基于水声信号的水下衬砌基础结构破坏检测技术

姜文龙，周锡芳，杨旭辉，张宪君，郭玉松

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.南水北调中线干线工程建设管理局 河南分局，河南 郑州 450016）

研究水下检测技术对水利工程不停水检修意义重大。 由于水体本身电阻率十分低，常规的电磁波信号在水中衰减极快，因此基于电磁波理论的激光雷达等光学检测设备等在水下检测应用中受到极大限制，一般多用于水下结构表观破坏的近距离精细观测［1］。而弹性波信号可在水中传播，水体属于流体，其剪切模量几乎为0，只有压缩模量存在，因此利用弹性波中的压缩波（即声波）在水中的传播规律研究水下结构状态，是解决目前水下问题的主要手段。

目前，已有诸多大型水利工程采用水声信号进行了水下衬砌面板破坏检查，但这种检查多是基于超声学的水下衬砌表观破损检测，且针对不同检测目的，所选用的声呐频率有一定区别，如针对较大的水下破坏多利用200 kHz 的水下多波束进行检测，针对10 cm左右的衬砌面板表观破坏利用500 ～900 kHz 的侧扫声呐进行检测［2-3］，而针对更小细节的检测多利用水下有缆机器人（ROV）或者水下无缆机器人（AUV）搭载900 kHz 以上的前视声呐或者高清摄像头进行检测［4］。 在工程界最为关注的水下衬砌结构及其基础破坏方面也有学者或者单位利用潜水员或ROV 搭载20 kHz 的混凝土超声设备进行检测，但国内外关于水下衬砌表观以下的检测研究及应用极少。

声学信号的频率与其传播能力和分辨能力息息相关，为研究声学信号在水中及水下介质的穿透能力，本文从经典的Biot 双相介质声波方程出发，研究水下衬砌的声学参数特征，结合数值模拟来分析水下结构破坏的表现特征。

1 水声信号在双相介质中传播分析

1.1 水声信号基本原理

所有频率的水声信号在水下的传播均可认为是水面发生的尖脉冲（子波）向水下传播，当遇到水下反射界面时发生反射并被水面设备接收。 观测系统可以直接记录下来的最基本的两个参数是声波反射回来所用的双程旅行时间t和反射波反射回来的能量A。 双程旅行时间t表示反射界面距离水面的双程距离，A与水底介质性质相关。

一个完整的水声信号的传播与信号的频率及介质的衰减参数相关，对于水介质，水声信号的衰减极小，因此信号在水中很难产生较大的反射波。 对于表观检测，需要利用更尖的脉冲获取高分辨率信道，但是其穿透能力受到极大限制，信号无法有效在固体介质内部传播，因此只能获取水底表层的深度信息，即仅能获取水底界面处的信号，仅可用于表观破损检测。 而低频信号则可有效穿透地层，获取水底之下后续信息［5-7］。但对于水下衬砌结构和基础破坏检测，其信号衰减及传播与水底泥沙不同，为此，笔者基于双相介质理论对水声信号在介质中的传播规律进行分析。

1.2 Biot-Stoll 双相介质声波方程

介质一般由固、液、气三相组成，双相介质即包含其中两相介质。 本研究认为水下介质为饱和水介质，主要由固相和液相组成，因此称其为双相介质。

水是声学天然耦合剂，超声信号在水中的衰减系数极小。 水底表层沉积物的主要声学参数是声速和声衰减系数，这两个参数也是表征水底沉积物特征的重要参数，Biot-Stoll 声波方程［8-12］则可有效分析双相介质中的声学参数衰减特征。

1.3 双相介质中声波传播规律

根据Biot-Stoll 声波方程可推导不同频率的声波信号在水底双相介质中的传播速度等物理参数，Biot理论包含诸多参数，结合水底介质关系，Biot 参数选取见文献［8］。

在实际工程施工中，衬砌基础一般以黏性土为主，考虑整个工程土质情况，设衬砌底部主要是平均粒径为0.1 mm 的含水饱和土，衬砌后土的孔隙度为0.3。由于衬砌基础受本身碾压情况及外界因素影响发生沉降，因此导致衬砌底部土体松散，承载力变小，极端情况下会形成空洞，使得衬砌结构易于破坏。 衬砌基础的空洞主要指基础地基的孔隙度变大，因此孔隙度可直接反映衬砌基础的脱空情况，不同孔隙度即代表了综合密度的差异，可以获取二者与声波速度的关系，如图1、图2 所示。

图1 孔隙度与声速的关系

图2 密度与声速的关系

由于声波为压缩波，因此当孔隙度较大时介质中的压缩传播以水与水之间的压缩传播为主，其综合速度接近水的波速。 随着孔隙度减小，颗粒之间接触更为紧密，压缩波的传播以土体颗粒之间压缩传播为主，其综合声速接近土的波速。

