聲波CT無損檢測(cè)技術(shù)在混凝土質(zhì)檢中的應(yīng)用

　　摘要：混凝土聲波CT無損檢測(cè)技術(shù)，利用聲波穿透被檢測(cè)體并獲取聲波接收時(shí)間，利用計(jì)算機(jī)反演成像，呈現(xiàn)被檢測(cè)體各微小單元的聲波速度分布圖像，進(jìn)而判斷檢測(cè)體的質(zhì)量；具有精度高，異常點(diǎn)位置定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是當(dāng)今先進(jìn)的混凝土檢測(cè)技術(shù)。
　　關(guān)鍵詞：聲波CT；混凝土無損檢測(cè)；計(jì)算機(jī)反演成像；三峽工程

1 聲波CT無損檢測(cè)的基本原理

　　根據(jù)彈性波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，彈性波層析成像方法可以分為兩大類：一是以運(yùn)動(dòng)特征為基礎(chǔ)的射線層析成像；二是以動(dòng)力學(xué)特征為基礎(chǔ)的波動(dòng)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(jù)聲波的射線幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，將聲波從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的旅行時(shí)間表達(dá)成探測(cè)區(qū)域介質(zhì)速度參數(shù)的線積分，然后通過沿線積分路徑進(jìn)行反投影來重建介質(zhì)速度參數(shù)的分布圖像。

　　混凝土聲波CT無損檢測(cè)，就是根據(jù)聲波射線的幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，利用最先進(jìn)的聲波發(fā)射、接收系統(tǒng)，在被檢測(cè)塊體的一端發(fā)射，在另一端接收，用聲波掃描被檢測(cè)體，然后利用計(jì)算機(jī)反演成像技術(shù)，呈現(xiàn)被檢測(cè)體各微小單元范圍內(nèi)的混凝土聲波速度，進(jìn)而對(duì)被檢測(cè)體作出質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)

　　用于現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)系統(tǒng)為一發(fā)多收聲系，即在一側(cè)單點(diǎn)發(fā)射，另一側(cè)作扇形排列接收，然后逐點(diǎn)同步沿剖面線移動(dòng)進(jìn)行掃描觀測(cè)。

　　工作布置遵循以下原則，發(fā)射或接收必須分別在同一高程上，以便形成掃描剖面；各發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)必須精確測(cè)量坐標(biāo)；發(fā)射和接收點(diǎn)距均應(yīng)在0.4m以下，發(fā)射與接收點(diǎn)之間的距離應(yīng)大于8m，以提高射線密度。

　　根據(jù)以上原則和泄流深孔挑流鼻坎形態(tài)，我們?cè)赬=20105m直立面，高程分別為78m、75m、72m的水平線上布置聲波發(fā)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(gè)聲波掃描剖面進(jìn)行工作（圖1）。全部聲波CT資料現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)記錄并存盤保存。

　　現(xiàn)場(chǎng)聲波CT檢測(cè)設(shè)備采用先進(jìn)的超磁質(zhì)大功率聲波發(fā)射震源和DB4聲波采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)射功率可達(dá)1000 W；發(fā)射系統(tǒng)主頻為8K，接收系統(tǒng)頻率為1K、10K，采樣率8位20MHz，采樣間距10μs，被測(cè)時(shí)間誤差小于1個(gè)采樣間距時(shí)間n×10^-4μs，重復(fù)性好。

　　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)嚴(yán)格按《水利水電物探規(guī)程》DL-5010-92標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)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(guī)則對(duì)應(yīng)形態(tài)，造成聲波發(fā)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(fā)射的主能量區(qū)，造成聲波接收能量偏弱，為此應(yīng)改變接收換能器的方向使接收換能器的方向?qū)?yīng)發(fā)射換能器發(fā)射的聲波主能量區(qū)。

3 資料處理方法

3.1 資料預(yù)處理

　　利用DB4聲波采集系統(tǒng)隨機(jī)配置軟件，將野外采集的聲波全波形信號(hào)重新顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，由人工拾取聲波初至?xí)r。為確保CT成像的質(zhì)量，只有那些起跳干脆，首波清晰可讀的數(shù)據(jù)才被錄用。

　　鑒于本工區(qū)聲波穿透的接、發(fā)距為0.4m，為了保證一定的可辨率，采用0.5m×0.5m的網(wǎng)絡(luò)。

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最終目標(biāo)。

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(shù)據(jù)→CT處理產(chǎn)生VP數(shù)據(jù)→AutoCAD、MAPCAD進(jìn)行圖形處理、編輯、拼接→彩色激光打印

4 應(yīng)用實(shí)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(cè)成果圖，即20-1、20-2、20-3剖面CT層析成像成果圖。3個(gè)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（為最上層的穿透剖面）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(duì)低速區(qū)，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(qū)別的是，相對(duì)低速部分要少一些，其分布沒有連續(xù)性。20-3剖面（為最下層穿透剖面）：

　　整體低速異常區(qū)域形態(tài)與20-1、20-2剖面相似，但相對(duì)低速區(qū)更少（右上角的低速區(qū)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(gè)剖面相距較近，聲波相對(duì)低速區(qū)分布位置上下對(duì)應(yīng)較好，可反映該檢測(cè)區(qū)域混凝土欠密實(shí)及其分布特點(diǎn)：最上層的剖面聲波相對(duì)低速區(qū)較大、較多，聲波速度較低；中間層剖面聲波低速區(qū)較小、較少，聲波速度相對(duì)較高；最下層剖面聲波相對(duì)低速區(qū)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(shí)情況較好，中部次之，上部（表層）較差。

　　根據(jù)三峽工程多年混凝土檢測(cè)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(duì)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(cè)體剖面存在混凝土密實(shí)性問題的大小程度及位置；②各剖面混凝土密實(shí)性問題的關(guān)系，進(jìn)而可以對(duì)被檢測(cè)體作出質(zhì)量評(píng)價(jià)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 肖柏勛.鉆孔地球物理參數(shù)的數(shù)據(jù)處理與分析研究[R].1989.
　　[2] 劉方文,熊永紅等.三峽工程強(qiáng)度成長期混凝土質(zhì)量缺陷物探快速無損檢測(cè)試驗(yàn)研究報(bào)告[R].2001.
　　[3] 楊文采.地球物理反演和地震層析成像[M].地質(zhì)出版社,1989.
　　[4] 楊文采,李幼銘,劉家琦.應(yīng)用地震層析成像[M].地質(zhì)出版社,1993.
　　[5] 劉方文,劉潤澤.烏江構(gòu)皮灘水利樞紐初步設(shè)計(jì)階段壩區(qū)綜合物探報(bào)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(cè)成果報(bào)告[R].2002.