摘要：在当今我国基建工程蓬勃发展的浪潮中，大体积混凝土构筑物的身影无处不在，从水利枢纽的巍峨坝体，到风电场中高耸的风机基础，再到跨越江河湖海的大跨度桥梁基础，以及深埋水底的大型沉管，它们都是工程建设的关键支撑。然而，这些大体积混凝土的质量与健康状况检测却一直是个难题

在当今我国基建工程蓬勃发展的浪潮中，大体积混凝土构筑物的身影无处不在，从水利枢纽的巍峨坝体，到风电场中高耸的风机基础，再到跨越江河湖海的大跨度桥梁基础，以及深埋水底的大型沉管，它们都是工程建设的关键支撑。然而，这些大体积混凝土的质量与健康状况检测却一直是个难题。传统的检测手段，如外观观察、温度监控、试块检测，以及表面裂缝分析、钻孔取芯等抽样检测技术，都无法全面、深入地评价其质量。而现有的常规无损检测技术，如回弹、超声、雷达、冲击回波等，又存在探测深度较浅，不适应大体积混凝土内部钢筋网密集等缺点，难以满足实际检测需求。

好在，声波散射成像技术的出现，为这一难题带来了新的曙光。声波CT技术虽然在交通和水利行业的大体积混凝土检测中有成熟应用，但其局限性也不容忽视。比如，当布置在同一个可测面上进行表面CT时，探测深度较浅，只能探测约25厘米范围内的混凝土质量；而布置在两个可测面上进行截面CT时，探测深度虽与震源有关，但对于风电基础等众多仅有一个可测面的大体积混凝土构件来说，这种方法显然不适用。而声波散射成像技术，作为地震勘探方法的一种，却能在仅有一个可测面的情况下进行检测，展现出独特的优势。

图1滤波前后的波形对比

图2单点激发和相控阵激发效果对比

在大体积混凝土无损检测中，混凝土可被视为均匀介质，但施工冷缝等病害会在其中形成散射界面，这就是声波散射勘探的物理基础。然而，混凝土是由水泥、骨料、砂、钢筋构成的凝聚体，是一种非均匀的结构物，非均匀的尺度由骨料大小决定。这种非均匀体的散射特性会影响检测分辨率和波的传播距离，即探测深度。根据瑞利散射与米散射理论，如果使用的波长小于骨料尺度，波的能量绝大部分会被逆散射回来，很难透射入混凝土中。因此，探测混凝土内部结构时，使用的波长必须超过骨料尺度的10倍，分辨率也与波长相当。对于1厘米尺度骨料的混凝土，散射法探测时，震源激振的最佳频率应在10千赫至20千赫之间。

此外，大体积混凝土结构通常存在多个表面，检测中存在拉姆波干扰，能否有效地消除拉姆波的影响，是散射成像成败的关键技术之一。拉姆波的能量比体波的能量大得多，是混凝土结构检测的主要干扰源。其频率较低，波速低于横波与纵波速度。波场分离技术使用视速度滤波方法滤除拉姆波，提取出散射波。滤波参数选择保留视速度3800米每秒以上即可，与混凝土波速有关。

混凝土的散射和几何扩散的强烈衰减，使得单点激发方式难以获得满意结果。而相控阵震源技术可以提高信噪比和分辨率。物理相控阵虽然频率高、能量大，但其性价比较低且设备体积过大，不适合大体积混凝土的无损检测。相比之下，数学相控阵对震源设备要求低，便于实施，具有物理相控阵达不到的效果。因此，声波散射成像方法检测大体积混凝土包含以下4项关键技术：进行波场分离，滤除拉姆波提取散射波；对单点激发记录进行数学相控阵，提高激发点下方的照度；对散射记录进行速度扫描，获得混凝土的实际波速；根据波速分布和散射记录进行偏移成像，获得混凝土内部结构图像。

在实际应用中，我们以锡林格勒盟境内的风电设施为例。该地区的风电塔基础为钢筋混凝土结构，由C40混凝土浇筑而成，外形呈圆楔形，直径为15米，中心有高为1米、直径为7米的圆柱体。圆柱外侧圆楔的厚度为3米，向外侧渐薄，至边缘处减薄至1米。根据声波散射成像方法原理及相关规范要求，对塔基混凝土结构实施了6条声波散射测线的检测。其中，2条声波散射测线位于中心圆柱体上，测线走向为北－南，东－西；4条声波散射测线布置在东西南北4个方向的斜坡上，沿径向布置，每条测线长约4.5米。检波器间距与激发点间距均为0.25米，激发点紧靠检波器。仪器采用北京同度工程物探技术有限公司生产的声波扫描仪。

经过数据坐标编辑、滤波处理，每个记录取震源附近的少数记录，联合偏移成像。得到的东西南北4条剖面显示，底部3米左右的红色界面是混凝土构件底部界面，界面很清楚，位置基本正确。80厘米至1米范围内不同程度的红色条纹，表示存在低速界面，可解释为浇筑中的冷缝。将所有测线成果拼接起来，进行三维展示，二次浇筑界面清晰、连贯。

为了验证检测结果，我们在面向东侧的台柱混凝土基础上，距离台柱边界35厘米位置上钻取芯样，芯样长度为111.5厘米。芯样整体质量较好，不存在明显的不密实区，仅在表层钢筋浅部存在少量小气孔。芯样在距表面87.5厘米处断为两截，断口不是新面，表明该位置的断裂是前期浇筑过程形成的，是明显的施工间歇面，与声波散射成像技术检测结果显示的低速界面深度一致，这充分证明了声波散射成像技术的检测结果是可靠的。

图１０取芯验证

声波散射成像技术在风电基础混凝土质量检测中的应用成果表明，该技术可以作为大体积混凝土质量检测的备选技术。与声波CT等无损检测技术相比，声波散射成像技术的优势在于只需要一个检测面，探测深度可达5米（配备更大能量的震源，探测深度可能更深），能够清晰显示出混凝土的内部缺陷。在众多只露出一个检测面且探测距离较深的大体积混凝土无损检测中，声波散射成像技术具有广阔的应用前景。它就像一双“火眼金睛”，能够穿透混凝土的表面，揭示其内部隐藏的真相，为我国基建工程的质量保障提供有力的技术支持。

来源：同度物探