基于Cscan技术的LNG储罐基坑混凝土密实性检测

在桥梁工程、建筑工程、水利工程等现代土木工程中，大体积混凝土往往是其中重要的结构部件radon变换。由于结构体积大、施工难度高、水泥水化热难以控制、内部受力复杂等因素，大体积混凝土施工质量难以保证,其内部经常出现施工冷缝、不密实甚至空鼓等缺陷。因而大体积混凝土内部质量评价成为质量控制环节的焦点，采取适用的检测方法对其进行检测，并及时处理，就显得十分关键。国内外众多专家、学者对大体积混凝土的缺陷类型、缺陷形成机理等方面进行了大量研究，但检测手段十分有限，值得深入研究、探讨。

由于大体积混凝土其结构体积较大，常规混凝土无损检测方法，如超声回弹法、冲击回波法、雷达等，对其不适用radon变换。而钻芯法等有损检测方法，由于采用抽检形式，其结果为“一孔之见”，难以对大体积混凝土构件进行整体评价。声波CT法作为大体积混凝土的检测方法在交通和水利行业已经有成熟的应用，但声波CT也有其局限性。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质量。

Cscan法基本原理及特点

Cscan声波散射成像技术是在地震学中散射、反射基础上发展起来的新技术radon变换。它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，实现对混凝土结构精细检测的目的。同一种工程材料，当其密实性和胶结程度等存在不均匀性时，如存在松散、空鼓等情况，会出现局部的弹性波阻抗的异常区。这些弹性波阻抗差异界面，以及材料不均匀性引起的弹性波阻抗异常区，都是散射源,在冲击波的激励下散射源会产生散射波，如图1所示。弹性波阻抗差异越大，散射波能量越强。通过接收到的散射波的走时、幅值，可对异常体的位置、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，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的基础混凝土质量检测。

Cscan声波散射成像技术是新型的无损检测技术，该技术具有以下特点：1.可在单一可测面进行布置，适用于众多只出露一个检测面且探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，更直观地展示混凝土构件内缺陷的位置与形态radon变换。

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2 Cscan现场采集

2.1 Cscan混凝土检测设备

采用北京同度工程物探技术公司开发的混凝土通用检测仪，以及专用的检波器拖缆，如图2所示radon变换。

2.2 Cscan观测方案

数据的采集方式服从与处理技术radon变换。Cscan法的数据采集方案主要是基于散射波的特点与数据处理技术的要求，与反射方法截然不同。传统的地震反射的数据采集是基于多次叠加的需要，布置大间距、长排列，多次覆盖的观测方案。通过多次覆盖消除局部异常，突出平缓趋势界面。而Cscan法是要突出混凝土内部的局部异常，每个数据重点解决近激发点下的结构特征。检波器间距和炮间距关乎到结果的横向分辨率，工作频率关乎到纵向分辨率，因此需要采取小间距、短排列、高频率的采集方式。

通常使用32道检波器拖缆，间距25cm进行接收，50cm偏移距激发，震源检波器同步滚动，每次滚动步长50cm，如图3所示radon变换。使用检波器拖缆接收信号，是由于在单个数据中道数越多越容易进行同相轴追踪，进而易于方向滤波；也是为了保证排列长度大于四分之一波长，防止出现假频。虽然使用检波器拖缆效率比独立检波器高，但是需要采用隔声材料（如隔音棉等）包裹以减少干扰波的影响。

图3CScan单测线采集方式示意图

3 Cscan数据处理

3.1 数据处理流程

1.根据直达波走时，进行时间校正；2.进行时间增益，增强深部数据；3.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radon变换。

3.2 方向滤波技术

地震散射波中伴随有各种干扰，如声波、面波、多次波以及环境噪声等radon变换。滤波是散射数据处理中最为重要的环节之一，行之有效的滤波技术是下列三种二维滤波技术：F-K、T-P与双曲Radon变换，其相互之间关系如图4所示。前两种都是线性滤波技术，技术功能类似，根据视速度差异滤除直达波、面波等具有线性走时特征的干扰。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，因而它是经常采用的主要滤波手段[25]。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（一般为大于2000m/s），最后进行双曲滤波，如图5、6所示，可滤多次波和干扰波，突出反射、散射波。

