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水 利 学 报

2025 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 10 期

文章编号：0559-9350（2025）10-1383-14

基于超声平面波成像的混凝土内部裂缝定量检测方法研究

孙林远 ，黄 昊 1，2 ，刘 洋 ，甄 理 1，2 ，张欣淼 1，2 ，陈改新 1，2，3
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（1. 中国水利水电科学研究院，北京 100038；2. 流域水循环与水安全全国重点实验室，北京 100038；
3. 水利部水工程材料重点实验室（筹），北京 100038）

摘要：针对传统复合平面波成像方法检测混凝土内部裂缝存在较强伪像、裂缝角度检测精度差的问题，本文提出
了一种角度修正复合平面波成像方法，并采用图像识别技术实现了内部裂缝角度及长度的准确检测。首先开展了
混凝土细观模型内部裂缝超声检测的有限元模拟，然后对比研究了传统复合平面波成像方法和角度修正复合平面
波成像方法的检测机理和识别效果，给出了混凝土内部裂缝角度及长度定量检测的识别标准，并证明了所提方法
的正确性，最后分析了骨料粒径、混凝土波速和裂缝深度对角度修正复合平面波成像方法的影响。研究结果表
明，角度修正复合平面波成像方法的检测效果较好；骨料粒径增大虽然会影响该方法的识别精度，但影响较小；
当裂缝深度大于 10 cm 时，该方法仍具备较好的识别效果。本研究可为实际工程中混凝土内部裂缝的定量检测提
供理论基础。
关键词：混凝土内部裂缝；细观结构；角度修正；平面波成像；图像识别
中图分类号：TV39 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20250157

1 研究背景

水工混凝土结构在长期运行过程中常不可避免地出现内部裂缝 ［1-2］ ，在水压力作用下，水通过混
凝土中的孔隙进入内部裂缝，容易形成渗流通道，对结构的整体安全构成严重的威胁。因此，定量检
测混凝土内部裂缝对评估及预测结构的安全状态至关重要。混凝土内部裂缝无损检测一般采用探地雷
达、冲击回波、超声波等方法 ［3-5］ 。超声波法由于操作方便、检测精度高、灵敏度好，在混凝土内部
［8］
裂缝检测方面应用较广 ［6-7］ 。超声波法可分为透射法和反射法 ，透射法需要一对平行的可检测面，检
测要求较高，而反射法只需要单个检测面，超声反射法更适用于大体积混凝土内部裂缝检测。
通过分析反射回波的到达时间、幅值可得到与内部裂缝有关的信息。基于反射回波的超声成像方
法在混凝土内部缺陷检测方面应用广泛，如合成孔径（Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT）和
全聚焦成像（Total Focusing Method，TFM）方法。TFM 是在 SAFT 基础上提出的后处理算法 ［9-10］ ，通过全
矩阵捕获数据（Full Matrix Capture，FMC）对像素点进行相干叠加 ［11］ ，能够生成覆盖率广、高分辨率的
检测图像，被称为无损检测的“黄金标准”，在混凝土内部分层、孔洞、钢筋检测 ［12-13］ 方面取得了较
好的效果。然而，TFM 方法接收来自不同方向目标平面的能量较弱，且受混凝土结构噪音影响较大，
在倾斜裂缝检测方面效果不好，图像对比度差 ［14］ 。逆时偏移成像（Reverse Time Migration，RTM）通过
对正、反波场进行互相关，对倾斜裂缝具有较好的检测效果，但该方法对数值模型的准确度要求较
高，且需要巨大的计算资源 ［15-16］ ，无法适应现场实时检测的要求。平面波成像（Plane Wave Imaging，

收稿日期：2025-03-17；网络首发日期：2025-09-23
网络首发地址：https：/link.cnki.net/urlid/11.1882.TV.20250922.1539.001
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项目项目：中国水科院基本科研业务费项目（SM0145B042021）
作者简介：孙林远 （1997—），博士生，主要从事水工结构检测评估和修补加固研究。E-mail 694330183@qq.com
通信作者：黄昊 （1982—），博士，正高级工程师，主要从事水工结构检测评估和修补加固研究。E-mail：huangh@iwhr.com
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