超声法探测水下裂缝宽度的原理（带图说明）

1、前言
工程混凝土结构物常因各种原因产生裂缝。裂缝的存在危害结构的安全和耐久性。为此，对已出现的裂缝应进行调查检测，以根据裂缝的部位、状况对结构的安全性进行评估并制定对裂缝的处理方案。对于结构水上部分存在的裂缝，通常用肉眼外观检查即可发现。裂缝的宽度可用读数显微镜或裂缝宽度卡测量。裂缝的深度可采用超声法或钻孔压水法进行探测。对于结构水下部分存在的裂缝，通常的外观检查无法进行。潜水检查或水下电视发现细微裂缝较困难，特别是水浑时更是不可能。笔者采用超声法进行探测试验获得成功并已在工程上实测运用。
2、测试原理及方法
根据声学原理[1]可知，声波在传播过程中如遇到不同介质的界面将产生反射和透射。垂直入射到界面的声波声压反射量的大小可以用反射率R表示。
对于两个半无限大介质构成的界面，反射率R由下式计算：
                               R=                                  （1）
这里，z₁、z₂——*、二种介质的的声阻抗或称特性阻抗。Z=r.c，r，介质的密度，c，介质的波速。
至于裂缝，它属于夹层对声波的反射。声波在夹层中往复反射（如图1）。

这种情况下声波声压的反射率R 由下式计算：
                       R=                         （2）
这里，d——夹层的厚度；
      l——声波在夹层中的波长；
      m——两种介质声阻抗之比，m=，z₁为夹层两侧介质的声阻抗，z₂为夹层中介质的声阻抗。
从（2）式中可看到，声波反射率的大小取决于裂缝宽度、裂缝中充填物（空气或水）的声阻抗以及声波波长（频率）的大小。
图2表示反射与这些参数的关系。图中横坐标是夹层厚度与声波频率的乘积。
由于裂缝对声波的反射，当超声发、收换能器之间存在裂缝时，接收换能器所接收到的声信号将大大减小。通过与结构正常部位接收信号幅度的比较可以发现裂缝的存在。当然，如果裂缝中被水充填，则发现裂缝就困难一些。

为了探测水下裂缝，笔者们采用了一发双收的探测方法。如图3所示，将一只发射换能器F与二只接收换能器R₁、R₂组成换能器组(扬州西蜀仪器厂生产JF系列换能器)。换能器组平行于结构表面布置且距表面一定距离。当发射换能器F以扩散角q发出超声波时，其中有一束超声波以水与混凝土的*临界角入射到混凝土表面并沿混凝土表面滑行传播。滑行波传播一定距离后为接收换能器R₁、R₂所接收。用超声仪测量接收信号参数（声时t、振幅A、频率f）。这些参数反映了滑行波传播路径上混凝土的情况。将这一组换能器沿结构表面平行移动，当换能器跨过裂缝时，接收信号将产生变化。
为研究这种方法的可行性，进行了模拟试验。如图4所示，在一混凝土底板上有一条裂缝，在地板上砌一水池，池中灌满水。选择二条测线（1、2），将换能器组沿测线移动测量。每条测线测量11个测点（图4a）。测点位置以二接收换能器R₁、R₂间的中心点为准。采用北京康科瑞公司生产NM型超声仪测读每个换能器所接收到的信号参数，包括声时t（ms）、振幅A（dB）、频率f（kHz）。试验中发现，对于裂缝，声时测值没有明显的规律性变化，故只将参数A和f为纵坐标，以测距为横坐标绘制参数变化图。另外，还增加（A₁-A₂）、（f₁-f₂）二条线。这些参数变化曲线如图4b、c。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 














