陣列式超聲波技術(shù)在水工結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用研究

金澤 竇寶松 陳新

（1.北京市城市河湖管理處，北京 100089；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048）

一、引言

為及時掌握水利工程的運行狀態(tài)，保證工程的正常安全運行，需要定期進行人工巡視檢查，但人工巡視檢查主要依靠目測或簡單工具進行外表檢查，對工程內(nèi)部隱患難以發(fā)現(xiàn)，為此在不影響結(jié)構(gòu)安全運行的前提下要進行現(xiàn)場無損檢測，以探明水利工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況，為工程安全評估與處理提供科學(xué)依據(jù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的前進，無損檢測技術(shù)得到快速的發(fā)展，可以通過采用射線、超聲、紅外、電磁等原理技術(shù)并結(jié)合儀器對混凝土結(jié)構(gòu)或土層內(nèi)部進行缺陷檢測，在今后的水利工程檢測中會有更廣泛的應(yīng)用場景。本次，對一種新型超聲波檢測技術(shù)進行應(yīng)用研究，為今后無損檢測技術(shù)在水利工程中的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗。

二、陣列式超聲波檢測系統(tǒng)簡介

（一）原理

陣列式超聲波檢測技術(shù)是基于傳統(tǒng)的超聲波檢測原理，利用超聲波在不同的介質(zhì)中傳播時將發(fā)生反射、繞射及聲能的反常衰減，檢測得到這些聲學(xué)參數(shù)的變化，根據(jù)這些聲學(xué)參數(shù)的大小和變化情況來判斷缺陷是否存在或估計其大致尺寸。

（二）陣列式超聲波檢測技術(shù)的技術(shù)特點

陣列式超聲波檢測技術(shù)相較于傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)有以下創(chuàng)新：

1.陣列式系統(tǒng)

由傳統(tǒng)超聲波“單發(fā)單收”的檢測模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸喟l(fā)多收”的檢測模式，主要通過陣列式控制系統(tǒng)實現(xiàn)多模塊協(xié)同發(fā)射超聲橫波信號，多模塊協(xié)同接收到信號并進行處理，使檢測的缺陷特征更加準(zhǔn)確。陣列式系統(tǒng)工作方法見圖2-1

圖2-1 陣列式系統(tǒng)工作示意圖

2.合成孔徑聚焦超聲成像（SAFT）

傳感器以一定步長沿線性孔徑軌跡移動，在軌跡上的孔徑位置向成像區(qū)域發(fā)射脈沖信號，并接收和儲存檢測信號，然后下一孔徑位置進行相同的發(fā)射、接收和儲存，直到掃描完成；接著按照重建點對相應(yīng)孔徑檢測號的回波做延時調(diào)整、信號疊加和平均等處理，實現(xiàn)逐點聚焦，最終重建整個成像區(qū)域的信號反射圖。物體內(nèi)部的每個點經(jīng)過數(shù)字聚焦處理（DFA），產(chǎn)生若干波形數(shù)據(jù)用于超聲成像，如圖2-2。

圖2-2 DFA 數(shù)據(jù)重建示意圖

3.橫波探測

傳統(tǒng)超聲波檢測采用超聲縱波，是質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向平行的波。陣列式超聲波檢測技術(shù)采用超聲橫波，是質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直的波，即平行于被測物體表面。橫波與縱波示意見圖2-3。

圖2-3 橫波與縱波傳播示意圖

相較于超聲縱波探測，超聲橫波探測的優(yōu)勢主要在于：

①在混凝土中橫波的散射比縱波弱，接收信號更強；

②分辨力與超聲波波長有關(guān)，波長越短，分辨力越高。橫波波長約等于60%縱波波長（波速C=波長×頻率），分辨率更高；

③橫波只能在固體中傳播，當(dāng)遇到空氣層或空洞、裂縫時幾乎全反射，探測空洞，裂縫效果更明顯。

4.干點式接觸傳感器（DPC）

傳統(tǒng)的傳感器需要使用耦合劑才能與被測物體表面緊密接觸，干耦合不使用耦合劑，通過彈簧彈力實現(xiàn)耦合。彈簧加載的天線陣單元可以在粗糙度曲率8mm 的表面上工作，在粗糙和不平整的表面也有穩(wěn)定的超聲接觸，使用更加簡便快捷。干點式接觸傳感器如圖2-4 所示。

