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声波CT无损检测技术在混凝土质检中的应用


  摘要:混凝土声波CT无损检测技术,利用声波穿透被检测体并获取声波接收时间,利用计算机反演成像,呈现被检测体各微小单元的声波速度分布图像,进而判断检测体的质量;具有精度高,异常点位置定位准确的特点,是当今先进的混凝土检测技术。
  关键词:声波CT;混凝土无损检测;计算机反演成像;三峡工程

1 声波CT无损检测的基本原理

  根据弹性波的运动学和动力学特征,弹性波层析成像方法可以分为两大类:一是以运动特征为基础的射线层析成像;二是以动力学特征为基础的波动方程层析成像。

  作为反演声波穿透的射线层析成象,其基本思想是根据声波的射线几何运动学原理,将声波从发射点到接收点的旅行时间表达成探测区域介质速度参数的线积分,然后通过沿线积分路径进行反投影来重建介质速度参数的分布图像。

  混凝土声波CT无损检测,就是根据声波射线的几何运动学原理,利用最先进的声波发射、接收系统,在被检测块体的一端发射,在另一端接收,用声波扫描被检测体,然后利用计算机反演成像技术,呈现被检测体各微小单元范围内的混凝土声波速度,进而对被检测体作出质量评价。

2 现场检测技术

  用于现场的观测系统为一发多收声系,即在一侧单点发射,另一侧作扇形排列接收,然后逐点同步沿剖面线移动进行扫描观测。

  工作布置遵循以下原则,发射或接收必须分别在同一高程上,以便形成扫描剖面;各发射点和接收点必须精确测量坐标;发射和接收点距均应在0.4m以下,发射与接收点之间的距离应大于8m,以提高射线密度。

  根据以上原则和泄流深孔挑流鼻坎形态,我们在X=20105m直立面,高程分别为78m、75m、72m的水平线上布置声波发射排列,在X=20095m、20092m、20092m水平直线上分别布置声波接收排列,形成3个声波扫描剖面进行工作(图1)。全部声波CT资料现场计算机记录并存盘保存。

  现场声波CT检测设备采用先进的超磁质大功率声波发射震源和DB4声波采集系统。该系统发射功率可达1000 W;发射系统主频为8K,接收系统频率为1K、10K,采样率8位20MHz,采样间距10μs,被测时间误差小于1个采样间距时间n×10-4μs,重复性好。

  现场检测严格按《水利水电物探规程》DL-5010-92标准执行。

图1 声波穿透剖面布置图

  由于挑流鼻坎底部曲面与X=20105m直立面呈不规则对应形态,造成声波发射与接收角度偏差较大,使接收换能器接收方向偏离声波发射的主能量区,造成声波接收能量偏弱,为此应改变接收换能器的方向使接收换能器的方向对应发射换能器发射的声波主能量区。

3 资料处理方法

3.1 资料预处理

  利用DB4声波采集系统随机配置软件,将野外采集的声波全波形信号重新显示在计算机屏幕上,由人工拾取声波初至时。为确保CT成像的质量,只有那些起跳干脆,首波清晰可读的数据才被录用。

  鉴于本工区声波穿透的接、发距为0.4m,为了保证一定的可辨率,采用0.5m×0.5m的网络。

3.2 资料处理方法

  层析算法:采用ART、SIRT直线算法处理资料,压制影响CT成像的不利因素,以得到较好的图像为最终目标。

3.3 图件的生成

  利用AutoCAD、MAPCAD等软件,生成CT层析成像。

  声波处理流程:拾取初至纵波→编辑CT成像数据→CT处理产生VP数据→AutoCAD、MAPCAD进行图形处理、编辑、拼接→彩色激光打印

4 应用实例

  图2 为三峡工程泄洪坝段泄20#深孔挑流鼻坎声波CT无损检测成果图,即20-1、20-2、20-3剖面CT层析成像成果图。3个剖面均为同一混凝土建筑物块体不同高程(72.0、75.0、78.0)上的CT穿透剖面。

图2 长江三峡泄洪坝段泄20#深孔挑流鼻坎声波CT成果图

  从20-1剖面(为最上层的穿透剖面)可见,整体波速值较高,大于4300m/s的占90.75%,低于4000m/s仅占0.29%。波速分布:左下角与右上角之间为相对低速区,VP为4300m/s左右,呈条带状分布,其它部位VP大于4 500m/s。

  20-2剖面(为中间层的穿透剖面):

  波速值及其分布特征大体与20-1剖面相似,有所区别的是,相对低速部分要少一些,其分布没有连续性。20-3剖面(为最下层穿透剖面):

  整体低速异常区域形态与20-1、20-2剖面相似,但相对低速区更少(右上角的低速区可能是混凝土接缝所引起),且呈零星分布。

  从整体情况看:上述3个剖面相距较近,声波相对低速区分布位置上下对应较好,可反映该检测区域混凝土欠密实及其分布特点:最上层的剖面声波相对低速区较大、较多,声波速度较低;中间层剖面声波低速区较小、较少,声波速度相对较高;最下层剖面声波相对低速区更小、更少,声波速度较上剖面高,它们说明:建筑物底部混凝土密实情况较好,中部次之,上部(表层)较差。

  根据三峡工程多年混凝土检测资料表明,完好的混凝土声波速度VP值大于4300m/s,一般多为4500m/s,而存在局部轻微缺陷的混凝土声波速度VP值为4000~4300m/s(相对低速);若存在有较大的缺陷则VP值更低。

  因此,我们可以直接从图上清楚地看出:①被检测体剖面存在混凝土密实性问题的大小程度及位置;②各剖面混凝土密实性问题的关系,进而可以对被检测体作出质量评价。

  参考文献:

  [1] 肖柏勋.钻孔地球物理参数的数据处理与分析研究[R].1989.
  [2] 刘方文,熊永红等.三峡工程强度成长期混凝土质量缺陷物探快速无损检测试验研究报告[R].2001.
  [3] 杨文采.地球物理反演和地震层析成像[M].地质出版社,1989.
  [4] 杨文采,李幼铭,刘家琦.应用地震层析成像[M].地质出版社,1993.
  [5] 刘方文,刘润泽.乌江构皮滩水利枢纽初步设计阶段坝区综合物探报告[R].1995.
  [6] 李张明,文志祥.长江三峡工程泄洪坝段泄18#-23#深孔挑流鼻坎声波CT检测成果报告[R].2002.

[作者简介]
收稿日期:2001-02-10
作者简介:文志祥,长江委长江工程地球物理勘测研究院,工程师。
 
2005/07/08
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