图4二维滤波技术及其相互关系

图5 原始数据

图6 滤波后数据

3.3速度扫描技术

由滤波后数据，进行速度扫描，反演出激发点下方混凝土的波速分布，从而重建混凝土构件内的波速分布radon变换。图7为散射/反射强度成像，纵坐标是零偏移距的双程时，横坐标是界面的偏移速度，能量强的极值点表示存在强反射/散射界面。时间与速度的乘积的一半是深度。黑色极值点（图中十字所标注的极值点）表示弹性波阻抗差为正，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 二维波速扫描

3.3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α的空间图像，展现混凝土内的界面位置与异常体形态radon变换。合成孔径成像偏移成像公式:

4 Cscan检测结果的工程解释要点

Cscan技术得到的结果是空间域的偏移图像与波速图像radon变换。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radon变换。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，条纹颜色越重，表示波阻抗差异越大；

2.红色条纹表示正反射radon变换，表示界面下部介质比上部介质的波阻抗高，波速增大，密实增强，弹性模量增高，刚性增强；

3.蓝色条纹表示负反射radon变换，对应界面下部介质比上部介质的波阻抗低，波速变低，密实性变差，弹性模量降低，刚性变弱；

4.蓝红条纹的组合，表示条纹部位混凝土不均匀、欠密实radon变换。

波速图像主要反应介质的物理力学性状，波速高的混凝土坚硬，承载力大；波速低的混凝土松软，承载力差radon变换。判断是否存在空洞、不密实、裂缝带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有正相关的关系，具体对应关系在《混凝土结构无损检测与故障处理及修复加固技术手册》的混凝土强度及力学指标与实验资料表格中有记录[26]。探测结果的工程解释中，以偏移图像为主，以波速图像为辅。一般情况下两者是一致的，可以互相验证。根据上述原则，对声波散射探测结果进行工程解释，对混凝土结构的质量做出评价。

5 现场应用及验证

于2022年1月22日在某液化天然气应急调峰站项目接收站工程下沉式LNG储罐基坑进行混凝土密实性检测radon变换。该大体积混凝土构件为圆柱体，直径100m，高度3.8~4.3m，其结构如图7所示。检测过程中外圈有结构物正在施工，无法检测径的位置，现场采集布置如图8所示。

图8基坑结构示意图

图9 试验测线NS布设示意

图9所示的偏移图像中，横坐标为水平坐标，纵坐标为深度坐标，表示从储罐基坑混凝土上表面（0m）向下距离radon变换。检测结果显示：

1.在横坐标范围0-7m与89-96m，深度3.8m附近和横坐标范围7-89m，深度4.3m附近的黄色条纹，是基坑混凝土结构的底部界面radon变换。

2.混凝土底界面清楚，中部厚4.3m左右，两侧减薄，厚度与设计基本一致radon变换。

3.横坐标范围0-28m，深度2.5-4m范围内存在断断续续的红、蓝条纹，表示混凝不均匀，存在结构差异较大的界面，不密实radon变换。推断或因骨料粒度过大、或因振捣不足所致。已在图中用红色虚线框圈定了其位置。

图10所示的速度剖面图像中，横坐标为水平坐标，纵坐标为深度坐标radon变换。图像的色标表示混凝土内部的波速分布情况。红色表示高波速，混凝土坚硬，蓝色表示低波速，混凝土松软。检测结果显示：

1.剖面内混凝土波速分布在1900-3700m/s范围内，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，浇筑位置之间波速较低1900m/s，以深蓝色表示radon变换。

2.测线坐标45-55m的中心范围内radon变换，从上到下混凝土波速偏高，达到2800-3700m/s；

3.对应偏移图像中反应出有问题的里程0-28m，波速差异大radon变换。速度剖面内混凝土波速分布在1900-3700m/s范围内，表示混凝土欠均匀，离散度较大。

为验证检测结果，在测线坐标3m处钻取芯样，芯样长度为2.9mradon变换。该芯样整体质量较好，但芯样在距表面2.53m处断为两截，且在2.53-2.9m深度范围内存在小气孔和垂直状裂缝，与Cscan的检测结果基本一致，如图12所示。

图10 测线NS偏移图像

图11测线NS速度剖面图像

图12测线取芯芯样（2.5-2.9m处）