圖2-4 干點式接觸傳感器（DPC）

三、模型及實體工程試驗

（一）模型試驗

某混凝土模型尺寸為2.5m×0.8m×0.7m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部澆筑時摻入大量磚塊。在模型側(cè)邊進行陣列式超聲橫波檢測，如圖3-1。結(jié)果成像圖如圖3-2，圖3-3，紅色回波區(qū)較不規(guī)律且連接成片，由此可以明確判斷出，該模型內(nèi)部存在大量鋼筋、異物或缺陷，與實際模型內(nèi)部情況一致。

圖3-1 混凝土模型檢測圖

圖3-2 檢測成像圖

圖3-3 檢測成像3D 圖

由于該模型內(nèi)部鋼筋及異物較多，造成紅色回波區(qū)連接成片，通過圖像可判斷形狀不規(guī)律的紅色回波區(qū)存在鋼筋、異物或缺陷；較為規(guī)律的圓形紅色回波區(qū)為鋼筋。大面積不規(guī)律的紅色回波區(qū)無法明顯區(qū)分鋼筋和異物，同時由于該模型內(nèi)部異物較多，使得超聲橫波衰減較多，0.8m 處的空氣底波較不明顯。但實體工程中此種極端情況較為少見，通常鋼筋的回波圖形也較為規(guī)律。由此可見，陣列式超聲波檢測可以探明混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)部是否存在鋼筋、異物或缺陷，效果較為明顯。

（二）實體PCCP 管道檢測試驗

在南水北調(diào)中線工程中，大量使用PCCP 管道用于輸水。保障PCCP 管道安全運行是當(dāng)前重點工作，由于輸水管道的特殊性，普通檢測方法不易發(fā)現(xiàn)PCCP 管道內(nèi)部缺陷及外部土層脫空，需要應(yīng)用無損檢測技術(shù)進行缺陷探測。探地雷達發(fā)射電磁波，由于技術(shù)原理的制約無法穿透PCCP 管道內(nèi)部鋼筒，無法應(yīng)用于PCCP 管道缺陷檢測。故使用陣列式超聲波檢測技術(shù)對地表上實體PCCP 管道備件進行檢測試驗，如圖3-4。

圖3-4 PCCP 檢測

已知中線工程中應(yīng)用的PCCP 管每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)管道長5m、內(nèi)徑4m、外徑約4.8m，管壁厚0.4m，內(nèi)徑0.1m 處是鋼筒。檢測結(jié)果如圖3-5，圖3-6。由圖像結(jié)合PCCP 管實際情況，可以明顯看0.1m處的綠色區(qū)域為PCCP內(nèi)部鋼筒，PCCP管厚0.4m，圖像中0.4m處的紅色區(qū)域為PCCP 管外部空氣。由此可以驗證陣列式超聲橫波檢測技術(shù)可以穿透PCCP 內(nèi)部鋼筒探測PCCP 管內(nèi)部及外部是否存在缺陷。在南水北調(diào)PCCP 實際工程中，可以應(yīng)用陣列式超聲波技術(shù)檢測測PCCP 管內(nèi)部缺陷及外部土層縫隙、脫空等情況。

圖3-5 檢測成像圖

圖3-6 檢測成像3D 圖

四、結(jié)論及展望

（一）結(jié)論

陣列式超聲波檢測技術(shù)可以應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測，可以明顯探測出混凝土內(nèi)部鋼筋、異物及缺陷的存在，效果較好。

陣列式超聲波檢測技術(shù)可以應(yīng)用于PCCP 管道內(nèi)部缺陷及外部土層空洞、脫空等缺陷檢測。

在面對鋼筋、缺陷及異物較為集中的混凝土結(jié)構(gòu)檢測中，陣列式超聲波檢測技術(shù)可以探明有結(jié)構(gòu)物中無鋼筋、缺陷或異物的存在，但并不能區(qū)分缺陷和異物，需要結(jié)合工程實際進一步探明。

（二）展望

陣列式超聲波檢測技術(shù)運用較為簡便，成像不用復(fù)雜的軟件操作，可以直接形成3D 效果圖，便于缺陷分析，是當(dāng)前較為前沿的無損檢測技術(shù)。隨著水利工程運行標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，此項技術(shù)會有更加廣泛的應(yīng)用前景。