孔隙度的变化可以表征不同衬砌基础脱空情况的声学参数变化，但高频声学信号则无法有效获取上述声学参数，这与不同频率信号在介质中的衰减有极大关系。 根据上述主要参数进行计算，可获取不同声波频率信号的衰减系数，如图3 所示。

图3 不同声波频率信号的衰减系数曲线

10 Hz 的声波信号在介质中的衰减系数约为10-6dB／m，而1 000 kHz 的信号在介质中的衰减系数约为10 dB／m，说明声波频率越高，信号在介质中衰减越快，当频率高达一定程度时信号几乎无法在颗粒介质中传播，只能在水等介质中传播。 频率超过20 kHz 的超声波波长极短，在介质中的穿透能力极弱，多用于表观检测，因此开展衬砌结构及基础破坏检测应该选用相对低频的声波信号。

低频声波信号在饱和介质中的衰减远小于高频信号的。 原因是Biot 理论描述的Biot 机制中衰减来自孔隙流体和骨架“全局”之间的相对运动，在低频时流体随骨架呈周期振荡，流体相对固体骨架的运动速度接近于0，衰减较小；当频率提高时惯性力的影响超过黏滞作用的影响，流体相对骨架的运动速度大于0，从而引起小的频散。 而500 Hz 及以下的低频声波波长一般为3 m 左右，根据1／4 波长分辨理论，针对水下1 m厚度的目标体识别能力较差，无法有效满足水下检测需求。 考虑最小的目标厚度不足10 cm，根据信号频率分析，应利用频率不小于2 kHz 的信号进行识别。

水声信号在水中及水底的透射、反射与介质的密度和波的速度的乘积有关，在声学中称为声阻抗，可以表示为Zi＝ρiVi，其中ρ表示介质的综合密度，V表示介质的综合声速，i为地层号。 只有在上下两层声阻抗Z1≠Z2的条件下，水声信号才会发生反射，差别越大，反射越强［9］。

水和衬砌的物性差异较大。 对于水下衬砌界面，设水下饱和衬砌综合密度为3 g／cm3，其综合声速约为4 500 m／s。 水体综合密度为1 g／cm3，综合声速为1 500 m／s。 根据上述关系，水下衬砌的反射系数约为0.8，即虽然80%的声波能量被衬砌反射，但仍有20%的能量被吸收。 另外，这种计算是以巨厚体混凝土为例的，如果水下衬砌厚度较小，则信号的反射会较弱。

结合水声信号的声学信号衰减理论分析，采用能量较大的大于2 kHz 且小于10 kHz 的音频段水声信号，其衰减系数约为10-1dB／m，进行水下衬砌检测是可行的。

2 水下缺陷模型理论试验研究

2.1 水下结构破坏模型

为了验证上述理论分析的可行性，同时判断水声信号在不同水下衬砌脱空情况的反射规律，设计了水下结构物理模型试验。 实际水下结构破坏形式较多，其可能全部为空腔，但更多结构破坏情况是回填土因填筑或者外界环境因素导致其本身变得更为松散，孔隙度变大，孔隙中一般会充满饱和水，因此也考虑为双相介质。

考虑衬砌基础完全脱空和衬砌基础土体松散两种破坏情况进行数值模拟。 设计的基础破坏模型深度为10 m，长度为10 m，其中混凝土界面深度为5 m，在混凝土底部存在衬砌基础破坏缺陷（见图4），脱空区域由多层介质组成，自上而下介质密度逐渐增大，层厚度平均为20 cm。 当缺陷部位表现为土质较为疏松情况时，自上而下设计土的综合密度分别为1.40、1.45、1.50、1.55 g／cm3，设碾 压 后密实土 层 密 度为1.75 g／cm3，相关声速取值见图2。 当衬砌表现为完全脱空时，空腔被水充满，可设其密度为1.00 g／cm3，完全脱空模型中，设第一层为饱和水，之后的密度为1.40、1.45、1.50 g／cm3，设碾压后土层密度为1.75 g／cm3。

图4 脱空模型设计

2.2 数值信号模拟

由于信号均在水中传播，因此采用声波方程研究双相介质中信号的传播规律。 采用主频为3 kHz 的雷克子波进行模拟，信号的采样频率为12.5 kHz。

通过声波正演模拟获取脱空区域主要为不密实土反射信号及衬砌底部完全脱空反射信号，如图5 和图6 所示。 对比可知，由于缺陷位置与正常地层位置存在较大的密度差异，因此二者之间存在一定的声阻抗差异，同时在缺陷区域形成多个反射同相轴；在碾压密实区域，其密度和速度差异较小，因此内部不易形成反射界面。

