物探方法檢測混凝土質量缺陷應用及數據特征研究

左志軍，謝 琪，賈杰南

(1貴州大學 資源與環境工程學院，貴陽 550025； 2.中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

當前，國內外各類混凝土原材料經過多年的不斷改進與優化，雖已經具備相當優異的性能，但受施工工藝、施工環境、現場管理或其它不可控因素的影響，混凝土結構工程均存在或多或少的質量問題，諸如水電行業大壩面板脫空、灌注樁樁體離析、混凝土路面面板脫空等。由此引發的問題或大或小，但都不可忽視。因而，對于混凝土結構構筑物是否存在缺陷進行檢測是工程項目中非常重要的工作[1]。近年來，綜合物探技術的應用已經成為工程質量檢測與工程勘察應用方面的一個必然趨勢，其多種多樣的物探手段具有相互補充、相互驗證的優點，可以有效提高工程質量。目前，混凝土構筑物檢測多采用的物探方法包括地質雷達法、超聲橫波三維成像技術、聲波單面平測法、鉆孔全景數字成像技術、彈模及傳統取芯驗證。雖在技術方法上已經形成了較為完善的系統，但實際應用中，多采用其中某一種，對檢測結果的準確性影響較大[2]。本文通過對觀音灘水庫部分檢測數據分析為例，提供一種結合多種檢測手段的物探方法能夠有效提高檢測質量，為相關技術工程應用提供參考。

1 方法與原理概述

1.1 地質雷達

地質雷達是目前廣泛應用于工程檢測方面的一種高效的檢測儀器。其利用高頻短脈沖向目標體發射電磁波，經目標體反射至接收器，并以 “時～深” 剖面的彩色或波形顯示，具有精度高、影像直觀、探測效率高、現場工作靈活、應用范圍廣等優點[3]。在淺層、超淺層檢測目標項目中廣泛應用，工作原理見圖1。

圖1 混凝土面板脫空情況地質雷達檢測示意圖

雷達數據經儀器自動采集導入電腦后，需經過專業的濾波處理。在此過程中，需判別有效信號與干擾信號的區別，提高信噪比，優化數據顯示，進而提高解譯質量。

1.2 超聲橫波三維成像技術

超聲橫波成像技術是目前世界上最先進的混凝土質量檢測技術，具有檢測精度高的特點。但該技術測試效率相對較低、成本較高，不適合用于大規模的質量檢測，多作為其它檢測手段的一種復核手段。多數情況下，混凝土工程存在大量的鋼筋結構，對雷達檢測成果造成了較大的干擾，為防止地質雷達檢測成果漏判或誤判，采用該方法對地質雷達檢測成果進行校驗。本文以俄羅斯生產的MIRA超聲儀為例，系統基于超聲橫波反射法原理見圖2。

圖2 超聲反射法原理

儀器內的控制單元將一行換能器用作發射器，其它行的換能器用作接收器。圖2顯示了將第一行換能器用作發射器，將其余行的換能器用作接收器。然后，將下一行換能器用于發射，其余各行的換能器用于接收，這個過程重復進行直到前11列都被用作過發射器為止。電腦處理每個回波脈沖的通過時間，生成反射界面位置的模型，從而確定反射界面的深度或厚度[4，5]。

1.3 聲波單面平測法

聲波單面平測法基于瑞利波的衰減及衍射特性來測試混凝土構筑物中的裂縫深度。該方法特點是測試范圍較大，受環境影響程度小，在含水或鋼筋較多的情況下，適應性好，特別適合測試較深的裂縫。通過系統修正瑞利波在傳播過程中所發生的幾何衰減和材料衰減，則可以保持其振幅不變。當波在傳播過程中遇到裂縫，其傳播連續性在一定程度上斷開，通過裂縫波的能量和振幅會減少。基于此，依據裂縫前后的波的振幅的變化，便可以推算裂縫深度[6]。根據試驗資料和理論分析結果，計算公式如下：

H=-0.7429Aln(B)

(1)

式中：H為裂縫深度；B為表面波波速；A為裂縫后/前的振幅比(經幾何衰減訂正)。

該方法典型特征波形見圖4。

圖3 聲波單面平測法傳播原理圖

2 實例應用與分析

2.1 實例應用

本文以德江縣觀音灘水庫物探檢測為例。水庫位于貴州省德江縣龍泉鄉敖家河上游段，工程所在地距離德江縣城約6km，是德江縣“十二五”規劃項目骨干水源工程，水庫總投資3.718 6億元，水庫規模為中型Ⅲ。

水庫各類工程建設內容包含擋、取、泄、沖水建筑物、輸水管線及提水泵站，混凝土結構眾多。檢測項目為混凝土壩面板底脫空、壩體裂縫發育狀況，包含裂縫發育位置、形態、大小。其中檢測主要位置包含大壩面板及溢洪道，具體檢測項目見表1。

