彈性波CT 在混凝土防滲墻無損檢測中的應(yīng)用

扈本娜

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院集團有限公司，天津 300250）

混凝土防滲墻的檢測作為工程檢測中的一個重要內(nèi)容，隨著各專家學者的不斷研究，得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。在大量的實踐研究中研制出了一系列的無損檢測設(shè)備，還發(fā)展出眾多檢測方法，例如回彈法、超聲法、貫入法、拔出法、鉆芯法等［1］。 雖然這些方法直觀、可靠，但是它們施工效率低、成本高、損害墻體，而且這類傳統(tǒng)檢測方法采用抽樣方式進行檢測，檢測指標相對單一，不具備代表性［2］。 自醫(yī)用CT技術(shù)被推廣到混凝土檢測領(lǐng)域來，其優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)。 該方法根據(jù)檢測對象的彈性波速度與其物理力學參數(shù)有較好的相關(guān)性，通過無損檢測，對施工對象可以進行整體評判，達到對目標體更加準確全面的檢測與評價。

近年來， 采用彈性波CT方進行工程檢測也進入了快速發(fā)展階段。 李高等［3］對河北承德半壁山危巖體進行彈性波檢測， 結(jié)果較好地說明了該山體存在孔間巖體破裂的發(fā)育情況；趙祥等［4］采用彈性波CT技術(shù)對高壓擺噴防滲墻質(zhì)量進行檢測， 檢測結(jié)果的波速色譜圖說明了混凝土澆筑墻質(zhì)量達標， 表明彈性波CT技術(shù)在檢測防滲墻完整性方面行之有效；郭秀芹等［5］采用彈性波層析成像法對某特大橋的橋墩進行質(zhì)量檢測， 通過橋墩斷面彈性波波速度分布等值線圖判斷出了被檢測橋墩存在的混凝土不密實部位， 在隨后的修復過程中證實了檢測結(jié)果的準確性與該方法可行性；陳湘華等［6］利用電磁波和彈性波CT聯(lián)合方法對地下樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行檢測， 檢測結(jié)果得到了鉆孔驗證；趙漢金等［7］勘查浙江某地鐵沿線溶洞分布情況及鉆孔之間溶洞發(fā)育情況時， 采用彈性波CT法表明，該方法對探測溶洞效果較好；鞏思園等［8］采用彈性波CT技術(shù)對含有空區(qū)的混凝土試驗展開了試驗研究， 證實了該方法對于空區(qū)探測的有效性；盧進延［9］為對西淋岡地區(qū)斷裂進行精細探測，在該地區(qū)開展了淺層地震和彈性波CT工作， 結(jié)果表明該方法在隱伏斷裂探測方面具有良好效果。

目前， 在混凝土防滲墻質(zhì)量評價及修復工作中，地球物理探測技術(shù)是一項重要手段。本文通過利用彈性波CT技術(shù)對某水庫防滲墻進行實際探測， 不僅證實了該方法在混凝防滲墻檢測方面的快速高效性，同時還表明此方法相對于傳統(tǒng)探測方法具有明顯優(yōu)勢。

1 彈性波CT技術(shù)

1.1 檢測原理

CT技術(shù)起初應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域， 近年來在混凝土無損檢測、巖溶精細探測等方面得到廣泛應(yīng)用［10］。CT技術(shù)是指在對研究“對象”內(nèi)部結(jié)構(gòu)不造成損傷的條件下，利用某種射線源，通過外部檢測設(shè)備獲得投影數(shù)據(jù)，再依據(jù)一定的物理和數(shù)學關(guān)系，利用計算機反演物體內(nèi)部某種物理量的分布函數(shù)，生成二維圖像，重現(xiàn)物體內(nèi)部特征的一種技術(shù)［11，12］。

彈性波CT技術(shù)需要利用兩個鉆孔， 在其中一個鉆孔激發(fā)彈性波，在另一鉆孔中接收彈性波。彈性波在激發(fā)點和接收點之間沿射線路徑傳播， 形成密集的射線扇形交叉網(wǎng)格（圖1），由儀器記錄形成數(shù)據(jù)文件，再從數(shù)據(jù)文件中讀取首波走時數(shù)據(jù)，然后采用聯(lián)合迭代重建算法求解大型矩陣方程（1），得到剖面上每一個單元（網(wǎng)格）的彈性波速度，從而利用專業(yè)軟件做出彈性波速度色譜圖和等值線圖， 根據(jù)成像剖面上彈性波的速度分布來評價檢測段防滲墻的質(zhì)量及判斷隱患大小及分布位置［13，14］。

圖1 彈性波CT技術(shù)觀測系統(tǒng)布置示意圖

式中 lij為第i條射線在第j個單元（網(wǎng)格）內(nèi)的路徑長度；Sj為第j個單元的慢度值， 即第j個單元速度的倒數(shù)；Ti為第i條射線的走勢。

