一、技术简介

表面波是纵波与垂直极化横波合成的弹性波，在均质弹性半无限空间中由竖向动荷载激发，沿介质表面以椭圆形波面传播，能量集中于约一个波长深度范围内，其传播速度取决于介质弹性常数，与频率无关。若改变波的频率即能改变波的波长。若面波呈正弦振动，可通过相位差公式V=2πfD/ϕ（D为两点间距，ϕ为相位差，f为震动频率）计算波速V。根据波的趋肤效应，高频波传播深度浅（等效深度D=λ/2），低频波传播深。基于此，调节激振频率可控制探测深度。对于均匀混凝土，不同深度波速恒定；若混凝土内部不均匀，波速随深度变化，形成频散特性。稳态表面波法通过改变激振频率，测量对应波速，可逐层扫描混凝土内部特性。裂缝深度检测利用表面波遇裂缝时的频散特性。当波传播至裂缝区域：若波长λ<d（d为裂缝深度），波在缝口发生透射及反射，相对传播路径增加，波受裂缝阻隔；若λ>d，大部分表面波直接绕过缝的顶点继续传播，裂缝对传播路径影响不大。通过降低频率增大波长，当λ=d时，直达波与绕射波叠加，相频曲线出现特征交点，对应特征频率f0。由f0计算λ，即得裂缝深度d=V/f0。该方法通过分析相频特性曲线的差异，精准识别裂缝深度。

二、主要技术指标

表面波在不同深度范围的结构体中传播，波动参数会发生变化，通过调整稳态震源的激震频率来获取不同深度的混凝土参数，实现结构体内部构造逐层扫描，从而实现混凝土质量的检测及诊断，是目前国内解决大体积混凝土建筑物裂缝深度检测的有效技术手段，其主要技术指标如下：（1）表面波激振器激振频率范围：10Hz-10KHz；（2）拾振器频率范围：2Hz-10KHz；（3）检测深度与稳态震源的激震能量有关，深度范围10cm-10m；（4）探测目标：混凝土结构物、岩石基础与沙土结构物；（5）检测不对结构体产生破坏，属无损检测；（6）不受结构体中钢筋、水的影响。

三、社会经济效益、应用情况及适用范围

（1）社会经济效益：大体积混凝土建筑物裂缝深度检测技术及装备由我院自主研发，拥有完全自主知识产权，经专家鉴定，达到国际先进水平，曾获得国家科技进步二等奖。一般情况下，单个测点检测基准费用为3500元，大体积混凝土建筑物裂缝成因复杂，根据现场环境在有缝区和无缝区分别布置测点，检测基准费用需乘以调整系数。一般检测测线长度按10m计，测点间距1m，费用为77000元。该检测系统依托自有资金，前期投入180万元；推广应用期累计投入100万元，已成功在近20个项目推广应用；目前已收回全部投资。通过技术改造和升级，进一步提高检测精度，填补了大体积混凝土检测领域的空白，提升了水工建筑物的安全运行能力，社会效益和经济效益可观。

（2）应用情况：上世纪90年代，首次采用稳态表面波技术参与东风大坝裂缝防治研究，专题通过部级鉴定并获国家科技进步二等奖；利用自研的稳态表面波检测仪检测爆破开挖对三峡大坝坝基的破坏深度及分布情况。2003至2009年，对二滩水电站右岸坝肩裂缝进行检测，掌握了裂缝深度及发展形态。此后，先后成功应用于葛洲坝电厂主廊道及船闸裂缝检测、丰满大坝裂缝检测、枫树坝电站大坝裂缝检测、上海太浦河混凝土岸坡质量检测、陈村电站大坝裂缝检测、普洱地震震损水库安全检测、柬埔寨甘再水电站大坝裂缝检测、齐热哈塔尔水电站厂房底板裂缝检测等近20个大中型水利水电工程，解决了大体积混凝土裂缝检测中的诸多难题，结果准确度高，经济和社会效益显著。

（3）适用范围：在大体积混凝土裂缝及缺陷无损检测领域，针对国内外采用瞬态面波频谱法检测存在的不足，采用稳态单频脉冲波作为激发震源，通过产生单一固定频率的表面波信号来控制表面波波长，从而控制表面波的传播深度，实现对混凝土内部质量的评价，为解决大体积混凝土深层质量无损检测开辟了新途径。该技术是实现大体积水工混凝土无损检测的有效手段，不受结构物中水和钢筋的影响，可推广应用于大体积混凝土建筑物的开口缝、隐蔽缝、有充填物的缝、水平缝等裂缝深度检测，以及大体积混凝土内部缺陷检测、混凝土结构物结合面检测、内部蜂窝和空洞检测、压力钢管灌浆质量检测以及大体积混凝土浇筑质量及内部缺陷检测与诊断。

四、技术图片

图1  稳态表面波裂缝检测布置示意图

图2  稳态表面波裂缝检测技术采集界面

图3  稳态表面波裂缝检测点频率-时间曲线

五、其他

技术持有单位：中国水利水电科学研究院，北京中水科工程集团有限公司

技术联系人：杨玉波，室副主任，13501130696，010-68781727,yangyb@iwhr.com