图5 不密实土反射信号

图6 衬砌底部完全脱空反射信号

不密实区域与脱空区域信号在细节表征上具有一定区别。 不密实区域混凝土底部反射主要为地层界面因密度不同而引起的反射，这种底部反射能量相对较弱，但水声信号依然在不密实土内部进行传播，且反射信号可反映衬砌基础破坏的形态。 衬砌底部完全脱空并形成空腔的情况，由于空腔与地层之间的速度差异较大，因此会在空腔中的水体与衬砌、底部地层之间产生一定的层间多次波，导致其脱空底部能量反射较强，且存在“串珠”一样的多次反射波。 原因是采用信号频率相对较高，主频3 kHz 信号在水中波长约为50 mm，与层厚差异不大或者小于层厚，信号易于在层间产生多次反射。

松散体和空腔的单道反射信号和能量电压幅值对比见图7 和图8，图中横坐标t表示信号的双程旅行时间，纵坐标P表示接收模拟信号的电压幅值，在t＝9 ms时衬砌面板附近均有一个极大反射能量值，表明该值为衬砌的主反射能量。 图7 显示能量极速衰减，表明多数信号穿透衬砌后逐步被地层吸收。 图8 显示衬砌面板后依然有强能量，说明信号穿透衬砌后向地层中传播变少，产生了层间多次波。

图7 单道反射信号电压幅值对比

图8 单道反射能量电压幅值对比

3 水下缺陷检测信号分析及应用

针对上述分析，在南水北调中线总干渠某渠段面板塌陷处开展了检测试验。 根据理论分析，面板下为换填层状土，均匀状态，无明显速度界面，因此当信号穿透混凝土面板后，一般表现为无明显反射信号或者在碾压区域形成层状反射信号。 当混凝土面板出现塌陷情况时，塌陷区域底部土层发生一定变化。

根据水声信号在介质中的声学特性及分辨率分析，此次试验采用主频3 kHz 声波信号进行连续检测，相关采样频率为12.5 kHz。 利用水声信号获取的破损区域及周边区域混凝土底部的连续声波信号反射影像如图9 所示，图中所示水底凹凸起伏变化是测量过程中测线在渠道垂向偏移引起的渠堤水深变化。

图9 水下检测结果

图9（a）为3 m 水深破损区域的反射信号，衬砌底部反射信号相对一致，在更深的衬砌基础部位，衬砌基础发生破坏导致土层反射信号发生不连续的绕射，而在周边正常区域地层反射表现为层状特征，即没有受到破损区域影响。 随着测线向渠道中心延伸，获取5.5 m水深破损区域信号（见图9（b）），整个检测区域无明显绕射，即破损的影响范围仅影响渠道边坡上半部分，对底部无影响。

渠道沉降量大是地层干密度在多种因素影响下变小（即孔隙度变大）导致承载力降低引起的，表现为破坏地层的反射信息，这与理论分析是一致的。

根据检测数据划分的水下破损区域影响范围如图10 所示。 图10 中马道红线表示从水面之上可视区域测量的衬砌塌陷范围，水下红线为基于水下检测信息获取的水下破损实际影响范围，对比二者可发现，实际水下衬砌基础的破坏面积明显大于表观破坏面积。

图10 基于检测成果获取的水下破损范围

4 结 语

从理论上分析了水声信号在双相介质中的传播规律，同时结合数值模拟与实测数据，分析了水下衬砌基础松散与脱空状态下的信号反射特征，获得如下结论。

（1）理论分析表明，鉴于地层中固体骨架与流体间的相互关系，随着频率的提高，水声信号衰减变大，导致信号在介质中的传播距离越来越短，而随着孔隙度的变小，考虑介质间应力传递，介质的综合速度逐渐增大，这为土体松散与脱空提供了基本的声学判断依据。

（2）数值模拟表明，当衬砌背后存在一定程度的脱空时，会导致水声信号在水体、衬砌和地层之间产生多次波，这与信号本身频率是相关的；当存在土体松散时，多表现为土体本身的地层反射，层间多次波较弱。

（3）水下面板破坏检测案例表明，相关信号可有效用于对衬砌基础破坏范围大小的检测，同时根据其在水底松散情况下传播的规律，可有效划分水底基础破坏范围，对于指导工程加固具有重要意义。

本文主要以主频3 kHz 信号为研究对象，初步分析了水下结构破坏的检测问题。 下一步将着重对不同频率信号与不同尺度缺陷的声学关系进行研究，拓展相关技术在水下检测的数据解释。