(a) 模拟试验位置
 
（b）测线1结果


（c）测线2结果
图4 超声测裂缝模拟试验
 
从这些参数的变化可看出：
（1）当接收换能器一跨过裂缝，该换能器所接收的上述参数就有变化，这和预想的情况一致。
（2）频率测值的变化较凌乱，这可能是对接收波取样长度太长（1024点），经FFT分析得到的主频率已不能敏感地反映裂缝的存在。根据以往的研究[2]，接收波前一、二周期的频率是可以反映混凝土中缺陷的存在的。
（3）振幅的变化能反映裂缝的存在。A₁在6点，A₂在5点都明显减小。但仅以单个接收换能器接收的振幅来判断裂缝的存在有二个问题：a）由于发射换能器与接收换能器间有一定距离，当接收换能器一跨过裂缝，接收波振幅即减小，但只要发射换能器还没有跨过裂缝，这种减小就将继续下去。本次测量中5、6二个测点的A₁、A₂值均低就是这种情况造成。这种情况给裂缝的准确定位带来一定困难；b）由于发射换能器与接收换能器之间有一定距离，在接收换能器跨缝后，接收信号的振幅除反映裂缝的存在外，也受发射与接收换能器之间混凝土表面状况的影响。如果以单个R₁或R₂的振幅测值作为判断裂缝的依据而结构表面各处混凝土质量又不一致，甚至有局部破损，那么，不跨裂缝的测值彼此间会有一些波动，这对判断裂缝带来干扰。
（4）为此，笔者们选择两只接收换能器接收信号振幅测值之差，即A₁-A₂作为判断的依据（图4b、c中的加粗折线）。采用A₁-A₂测值判断具有以下两个优点：a）除裂缝所在测点外，其它测点测值基本不变，曲线接近一条水平线变化。这是由于A₁-A₂值使表面状况的影响相互抵消的原因；b）仅仅在裂缝所在测点（5）一处测值发生明显变化，有利于确定裂缝的准确位置。
从试验结果看到，在1、2两条测线上，A₁-A₂测值都是在裂缝位置发生尖峰一样的明显变化，说明上述的探测方法及判断方法对发现水下裂缝是有效的。
 
3、工程实测应用
上海中港水闸是东海边上一座挡潮兼运输的水闸。在对该水闸进行检测评估中怀疑闸底底板是否存在裂缝。由于闸门下游为杭州湾，底板上常年水位在1.5m以上，用常规的方法无法检测。
笔者们采用超声法对水下底板裂缝进行了探测。
图5是该水闸左边孔结构平面位置图。在闸室底板上布置1、2、3三条测线。1、2号测线沿水流方向布置，用于探测垂直于水流方向的裂缝。3号测线垂直于水流方向布置，用于探测平行于水流方向的裂缝。将换能器组放入水下沿测线水平拖动，逐段进行测量。每次测量的间距为40cm，可以覆盖测线上每段混凝土表面。三条测线测量结果示于图6。
从图6看到，3号测线测值（A₁-A₂）无明显变化，表明在该条测线上不存在裂缝。在1、2号测线上则有3处明显的测值峰出现。其中距底板4.8m处是底板的分缝，而在距底板1.1 m和3.0 m处突出的峰则表示该处存在裂缝。这在2号、3号测线上二条测线结果是一致的。根据测试结果判断，左边孔闸室底板存在两条垂直于水流方向的裂缝：一条距闸门1.1m；一条距闸门3.0m。
从测试结果图看，裂缝处测值（A₁-A₂）变化不如模拟试验明显。估计是由于闸底板表面长期遭受冲刷，形成坑塘一类的破损，这类破损不一定在底板各处均匀分布，而表面破损又将影响测值的大小。另外，表面的不平整也使换能器与底板表面的距离难以始终保持一致，这也使得测试结果出现一些波动。相信如果结构表面基本平整，测试结果应当更为明显。


结论
1.用超声波一发双收的测量方法可以探测水下结构表面的裂缝。可以沿水平方向探测水下底板、护坦一类结构的裂缝，也可沿垂直方向探测水下墙体、坝面及桩等结构的裂缝。
2.在处理分析数据时，以两只换能器接收信号的振幅之差作为判断裂缝的依据具有判断准确、明显的优点。
3.超声法探测水下裂缝不受清水浑水影响，一样使用。