超声横波反射三维成像技术及在水工混凝土缺陷诊断中的应用
时间：2023-06-01 21:50:10 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
栗宝鹃，张 涛，张美多，刘康和，李嘉欣
(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222;2.黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西 太原 030002)
超声横波反射三维成像技术在水工混凝土内部及层间缺陷探测、混凝土面板脱空、隧洞衬砌质量检测、混凝土内部钢筋检测等混凝土检测中均有广泛的应用。根据水电工程物探规范(NB/T 10227-2019)中的相关规定，超声横波反射三维成像法适用于检测隧洞衬砌质量、检测大坝面板质量、检测混凝土内部缺陷及钢筋分布[1]。
在超声横波反射三维成像法应用的过程中，朱燕梅等以MIRA超声横波三维成像仪为例，将该技术应用于水工混凝土缺陷探测，探测目标以预制孔和钢筋为主，并研究波速和频率对探测精度的影响[2]；
杜惠光等在介绍阵列式换能器超声横波反射成像技术的基础上，首次将该技术应用于混凝土层间缺陷检测之中[3]；
谢琪等将超声横波反射三维成像法与地质雷达法共同用于大坝混凝土面板脱空检测，可通过图像直观显示出钢筋层分布和混凝土面板内部脱空状况[4]；
徐涛等将超声横波反射成像和探地雷达综合物探检测方法相结合应用于隧洞衬砌质量检测，并将两种方法进行对比分析[5]；
董明华等将超声横波技术与探地雷达相结合，应用于密集型钢筋混凝土结构检测中，从而提高了密集型钢筋混凝土结构检测信号的分辨率和判识准确率[6]；
栗宝鹃等将超声横波反射三维成像法与探地雷达法、表面声波法用于水工混凝土构件裂缝检测，并采用钻孔电视对探测结果进行验证，经实践证实，具有良好的检测效果[7]。
综上所述，近年来超声横波反射三维成像法的应用主要有以下特点：①探测目标由已知的预制孔和钢筋到未知的混凝土脱空、衬砌质量、层间及内部缺陷，逐渐精准和细化；
②探测方法由单一到综合，即逐渐实现超声横波反射三维成像法、探地雷达法等多物探方法的综合运用；
③在探测过程中，逐渐考虑到地球物理参数对探测结果的影响和作用。本文在对超声横波反射三维成像原理及特点进行分析的基础上，对裂缝、脱空等水工混凝土缺陷进行精细化诊断。
超声波是频率大于20 kHz、以波动形式在弹性介质中传播的机械波。超声波法主要是使用超声波探头测量超声波脉冲在混凝土中的传播速度、首波幅度和接收信号的主频率等声学参数，并根据这些参数及其相对变化来判断混凝土裂缝的深度情况。超声波法的探测方式有三种，分别为单面平测法、双面斜测法和钻孔对测法。其中，单面平测法适用于混凝土构件只有一个可测表面，且裂缝预估深度不大于被测构件厚度一半的情况[7-14]。
2.1 基本原理
超声横波反射三维成像法属于弹性波测试的一种。在混凝土质量检测的过程中，通常采用一个换能器将超声横波脉冲发射到衬砌结构中，再利用另一个换能器接收反射脉冲，通过测量从发射脉冲到接收脉冲之间的时间间隔，依据波速求出反射界面的深度。如果超声波在混凝土中传播时遇到了波阻抗有差异的物体，如钢筋、水体、空洞或欠密实区域等，一部分脉冲信号在缺陷位置提前反射回接收换能器，另一部分脉冲信号会继续传播，在到达混凝土构件底部之后再返回接收换能器(图1)。
图1 混凝土缺陷射线路径传播示意图[7]Fig.1 Ray path propagation diagram of concrete defects[7]
在测量过程中，超声横波反射三维成像X轴对应于裂缝平行方向，Y轴对应于裂缝垂直方向，零点位于天线阵中央，仪器设备网格布设X轴方向逐点移动；
Z轴对应被测对象深度方向且垂直于平面，零点位于被测对象的表面，根据换能器接收到反射脉冲的到达时间，生成三维超声图像。分别从三个不同方向对图像进行切片处理，其中，B-Scan垂直X轴方向，C-Scan垂直Z轴方向，D-Scan垂直Y轴方向(图2)。通过不同方向的三维超声图像切片来推断构件内部缺陷的位置，并对水工混凝土缺陷进行精细化诊断。
图2 三维超声图像结构Fig.2 Structure diagram of 3D ultrasound image
2.2 技术特点
2.2.1 横波探测
