大体积混凝土结构是桥梁工程、建筑工程、水利工程等现代土木工程中的重要结构，其体积大、施工难度高、水泥水化热难以控制、内部受力复杂，内部经常出现施工冷缝、不密实甚至空鼓等缺陷，需要采取适当的检测方法对其进行检测。

大体积混凝土体积大，常规混凝土无损检测方法如超声回弹法、冲击回波法、雷达法等对其不适用，而钻芯法等有损检测方法难以对大体积混凝土构件进行整体评价。声波CT法在交通和水利行业已得到相对成熟的应用，但声波CT法需要至少两个可测面，才能整体评价大体积混凝土的质量。

下面来介绍一种可用于检测如LNG（液化天然气）储罐基坑（只有一个可接触面）的大体积混凝土结构无损检测新技术——声波散射混凝土扫描成像技术（Cscan）。

Cscan技术的基本原理及特点

Cscan声波散射成像技术是在地震学基础上发展起来的新技术，其以非均匀介质模型为基础，借助散射波对结构界面和介质波速进行成像，实现检测混凝土结构的目的。

对于同一种工程材料，当其密实性和胶结程度不均匀时，如存在松散、空鼓等情况，会出现局部的弹性波阻抗异常区。这些弹性波阻抗异常区是散射源，在冲击波的激励下会产生散射波。Cscan技术原理如图1所示。弹性波阻抗差异越大，散射波能量越强。通过接收的到散射波走时和幅值可对异常区的位置和形态进行精细成像，从而确定混凝土内部缺陷的位置。弹性波会在尺寸远远大于波长的弹性波阻抗差异界面形成反射，这是反应介质分层特性最直接的指标，是物探解释的主要依据。通过定位混凝土构件的底部强反射界面，可确定混凝土构件的底界面位置，这是检测的物理基础。声波散射成像技术已成功应用于风电塔基础混凝土的质量检测中。

图1 Cscan技术原理示意 

Cscan现场采集

Cscan混凝土检测设备如图2所示。

图2 Cscan混凝土检测设备

Cscan法的数据采集方案主要基于散射波的特点与数据处理技术的要求来制定，与反射法的采集方案截然不同。Cscan法需要突出混凝土内部的局部异常，重点解决每个数据近激发点下的结构特征。检波器间距和炮间距关系到结果的横向分辨率，工作频率关系到纵向分辨率，因此需要采取“小间距、短排列、高频率”的采集方式。

Cscan单测线采集方式如图3所示，通常使用32道检波器拖缆，间距为25 cm进行信号接收，激发方式为50 cm偏移距激发，震源检波器同步滚动，每次滚动步长为50 cm。因为在单个数据中道数越多越容易进行同相轴追踪，所以使用检波器拖缆接收信号，进而易于方向滤波，同样保证了排列长度大于1/4波长，防止出现假频。虽然使用检波器拖缆的效率比使用独立检波器的效率高，但需要采用隔声材料（如隔音棉等）包裹拖缆以减少干扰波的影响。

图3 Cscan单测线采集方式示意

Cscan数据处理

数据处理流程：

① 根据直达波走时，进行时间校正；

② 调整时间增益，增强深部数据；

③ 进行带通滤波，滤除低频和高频干扰；

④ 进行方向滤波，滤除干扰波；

⑤ 进行波速扫描，确定混凝土构件的波速结构；

⑥ 进行合成孔径偏移成像，对混凝土构件内部进行成像；

⑦ 对偏移图像进行工程解释。

方向滤波技术：

滤波是散射数据处理中最为重要的环节之一，行之有效的是以下3种二维滤波技术：F-K、T-P与双曲Radon变换。其相互之间的关系如图4所示（τ为斜率；p为截距；ω为角频率；v为波速）。

图4 二维滤波技术及其相互关系

前两种技术是线性滤波技术，功能类似，都是根据视速度差异滤除直达波、面波等具有线性走时特征的信号干扰。双曲Radon滤波技术功能更加强大，除了能滤除线性走时的干扰波，还可以滤除多次波，是常用的滤波方法。利用双曲Radon变换，将时间-空间域原始信号转变成时间-波速域数据，再根据混凝土波速确定滤波参数（一般大于2000 m/s），最后进行双曲滤波。现场采集混凝土内反射波/散射波的原始信号及双曲滤波后的信号如图5和图6所示。

图5 混凝土内反射波/散射波的原始信号

图6 原始信号双曲滤波后的信号

速度扫描技术：

对滤波后的数据进行速度扫描，反演出激发点下方混凝土的波速分布，重建混凝土构件内的波速分布。混凝土构件的二维波速扫描结果界面如图7所示，极值点能量强表示存在强反射/散射界面。黑色极值点（图中十字所标注的点）表示弹性波阻抗差为正，即极值点所在界面为增速界面，反之为减速界面。极值点的选择方式为自动+交互(算法自动拾取与手动选点结合)。

