聲波CT無損檢測技術在混凝土質檢中的應用

1 聲波CT無損檢測的基本原理

　　根據彈性波的運動學和動力學特征，彈性波層析成像方法可以分為兩大類：一是以運動特征為基礎的射線層析成像；二是以動力學特征為基礎的波動方程層析成像。

　　作為反演聲波穿透的射線層析成象，其基本思想是根據聲波的射線幾何運動學原理，將聲波從發射點到接收點的旅行時間表達成探測區域介質速度參數的線積分，然后通過沿線積分路徑進行反投影來重建介質速度參數的分布圖像。

　　混凝土聲波CT無損檢測，就是根據聲波射線的幾何運動學原理，利用ZUI先進的聲波發射、接收系統，在被檢測塊體的一端發射，在另一端接收，用聲波掃描被檢測體，然后利用計算機反演成像技術，呈現被檢測體各微小單元范圍內的混凝土聲波速度，進而對被檢測體作出質量評價。

2 現場檢測技術

　　用于現場的觀測系統為一發多收聲系，即在一側單點發射，另一側作扇形排列接收，然后逐點同步沿剖面線移動進行掃描觀測。

　　工作布置遵循以下原則，發射或接收必須分別在同一高程上，以便形成掃描剖面；各發射點和接收點必須精確測量坐標；發射和接收點距均應在0.4m以下，發射與接收點之間的距離應大于8m，以提高射線密度。

　　根據以上原則和泄流深孔挑流鼻坎形態，我們在X=20105m直立面，高程分別為78m、75m、72m的水平線上布置聲波發射排列，在X=20095m、20092m、20092m水平直線上分別布置聲波接收排列，形成3個聲波掃描剖面進行工作（圖1）。全部聲波CT資料現場計算機記錄并存盤保存。

　　現場聲波CT檢測設備采用先進的超磁質大功率聲波發射震源和DB4聲波采集系統。該系統發射功率可達1000 W；發射系統主頻為8K，接收系統頻率為1K、10K，采樣率8位20MHz，采樣間距10μs，被測時間誤差小于1個采樣間距時間n×10^-4μs，重復性好。

　　現場檢測嚴格按《水利水電物探規程》DL-5010-92標準執行。

圖1 聲波穿透剖面布置圖

　　由于挑流鼻坎底部曲面與X=20105m直立面呈不規則對應形態，造成聲波發射與接收角度偏差較大，使接收換能器接收方向偏離聲波發射的主能量區，造成聲波接收能量偏弱，為此應改變接收換能器的方向使接收換能器的方向對應發射換能器發射的聲波主能量區。

3 資料處理方法

3.1 資料預處理

　　利用DB4聲波采集系統隨機配置軟件，將野外采集的聲波全波形信號重新顯示在計算機屏幕上，由人工拾取聲波初至時。為確保CT成像的質量，只有那些起跳干脆，首波清晰可讀的數據才被錄用。

　　鑒于本工區聲波穿透的接、發距為0.4m，為了保證一定的可辨率，采用0.5m×0.5m的網絡。

3.2 資料處理方法

　　層析算法：采用ART、SIRT直線算法處理資料，壓制影響CT成像的不利因素，以得到較好的圖像為ZUI終目標。

3.3 圖件的生成

　　利用AutoCAD、MAPCAD等軟件，生成CT層析成像。

　　聲波處理流程：拾取初至縱波→編輯CT成像數據→CT處理產生VP數據→AutoCAD、MAPCAD進行圖形處理、編輯、拼接→彩色激光打印

4 應用實例

　　圖2 為三峽工程泄洪壩段泄20＃深孔挑流鼻坎聲波CT無損檢測成果圖，即20-1、20-2、20-3剖面CT層析成像成果圖。3個剖面均為同一混凝土建筑物塊體不同高程（72.0、75.0、78.0）上的CT穿透剖面。

圖2 長江三峽泄洪壩段泄20#深孔挑流鼻坎聲波CT成果圖

　　從20-1剖面（為ZUI上層的穿透剖面）可見，整體波速值較高，大于4300m/s的占90.75％，低于4000m/s僅占0.29％。波速分布：左下角與右上角之間為相對低速區，VP為4300m/s左右，呈條帶狀分布，其它部位VP大于4 500m/s。

　　20-2剖面（為中間層的穿透剖面）：

　　波速值及其分布特征大體與20-1剖面相似，有所區別的是，相對低速部分要少一些，其分布沒有連續性。20-3剖面（為ZUI下層穿透剖面）：

　　整體低速異常區域形態與20-1、20-2剖面相似，但相對低速區更少（右上角的低速區可能是混凝土接縫所引起），且呈零星分布。

　　從整體情況看：上述3個剖面相距較近，聲波相對低速區分布位置上下對應較好，可反映該檢測區域混凝土欠密實及其分布特點：ZUI上層的剖面聲波相對低速區較大、較多，聲波速度較低；中間層剖面聲波低速區較小、較少，聲波速度相對較高；ZUI下層剖面聲波相對低速區更小、更少，聲波速度較上剖面高，它們說明：建筑物底部混凝土密實情況較好，中部次之，上部（表層）較差。

　　根據三峽工程多年混凝土檢測資料表明，完好的混凝土聲波速度VP值大于4300m/s，一般多為4500m/s，而存在局部輕微缺陷的混凝土聲波速度VP值為4000～4300m/s（相對低速）；若存在有較大的缺陷則VP值更低。

　　因此，我們可以直接從圖上清楚地看出：①被檢測體剖面存在混凝土密實性問題的大小程度及位置；②各剖面混凝土密實性問題的關系，進而可以對被檢測體作出質量評價。

　　參考文獻：

　　[1] 肖柏勛.鉆孔地球物理參數的數據處理與分析研究[R].1989.?
　　[2] 劉方文,熊永紅等.三峽工程強度成長期混凝土質量缺陷物探快速無損檢測試驗研究報告[R].2001.
　　[3] 楊文采.地球物理反演和地震層析成像[M].地質出版社,1989.
　　[4] 楊文采,李幼銘,劉家琦.應用地震層析成像[M].地質出版社,1993.
　　[5] 劉方文,劉潤澤.烏江構皮灘水利樞紐初步設計階段壩區綜合物探報告[R].1995.
　　[6] 李張明,文志祥.長江三峽工程泄洪壩段泄18#-23#深孔挑流鼻坎聲波CT檢測成果報告[R].2002.