波是振动在介质中的传播，纵波和横波是波的两种类型。超声横波反射成像法本质上与传统的超声纵波相似，即利用超声波在混凝土传播过程中遇到波阻抗有差异的物体界面时产生反射波，其特点主要是与传统意义上的超声纵波相比，超声横波检测反射系数和反射波幅更大，对混凝土内脱空、裂缝等缺陷反应更敏感。
超声横波反射的特点有三个：一是横波在传播过程中要产生剪切形变，由于液体和气体中无剪切弹性，因此，横波只能在固体中传播，当超声横波在传播过程中遇到固体—液体界面或者固体—气体界面等波阻界面时，不能发生透射，而是在该界面处发生全反射，因此，横波对裂缝、空洞等缺陷的反映更为明显；
二是在频率相等的前提下，横波波速要小于纵波，故横波波长也较纵波短，因此，超声横波探测分辨率比纵波高；
三是在传播过程中，波的强度随传播距离增大会产生衰减现象，以混凝土探测为例，介质不均匀性在增加噪声的同时会产生散射现象，内部缺陷的存在会导致信号产生衰减，横波代替纵波会减少反向散射和信号衰减现象。
2.2.2 阵列式耦合
传统探测换能器为“一发一收”，超声横波反射的换能器则可实现“多发多收”，该设备采用的是干耦合式单晶DPC换能器，其阵列组合方式由4×12道DPC传感器组成[5](图3)。在检测过程中，换能器控制单元将第一列换能器用作发射，其余列的换能器用作接收，直到重复进行前11列都作过发射器为止，可形成21×(2n-3)条有效孔径扫查线，这样，不仅使有效探测范围增大，一次探测还能收到多点反射信号，由此更加准确地反映地下缺陷的类型及特点。
图3 4×12 点阵列换能器超声横波反射波束路径示意图Fig.3 Schematic diagram of the 4×12 point array ultrasonic shear wave reflected beam path
2.2.3 相控阵成像技术
超声相控阵成像技术的基本思想来自雷达电磁波相控阵技术。相控阵雷达是由许多辐射单元排成阵列组成，通过控制阵列天线中各单元的幅度和相位，调整电磁波的辐射方向，可在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束[15-17]。
超声相控阵换能器是由多个独立的压电晶片(换能器)组成阵列，因此，可实现声束控制和进行声压分布，如需对混凝土内某一区域进行成像，首先要进行声束扫描。在声束扫描过程中，具有“转向”和“聚焦”(图4)两个特点：对横波而言，因延时参数不同，表现出波束是“倾斜”的，通过控制阵列换能器中各个阵元脉冲的时间延迟来实现波束“转向”；
所谓“聚焦”是通过改变单个阵元发射(或接收)声波到达(或来自)混凝土内某点的相位关系，使各震动声源到达焦点的声束具有相同的相位，即按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向。
图4 相控阵技术Fig.4 Phased array technology
2.2.4 合成孔径聚焦算法
合成孔径聚焦技术(SAFT，Synthetic Aperture Focusing Technique)是通过合成孔径聚焦算法来实现的。采用合成孔径聚焦算法主要是因为天线阵列的探测方式。以图5为例，假设天线阵列的第1个传感器与混凝土缺陷的距离为d1,单位为m;第1个传感器与天线阵列中心水平距离为l1,单位为m;缺陷与天线阵列中心的垂直距离为h,单位为m。则三者关系如下：
图5 天线阵列探测原理示意图Fig.5 Schematic diagram of antenna array detection principle
(1)
假设超声横波在混凝土中的传播速度为V,单位为m/s,则超声横波信号的传播时间和传播距离之间的关系为：
(2)
合成孔径聚焦算法(图6)通过对同一位置不同传感器采集的信号分别加以时延，并进行叠加处理来凸显异常反射[18-20]，由此得到高信噪比、高分辨率的图像。与传统单发单收超声反射法的区别在于，在波束发散角度较大的情况下，采用合成孔径聚焦算法可解决超声波传播方向差、易受干扰等问题，由此得到较高的空间分辨率。
图6 合成孔径聚焦算法示意图[2]Fig.6 Schematic diagram of the synthetic aperture focusing algorithm
综上所述，超声横波反射三维成像法的优点与其特性密切相关：第一，避免了超声纵波在混凝土中的散射问题，提高了探测精度；