1.2 地球物理特征

波的傳播是沿著最短路徑進行傳播的， 也就是說傳播用時最短的路徑。波速的大小和介質(zhì)的密度、彈性模量、孔隙度等有關(guān)。彈性波在防滲墻內(nèi)部傳播時，墻體質(zhì)量越高即強度越大、密度大、凝固好，波速也會相應(yīng)的高；相反，墻體密度小、強度小，出現(xiàn)空洞、夾泥沙等缺陷時，相應(yīng)的波速也會小。 因此當混凝土防滲墻存在缺陷或異常時， 可以利用彈性波的特征，對防滲墻進行檢測［15］。

2 應(yīng)用實例

2.1 工程概況

某水庫大壩壩基除險加固采用普通混凝土防滲墻工程，設(shè)計墻厚0.6m，深入基巖不小于1.5m。 強度大于15MPa，彈性模量大于22000MPa，滲透系數(shù)小于4.19×10-9cm/s，地震波速大于3400m/s。 在混凝土齡期達到28d后， 采用彈性波CT進行防滲墻完整性檢測，采取單一孔激發(fā)單一孔接收的工作方式。

2.2 工程布置和數(shù)據(jù)采集

本次檢測工程中使用的檢測儀器設(shè)備采用由美國Geometrics公司生產(chǎn)的StrataVisor NZXP型淺層地震儀及岳陽奧成科技有限公司生產(chǎn)的HX-DHH-03J型電火花聲波發(fā)射震源。 測試參數(shù)為： 接收點距1.0m、 激發(fā)點距1.0m、 采樣間隔31.25μs、 采樣長度0.03s、接收信道數(shù)12道。

將電火花探頭放至發(fā)射孔孔底激發(fā)地震波，串狀檢波器放至接收孔孔底接收地震波， 選擇保存地震波波形正常、初至起跳清晰的記錄，然后將電火花探頭向上移動1m，再次激發(fā)地震波，直至電火花探頭移動至水位處或孔口1m處。 將串狀檢波器向上移動12m，重復上述過程測試，直至串狀檢波器移動至水位處或孔口1m處，則完成斷面的地震波CT測試。 現(xiàn)場測量并記錄鉆孔間距和鉆孔孔口高程。 沿混凝土防滲墻中心線共布置3對鉆孔進行測試，共測試2328個檢波點炮點（圖2）。

圖2 工程布置示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

資料處理采用湖南奧成科技有限公司研發(fā)的彈性波CT成像軟件。處理過程包括①數(shù)據(jù)編輯，主要包括數(shù)據(jù)剔除、坐標校正、排列參數(shù)；②數(shù)據(jù)分析，主要包括校正觸發(fā)延時、濾波、地震波旅行時初至拾取；③成像分析，根據(jù)初始化速度模型，選擇合適單元（網(wǎng)格）尺寸、算法及迭代次數(shù)，進行反演運算，獲得各單元（網(wǎng)格）的速度，最后做出彈性波速色譜圖和等值線圖。

2.4 成果分析

根據(jù)工程設(shè)計要求，齡期28d后，混凝土縱波速度應(yīng)大于3400m/s，當防滲墻存在夾泥、空洞、裂縫、混凝土振搗不密實等缺陷時， 其波速一般小于3400m/s。 因此根據(jù)檢測斷面波速分布，并結(jié)合防滲墻其他資料綜合分析， 可以評價防滲墻混凝土的質(zhì)量，判斷混凝土缺陷及位置。

從彈性波CT波速等值線圖可以看出：圖3反演剖面中地震波速度3510～4044m/s，平均值3799m/s；圖4反演剖面中地震波速度3407～3999m/s，平均值3804m/s；圖5反演剖面中地震波速度3518～4170m/s，平均值3830m/s。 也就是說，混凝土防滲墻波速主要分布在3500～4100m/s之間，無明顯低速區(qū)，表明混凝土防滲墻澆筑質(zhì)量較好，防滲墻整體完整、連續(xù)、均勻。

圖3 ZK1-1-ZK1-2地震波CT反演剖面圖

圖4 ZK1-3-ZK1-4地震波CT反演剖面圖

圖5 ZK1-5-ZK1-6地震波CT反演剖面圖

3 結(jié)語

本文闡述了彈性波CT方法的基本原理和過程，對某水庫混凝土防滲墻的質(zhì)量進行檢測， 檢測結(jié)果表明該混凝土防滲墻整體完整、連續(xù)。 通過實際工程應(yīng)用，有力證明了彈性波CT技術(shù)在混凝土防滲墻質(zhì)量檢測方面具有分辨率高、圖像直觀且信息量大的優(yōu)勢；其實用性、可靠性及高效性，相比傳統(tǒng)損害墻體的探測方法，顯示了在大體積混凝土工程檢測中的優(yōu)勢。