物探方法检测混凝土质量缺陷应用及数据特征研究

左志军，谢 琪，贾杰南

(1贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳 550025； 2.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

当前，国内外各类混凝土原材料经过多年的不断改进与优化，虽已经具备相当优异的性能，但受施工工艺、施工环境、现场管理或其它不可控因素的影响，混凝土结构工程均存在或多或少的质量问题，诸如水电行业大坝面板脱空、灌注桩桩体离析、混凝土路面面板脱空等。由此引发的问题或大或小，但都不可忽视。因而，对于混凝土结构构筑物是否存在缺陷进行检测是工程项目中非常重要的工作[1]。近年来，综合物探技术的应用已经成为工程质量检测与工程勘察应用方面的一个必然趋势，其多种多样的物探手段具有相互补充、相互验证的优点，可以有效提高工程质量。目前，混凝土构筑物检测多采用的物探方法包括地质雷达法、超声横波三维成像技术、声波单面平测法、钻孔全景数字成像技术、弹模及传统取芯验证。虽在技术方法上已经形成了较为完善的系统，但实际应用中，多采用其中某一种，对检测结果的准确性影响较大[2]。本文通过对观音滩水库部分检测数据分析为例，提供一种结合多种检测手段的物探方法能够有效提高检测质量，为相关技术工程应用提供参考。

1 方法与原理概述

1.1 地质雷达

地质雷达是目前广泛应用于工程检测方面的一种高效的检测仪器。其利用高频短脉冲向目标体发射电磁波，经目标体反射至接收器，并以 “时～深” 剖面的彩色或波形显示，具有精度高、影像直观、探测效率高、现场工作灵活、应用范围广等优点[3]。在浅层、超浅层检测目标项目中广泛应用，工作原理见图1。

图1 混凝土面板脱空情况地质雷达检测示意图

雷达数据经仪器自动采集导入电脑后，需经过专业的滤波处理。在此过程中，需判别有效信号与干扰信号的区别，提高信噪比，优化数据显示，进而提高解译质量。

1.2 超声横波三维成像技术

超声横波成像技术是目前世界上最先进的混凝土质量检测技术，具有检测精度高的特点。但该技术测试效率相对较低、成本较高，不适合用于大规模的质量检测，多作为其它检测手段的一种复核手段。多数情况下，混凝土工程存在大量的钢筋结构，对雷达检测成果造成了较大的干扰，为防止地质雷达检测成果漏判或误判，采用该方法对地质雷达检测成果进行校验。本文以俄罗斯生产的MIRA超声仪为例，系统基于超声横波反射法原理见图2。

图2 超声反射法原理

仪器内的控制单元将一行换能器用作发射器，其它行的换能器用作接收器。图2显示了将第一行换能器用作发射器，将其余行的换能器用作接收器。然后，将下一行换能器用于发射，其余各行的换能器用于接收，这个过程重复进行直到前11列都被用作过发射器为止。电脑处理每个回波脉冲的通过时间，生成反射界面位置的模型，从而确定反射界面的深度或厚度[4，5]。

1.3 声波单面平测法

声波单面平测法基于瑞利波的衰减及衍射特性来测试混凝土构筑物中的裂缝深度。该方法特点是测试范围较大，受环境影响程度小，在含水或钢筋较多的情况下，适应性好，特别适合测试较深的裂缝。通过系统修正瑞利波在传播过程中所发生的几何衰减和材料衰减，则可以保持其振幅不变。当波在传播过程中遇到裂缝，其传播连续性在一定程度上断开，通过裂缝波的能量和振幅会减少。基于此，依据裂缝前后的波的振幅的变化，便可以推算裂缝深度[6]。根据试验资料和理论分析结果，计算公式如下：

H=-0.7429Aln(B)

(1)

式中：H为裂缝深度；B为表面波波速；A为裂缝后/前的振幅比(经几何衰减订正)。

该方法典型特征波形见图4。

图3 声波单面平测法传播原理图

2 实例应用与分析

2.1 实例应用

本文以德江县观音滩水库物探检测为例。水库位于贵州省德江县龙泉乡敖家河上游段，工程所在地距离德江县城约6km，是德江县“十二五”规划项目骨干水源工程，水库总投资3.718 6亿元，水库规模为中型Ⅲ。

水库各类工程建设内容包含挡、取、泄、冲水建筑物、输水管线及提水泵站，混凝土结构众多。检测项目为混凝土坝面板底脱空、坝体裂缝发育状况，包含裂缝发育位置、形态、大小。其中检测主要位置包含大坝面板及溢洪道，具体检测项目见表1。