表1 檢測項目統計表

2.2 雷達成果與超聲橫波成果分析

2.2.1 查明大壩面板底脫空位置與其形態

查明板底脫空主要選用地質雷達及超聲橫波三維成像技術，選用MZY-2+050～MZY-2+060段面板檢測“異常”時雷達與超聲橫波圖像(圖4、圖5)舉例如下：

圖4 地質雷達成果板底脫空典型異常圖

圖5 超聲橫波板底脫空典型“異常”圖

雷達解譯：圖4中表現出兩處明顯“異常”，圖中標注深度分別為0.25～0.30 m與0.42～0.50 m位置，與設計資料中鋼筋網埋深及大壩面板厚度分別對應。而在圖4中圈劃處存在一處“異常”，埋深在0.55～0.60 m處，可解譯為較嚴重板底脫空。由于雷達信號對“異常”具有放大作用，圖中“異常”表現需進行一定程度的折減，大致脫空厚度約0.05 m。

超聲橫波解譯：對比雷達圖，超聲橫波成圖明顯質量更佳，因而解譯結果更為可靠。在圖5同樣位置鋼筋網層 “異常”表現為“點狀～似點狀”，總體呈串珠狀分布。面板板底位置“異常”呈“長條狀”似連續分布。圖5中標注脫空區域呈上彎形凹陷狀，應為面板澆筑完成后，壩體自重作用下局部的陷落導致脫空。

2.2.2 混凝土厚度與裂縫識別判定

聲波單面平測法解譯：該方法解譯較為簡單，以波形變化特征判定，參考章節1.3。

平測法測量布置方式主要為兩種，投影法及反相法，其各有優缺點。投影法操作簡單，通過兩次跨縫量測，構建方程組，進而求出波速與裂縫垂直深度。反相法適用性較差，但不需要讀取聲波傳播的聲時，較為準確，本次測量采用投影法。

部分成果見表2。

表2 聲波單面平測法成果表

取芯驗證見圖6。

圖6 取芯實物圖

超聲橫波法解譯：儀器在沿著所有掃描線取得數據后，采用合成孔徑聚焦技術的處理方法來重建混凝土構件內部的三維斷層圖像。簡單地說，構件被細分為許多小體積元，根據脈沖到達時間和發射器-接收器對的已知位置，可以得到反射界面的深度。由于波束的路徑是傾斜的，反射體的深度根據直角三角形三邊長度的關系算出。在進行檢測活動時須考慮波速與頻率兩個參數的選取，當計算波速與實際波速偏差較大時，不僅可能導致對缺陷無法識別，對缺陷的成像深度與實際情況也會出現較大偏差；現場進行工作時應對混凝土橫波速度進行多次采樣測試，并選用合適統計特征值。探測頻率選取應基于現場具體情況調試，不同探測頻率對于差異埋深和尺寸缺陷的判定能力差別較大，工作前應結合現場條件預估和試驗方式確定合適的探測頻率。圖7、圖8為觀音灘水庫部分超聲橫波成像三維成果圖與實物圖。

圖7 超聲橫波三維成像成果圖

圖8 現場裂縫實物圖

鋼筋在超聲橫波三維剖面成像圖中于埋深0.25 m位置存在多處清晰的“長條狀”鋼筋反應，并顯示其間距約為0.20～0.25 m。部分區域異常圖像成片狀分布，解譯為鋼筋與混凝土接觸不密實帶。壩面混凝土在聲波單面平測法檢測基礎上使用超聲橫波三維成像，復核裂縫發育可能性并采用取芯法驗證，效果良好。

解譯思路：壩體與混凝土壩面底部接觸帶物理性質差異引起突變異常在排除以上情況下，圖中反應其它“異常”即可初步判定為混凝土澆筑質量缺陷。同時對比兩圖可發現，超聲橫波法成果圖像反應壩面脫空“異常”具備較為明顯的優勢，成圖質量更好。超聲橫波三維成像物探檢測在鋼筋混凝土表面上測試時，根據應力波在不同介質的傳播速度不相同的特點，應力波在鋼筋混凝土里面中不同界面會發生反射，其界面以下其他深度的紅色部位即為混凝土與底部擠壓邊墻接觸不密實。

在實際操作過程中，對于各類檢測技術方法首先需要考慮的是場地條件對于檢測結果的影響，結合各類資料對檢測成果進行解譯，才能最大限度增加解譯結果的準確性。

3 結 論

1) 多種物探手段綜合應用在檢測混凝土澆筑質量時，在檢測成本方面，具有高效、經濟的特點；在成果質量方面起到相互驗證、相互輔助的作用，可為混凝土澆筑質量問題確定缺陷存在的范圍。

2) 在進行檢測的同時，要充分考慮到檢測目標本身的基本情況，結合相關資料可以大大提高物探成果解譯的準確度。

3) 超聲橫波技術在檢測混凝土中具有明顯的質量優勢，但其低效的特點限制了其應用，優化其數據采集方式是未來該技術發展的一個重要方向。