图7 混凝土构件的二维波速扫描结果界面

偏移成像技术：

采用合成孔径成像技术，使用相关域内的观测数据与二维波速扫描给出的偏移速度，重建地质异常体的空间图像，展现混凝土内的界面位置与异常体形态。

工程解释要点

Cscan技术得到的结果是空间域的偏移图像与波速图像。偏移图像是对混凝土构件内部不均匀性界面的弹性波阻抗差异大小的成像。偏移图像的工程解释遵循如下原则：

1 偏移图像内的红蓝条纹表示混凝土内存在波阻抗差异界面。条纹数量少，表示结构均匀，条纹多表示结构均匀性差。条纹的位置就是混凝土内界面的位置，条纹颜色越深，表示波阻抗差异越大。

2 红色条纹表示正反射，说明相比于界面上部介质，下部介质的波阻抗高，波速大，密实性好，弹性模量高，刚性强。

3 蓝色条纹表示负反射，说明对应界面下部介质相比于上部介质，其波阻抗低，波速低，密实性差，弹性模量低，刚性弱。

4 组合的蓝红条纹表示条纹部位混凝土不均匀、欠密实。

波速图像主要反映介质的物理力学性能状态，波速高的混凝土坚硬，承载力大；波速低的混凝土松软，承载力小。判断混凝土是否存在空洞、不密实、裂缝带等缺陷的主要依据是低波速异常。混凝土纵波波速与混凝土的标号存在正相关关系。检测结果的工程解释以偏移图像为主，以波速图像为辅，一般情况下两者得出的结论是一致的，可以互相验证。

现场应用及验证

对某下沉式LNG储罐基坑进行混凝土密实性检测。该大体积混凝土构件为圆柱体，直径100米，高3.8~4.3米。检测时储罐外圈有结构物正在施工，无法检测最大直径的位置。储罐基坑混凝土密实性检测测线布置如图8所示。

图8 储罐基坑混凝土密实性检测测线布置示意

储罐基坑混凝土测线偏移图像如图9所示，分析图9可得到以下结论：

1 出现在水平距离为0~7米与89~96米，深度为3.8米附近和水平距离为7~89米，深度为4.3米附近的黄色条纹是基坑混凝土结构的底部界面。

2 混凝土底部界面清楚，中部厚约4.3米，两侧减薄，厚度与设计值基本一致。

3 水平距离为0~28米，深度为2.5~4.0米处存在断续的红、蓝条纹，表明混凝不均匀，存在结构差异较大的界面。推断或为骨料粒度过大、或为振捣不足所致。

图9 储罐基坑混凝土测线偏移图像

储罐基坑混凝土剖面波速图像如图10所示。分析图10可得到以下结论：

1 剖面内混凝土波速为1900~3700 m/s，均匀性较差；现场分几个位置进行浇筑，浇筑的位置波速高，上下均匀，浇筑位置间的混凝土波速较低（1900 m/s），以深蓝色表示。

2 水平距离为45~55米的中心范围内，从上到下混凝土波速偏高，达2800~3700 m/s。

3 水平距离为0~28 m处，波速差异大，表示混凝土欠均匀，离散度较大，与偏移图像得到的结论一致。

图10 储罐基坑混凝土剖面波速图像

为验证检测结果，在水平距离为3米处钻取芯样，芯样长度为2.9米，如图11所示。该芯样整体质量较好，但芯样在距表面2.53米处断为两截，且在2.53~2.90米深度范围内存在小气孔和垂直状裂缝，与Cscan检测的结果基本一致。

图11 钻取芯样的外观

结语

Cscan声波散射成像技术具有以下特点：

① 可在单一测面进行检测，适用于只露出一个检测面且检测距离较深的大体积混凝土构件；

② 采用方向滤波技术可滤除干扰波，抗干扰能力强；

③ 采用时间-波速域二维扫描技术，可确定混凝土构件内部的波速结构；

④ 采用偏移成像技术，将反射、散射界面绘制在图像中，能更直观地展示混凝土构件内缺陷的位置与形态。

LNG储罐基坑混凝土的检测结果表明，Cscan技术检测结果准确，可供检测人员参考。

作者：李学聪1，刘柘锐2，李磊2，李东峰2，刘书铭1，姚琦发3，蒋辉3

工作单位：1. 北京城建设计发展集团股份有限公司

2. 国家管网集团深圳液化天然气项目经理部

3. 北京同度工程物探技术有限公司

第一作者简介：李学聪，高级工程师，主要从事轨道交通领域的工程检测、评估工作。

来源：《无损检测》2022年7期