表1 检测项目统计表

2.2 雷达成果与超声横波成果分析

2.2.1 查明大坝面板底脱空位置与其形态

查明板底脱空主要选用地质雷达及超声横波三维成像技术，选用MZY-2+050～MZY-2+060段面板检测“异常”时雷达与超声横波图像(图4、图5)举例如下：

图4 地质雷达成果板底脱空典型异常图

图5 超声横波板底脱空典型“异常”图

雷达解译：图4中表现出两处明显“异常”，图中标注深度分别为0.25～0.30 m与0.42～0.50 m位置，与设计资料中钢筋网埋深及大坝面板厚度分别对应。而在图4中圈划处存在一处“异常”，埋深在0.55～0.60 m处，可解译为较严重板底脱空。由于雷达信号对“异常”具有放大作用，图中“异常”表现需进行一定程度的折减，大致脱空厚度约0.05 m。

超声横波解译：对比雷达图，超声横波成图明显质量更佳，因而解译结果更为可靠。在图5同样位置钢筋网层 “异常”表现为“点状～似点状”，总体呈串珠状分布。面板板底位置“异常”呈“长条状”似连续分布。图5中标注脱空区域呈上弯形凹陷状，应为面板浇筑完成后，坝体自重作用下局部的陷落导致脱空。

2.2.2 混凝土厚度与裂缝识别判定

声波单面平测法解译：该方法解译较为简单，以波形变化特征判定，参考章节1.3。

平测法测量布置方式主要为两种，投影法及反相法，其各有优缺点。投影法操作简单，通过两次跨缝量测，构建方程组，进而求出波速与裂缝垂直深度。反相法适用性较差，但不需要读取声波传播的声时，较为准确，本次测量采用投影法。

部分成果见表2。

表2 声波单面平测法成果表

取芯验证见图6。

图6 取芯实物图

超声横波法解译：仪器在沿着所有扫描线取得数据后，采用合成孔径聚焦技术的处理方法来重建混凝土构件内部的三维断层图像。简单地说，构件被细分为许多小体积元，根据脉冲到达时间和发射器-接收器对的已知位置，可以得到反射界面的深度。由于波束的路径是倾斜的，反射体的深度根据直角三角形三边长度的关系算出。在进行检测活动时须考虑波速与频率两个参数的选取，当计算波速与实际波速偏差较大时，不仅可能导致对缺陷无法识别，对缺陷的成像深度与实际情况也会出现较大偏差；现场进行工作时应对混凝土横波速度进行多次采样测试，并选用合适统计特征值。探测频率选取应基于现场具体情况调试，不同探测频率对于差异埋深和尺寸缺陷的判定能力差别较大，工作前应结合现场条件预估和试验方式确定合适的探测频率。图7、图8为观音滩水库部分超声横波成像三维成果图与实物图。

图7 超声横波三维成像成果图

图8 现场裂缝实物图

钢筋在超声横波三维剖面成像图中于埋深0.25 m位置存在多处清晰的“长条状”钢筋反应，并显示其间距约为0.20～0.25 m。部分区域异常图像成片状分布，解译为钢筋与混凝土接触不密实带。坝面混凝土在声波单面平测法检测基础上使用超声横波三维成像，复核裂缝发育可能性并采用取芯法验证，效果良好。

解译思路：坝体与混凝土坝面底部接触带物理性质差异引起突变异常在排除以上情况下，图中反应其它“异常”即可初步判定为混凝土浇筑质量缺陷。同时对比两图可发现，超声横波法成果图像反应坝面脱空“异常”具备较为明显的优势，成图质量更好。超声横波三维成像物探检测在钢筋混凝土表面上测试时，根据应力波在不同介质的传播速度不相同的特点，应力波在钢筋混凝土里面中不同界面会发生反射，其界面以下其他深度的红色部位即为混凝土与底部挤压边墙接触不密实。

在实际操作过程中，对于各类检测技术方法首先需要考虑的是场地条件对于检测结果的影响，结合各类资料对检测成果进行解译，才能最大限度增加解译结果的准确性。

3 结 论

1) 多种物探手段综合应用在检测混凝土浇筑质量时，在检测成本方面，具有高效、经济的特点；在成果质量方面起到相互验证、相互辅助的作用，可为混凝土浇筑质量问题确定缺陷存在的范围。

2) 在进行检测的同时，要充分考虑到检测目标本身的基本情况，结合相关资料可以大大提高物探成果解译的准确度。

3) 超声横波技术在检测混凝土中具有明显的质量优势，但其低效的特点限制了其应用，优化其数据采集方式是未来该技术发展的一个重要方向。