第二，干耦合技术提高了工作效率，阵列式换能器提高了数据的采集量；
第三，合成孔径技术不仅提高了数据精度，还提高了图像质量。因此，该技术可实现对地下目标高精度、高信噪比、高分辨率的采集与成像。
图7 混凝土地面裂缝Fig.7 Cracks in concrete ground
本文以某水电站发电机组地面和蜗壳内部混凝土结构内部检测为例，将超声横波反射三维成像法用于水工混凝土构件缺陷精细化诊断。发电机组经过多年的发电运行，地面出现裂缝，并存在冬季渗水的情况，裂缝渗水量较大的时期多发生在11月下旬至次年3月之间，有时渗水会呈现带压现象。针对上述情况，水电站管理局曾多次进行灌浆和导排处理，虽地面渗水处灌浆嘴密布、排水沟交错，但渗水问题仍未得到很好的解决。因此，本次研究分别在发电机组地面(图7a)和蜗壳内部(图7b)选取典型位置，并布设测网，进行混凝土构件内部缺陷精细化诊断。
在发电机组混凝土地面裂缝检测的过程中，采用美国产低频超声波断层扫描仪A1040 MIRA进行检测，仪器设备的采集模式为Mapping模式，采样频率为50 kHz，横波波速设置为2 750 m/s，网格间距0.1 m。测线布设原则为横跨裂缝布设，且长度涵盖裂缝、宽度为裂缝估测深度的2倍，因此，在确保探测深度的前提下，每条裂缝至少被覆盖一次，对长度较大的裂缝进行多次测区布设。
以覆盖3#裂缝的测区为例(图8)，测区大小0.7 m×0.7 m，成图区域1.1 m×0.7 m(三维超声成像成图区域范围在X轴方向两侧各延伸0.2 m)。由YZ剖面图像推测可知：3#裂缝深度约为50 cm，因该条裂缝层进行过灌浆处理，裂缝周边的三维超声图像强能量表现为“团块状”特征。在深度约30 cm的位置，XZ剖面表现为点状强能量反射，YZ剖面表现为不连续横条状反射，为混凝土内部钢筋层在三维超声图像上的直观反映。
图8 发电机组地面3#测区超声横波反射三维成像Fig.8 3D imaging of ultrasonic shear wave reflection in the 3# survey area on the ground of the generator set
在该发电机组对应蜗壳内部顶板部位进行超声横波反射三维成像法探测，仪器设备型号、参数设置与测线布设方式与蜗壳地面相同。该处测线布设在1#裂缝周边(图9)，X方向由坝左指向坝右，Y方向指向下游，测区大小0.7 m×0.5 m，成图区域1.1 m×0.5 m(三维超声成像成图区域范围在X轴方向两侧各延伸0.2 m)。由XZ剖面图像可知：在X=10 cm、Z=10～30 cm范围内推测存在蜂窝或不密实区域；
在X=60 cm、Z=2～5 cm范围内推测存在不密实或脱空区域；
在X=100 cm、Z=2～20 cm范围内推测存在裂缝或脱空区域。
图9 蜗壳内部1#测区超声横波反射三维成像Fig.9 3D imaging of ultrasonic shear wave reflection in 1# measurement area inside the volute
通过利用超声横波反射三维成像法对水工混凝土缺陷进行精细诊断，发现如下问题：三维超声图像切片图像存在杂乱反射和散射，且发电机组地面比蜗壳内部要严重。分析原因如下：第一，混凝土是有水泥、骨料、孔隙等组成的非均匀物质，超声反射信号在传播过程中容易受到干扰；
第二、混凝土内部钢筋结构表面产生的反射波与有效信号混叠在一起，对图像效果也有一定影响；
第三，发电机组地面裂缝进行过灌浆处理，是导致其图像效果比蜗壳内部杂乱的主要原因。
本文在对超声横波反射三维成像法进行原理介绍及特点分析的基础上，将该方法应用于裂缝、脱空等水工混凝土缺陷诊断，结果表明，在未进行灌浆处理的蜗壳内部效果较好，在灌浆处理之后的发电机组地面有待于提高。上述实例也说明该方法的在水工混凝土缺陷精细化诊断中的适用性。
在该方法应用的过程中，也存在不足之处，根据水电工程物探规程(NB/T 10227-2019)中测区的布设标准，测线长度应涵盖裂缝、宽度为裂缝估测深度的2倍，根据0.1 m×0.1 m测线网格的布设原则，1 m×1 m区域范围内要逐一探测121个测点，工作量大，不适用于大范围裂缝和大面积混凝土内部缺陷的精细化诊断工作。
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