位置

按照工藝標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形鋼筋混凝土電線桿中的鋼筋在圓周內(nèi)等弧度分布，根據(jù)含鋼筋數(shù)量的不同電桿通常分為包絡(luò)8根鋼筋和包絡(luò)6根鋼筋兩種。裂縫主要存在于混凝土與鋼筋的結(jié)合面附近。用記號(hào)筆在離地面約D=30 cm處的電桿表面勾畫(huà)一個(gè)環(huán)形等高線，此做法是為了保證R波在每次檢測(cè)時(shí)的傳播距離相等。隨后用磁鐵判斷鋼筋所在位置并在等高線上作出標(biāo)記。

3.2 布置拾振器位置

將激振器和拾振器安裝于等高線兩側(cè),激振器在上，拾振器在下，而且激振器下端和拾振器上端在距等高線1 cm處。為了保證傳播方向和距離的特殊性，方便計(jì)算電桿埋地深度及裂縫所處位置。激振器和拾振器間連線須與電桿側(cè)面母線平行[7]。儀器采用混凝土多功能無(wú)損檢測(cè)儀SCE-MATS，結(jié)合激振器和拾振器于一體。

3.3 信號(hào)的激振與拾振

激振器發(fā)出的信號(hào)頻率從高頻率100 kHz開(kāi)始，每10 ms減少100 Hz，直至截止頻率7 kHz。拾振器開(kāi)始檢測(cè)信號(hào)發(fā)生在激振器發(fā)出信號(hào)tΔ=0.5 ms后。每一個(gè)頻率檢測(cè)后，拾振器將該頻率f下拾振器檢測(cè)到折返信號(hào)所耗的時(shí)長(zhǎng)t和頻率f傳送給處理裝置，并在傳送完后清除現(xiàn)有數(shù)據(jù)[8]。處理裝置采用電腦。

3.4 檢測(cè)完所有標(biāo)記處

每測(cè)試完一個(gè)等高線上的標(biāo)記處，就在處理裝置中建立時(shí)長(zhǎng)—頻率的折線圖。之后按順序依次檢測(cè)剩余標(biāo)記處，直至檢測(cè)完所有的標(biāo)記處。

3.5 尋找特征頻率并判斷埋深與損傷情況

將處理裝置接收到的所有折線圖導(dǎo)入一個(gè)折線圖中，與4種裂縫模型圖進(jìn)行比對(duì)并尋找特征頻率f0，通過(guò)公式計(jì)算并判斷電桿埋深長(zhǎng)度與電桿地下?lián)p傷情況。其中，裂縫深度h=波速V/（2×特征頻率f0），埋深L=波速V×（t+tΔ）/2-等高線距地距離D。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

選擇GB/T4623—2006中桿長(zhǎng)L=10 m的電桿為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，埋地深度為h=L×1/10+0.6。在進(jìn)行具體檢測(cè)前，先測(cè)得瑞利波在該桿中傳播的平均波速為1 168 m/s，隨后根據(jù)具體檢測(cè)方案中的5個(gè)步驟進(jìn)行電桿埋深及損傷檢測(cè)。由檢測(cè)結(jié)果判斷電桿埋地段是否存在裂縫，并確定裂縫的性質(zhì)、深度以及位置[9]。

混凝土多功能無(wú)損檢測(cè)儀SCE-MATS對(duì)電桿埋地段損傷情況的檢測(cè)情況如圖6和圖7所示。曲線C1表示1號(hào)鋼筋長(zhǎng)度段內(nèi)混凝土的時(shí)頻特性曲線。激振器發(fā)出信號(hào)的頻率從高頻向低頻遞減的過(guò)程中，拾振器檢驗(yàn)到信號(hào)的時(shí)間大致相同。曲線C1較平滑，表明1號(hào)鋼筋長(zhǎng)度段內(nèi)混凝土未出現(xiàn)裂縫，混凝土與鋼筋貼合緊密，由時(shí)間t1平均值2.691 ms計(jì)算出電桿埋地長(zhǎng)度為1.56 m，相對(duì)誤差為2.50%。曲線C2表示2號(hào)鋼筋長(zhǎng)度段內(nèi)混凝土的時(shí)頻特性曲線。在激振器發(fā)出信號(hào)的頻率從高頻向低頻遞減的過(guò)程中，頻率ff在25～100 kHz曲線C2較平緩，時(shí)間t20平均值為1.212 ms，在特征頻率f0=24.33 kHz處曲線發(fā)生突變，時(shí)間延長(zhǎng)為2.71 ms，表明2號(hào)鋼筋長(zhǎng)度段內(nèi)出現(xiàn)開(kāi)口裂縫。經(jīng)計(jì)算知，在距離等高線1.09 m處出現(xiàn)2.37 cm的開(kāi)口裂縫，經(jīng)打孔取樣得在距等高線0.98 m處出現(xiàn)2.24 cm的開(kāi)口裂縫，相對(duì)誤差分別為10.09%和5.80%。

圖6 無(wú)裂縫頻率—時(shí)間特性曲線1

圖7 無(wú)裂縫頻率—時(shí)間特性曲線2

5 結(jié) 論

為保障鄉(xiāng)村電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，降低經(jīng)濟(jì)損失和避免人員傷亡，須定期檢測(cè)桿體埋地部分。本文提出了基于瑞利波的電線桿埋地深度及損傷檢測(cè)方法，提升了檢測(cè)效率，提高了檢驗(yàn)精度。通過(guò)具體器械進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和模型比對(duì)，結(jié)果表明，結(jié)合瑞利波的傳播特性與環(huán)形鋼筋混凝土電桿特殊形態(tài)，構(gòu)建無(wú)裂縫、開(kāi)口面非斷續(xù)裂縫、桿內(nèi)隱藏裂縫以及開(kāi)口面斷續(xù)裂縫4種模型，在判斷電桿埋地段是否存在裂縫以及裂縫的性質(zhì)、深度以及位置等問(wèn)題上具有可行性，且測(cè)量精度較高。此外，該方法操作便捷，可提高電力工人的巡檢效率。