左伊琦，聂俊波，朱珈葳，魏业文

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

环形钢筋混凝土电杆在我国传统电力系统中发挥着至关重要的作用。目前在乡村地区，环形钢筋混凝土电杆仍支撑整个村落的供电。电杆埋于地下的部分作为电杆的根基，由于常年受土壤的腐蚀和钢绳拉应力的影响，因此随着服役年限的增加往往伴随着杆体混凝土开裂、钢筋腐蚀以及混凝土脱落等现象，导致我国每年都会发生电线杆倒塌事故，如图1所示。巡检工人从陆地上无法观测其损伤情况，所以存在极大的安全隐患。为保障乡村电力系统的稳定，降低经济损失和避免人员伤亡，须定期检测杆体埋地部分，因此高效率且高精度的探伤方法尤为重要。

电杆埋地部分探伤的方法主要包括地下超声波法、地下窥探镜法以及测量尺法。其中，测量尺法包括两种不同的检测方式。一种是将电杆测量尺插入地下检测，当测量尺碰触固体异物时将难以测量，因此无法测量完整埋深；另一种是利用相似性原理通过电杆锥度来估算埋深，算法模型因电杆规格不同而不同。地下窥探镜法和地下超声波法都须借助钻机向电杆四周土壤打孔，为检测装置潜入地下提供通路。其检测设备体积大且需要多名巡检工人同时完成，耗时费力且效率低。

图1 电线杆倒塌事故

文献[1]从具体生产操作、运输、存放以及使用过程中受拉应力的影响，阐述了电杆裂纹的成因及防治方法，但其只是针对电杆裸露部分的检测和防治，具有局限性。文献[2]借助于超声波探伤仪虽然可以大致测定裂缝的深度，但因混凝土不是均质材料，内部有空隙、钢筋以及水分，因此检测结果往往要结合经验作必要的修正。上述对混凝土结构的验伤方法中，忽略了环形钢筋混凝土电杆的特殊性，检测难度较高且效果不佳。

针对埋地电杆的不可见性及其结构的特殊性问题，基于瑞利波的传播特性，提出了电线杆埋地深度及损伤检测方法。本文首先分析了瑞利波在无线半空间弹性介质中的传播特性，其次结合环形钢筋混凝土电杆的裂缝形态与瑞利波传播特性，通过传播时长的突变节点确定电杆埋地深度以及裂缝的种类和深度，最后利用具体的检测器材进行实验[3]。

1 瑞利波的传播特性

瑞利波（后文以R波简称）是一种干涉波，由剪切波和压缩波在无限半空间弹性介质中干涉产生。R波入射频率决定了其穿透深度，低频率R波穿透深度大，高频率R波穿透深度小。在弹性体中，R波的穿透深度h约等于1个波长，即h=λ。R波波速V=R波震动频率f×R波波长λ，即V=fλ。弹性体弹性常数决定R波的波速V，对于工艺良好的混凝土电杆其波速V为定值，穿透深度的大小因入射频率的改变而改变。相对裂缝深度P/λ在0～1/3是R波能量的主要聚集区。当R波传播过程中经历高于相对深度P/λ时，裂缝将反射绝大部分的R波能量[4]。

2 电杆裂缝形态与瑞利波传播特性的结合

本文结合电杆裂缝形态与瑞利波传播特性，以入射频率为横坐标，拾振器检测到折返信号的时长为纵坐标，构建4种传播模型。分别为无裂缝模型、开口面非断续裂缝模型、杆内隐藏裂缝模型以及开口面断续裂缝模型[5]。

2.1 无裂缝模型

高频率R波传播过程中，若未经历开口裂缝，则R波将一直沿电杆纵向延伸，直至端面处折返回大量能量，原路返回后被拾振器监测到信号。图2为无裂缝模型的时间-频率图。

2.2 开口面非断续裂缝模型

高频率R波在传播过程中若经历开口裂缝，那么将h视为无限大，h远大于λ，反射回R波中绝大部分的能量，拾振器提前检测到折返信号。随着R波入射频率的不断减小，当R波穿透深度略大于裂缝长度时，R波恰好能越过裂缝继续沿电杆向地下端面传播，此时信号被拾振器检测到的时长突然变长。图3为开口面非断续裂缝模型的时间-频率图。

图2 无裂缝模型的时间-频率图

图3 开口面非断续裂缝模型的时间-频率图

2.3 杆内隐藏裂缝模型

高频率R波传播过程中若未经历裂缝，那么随着入射频率的减小，拾振器检测到信号的时长在明显缩减后恢复到原传播时长。该种情况表明，高频率R波穿透深度浅时未经历隐藏裂缝，在频率降低后R波经历裂缝，检测时长明显缩减，最后在穿透深度完全越过裂缝后，R波在地下端面处折返被检测到的信号，恢复原时长。图4为杆内隐藏裂缝模型的时间-频率图。

图4 杆内隐藏裂缝模型的时间-频率图

2.4 开口面断续裂缝模型

在钢筋与混凝土界面未紧密贴时容易发生钢筋生锈现象，导致两个贴合面之间有铁锈牵连，使R波传播路径中形成断续裂缝。R波可沿断续贴合面传播，但传播路径变长，因此拾振器检测到信号的耗时变长。图5为开口面断续裂缝模型的时间-频率图。

图5 开口面断续裂缝模型的时间-频率图

3 具体检测方案

通过将结合R波传播特性和环形钢筋混凝土电杆形态，分析4种情况的坐标图，将突变点对应的频率规定为特征频率。根据特征频率即可求得裂缝位置、裂缝深度以及电杆埋地深度[6]。通过如下5个步骤阐述具体的检测方案。

3.1 判断并标记钢筋位置

按照工艺标准环形钢筋混凝土电线杆中的钢筋在圆周内等弧度分布，根据含钢筋数量的不同电杆通常分为包络8根钢筋和包络6根钢筋两种。裂缝主要存在于混凝土与钢筋的结合面附近。用记号笔在离地面约D=30 cm处的电杆表面勾画一个环形等高线，此做法是为了保证R波在每次检测时的传播距离相等。随后用磁铁判断钢筋所在位置并在等高线上作出标记。

3.2 布置拾振器位置

将激振器和拾振器安装于等高线两侧,激振器在上，拾振器在下，而且激振器下端和拾振器上端在距等高线1 cm处。为了保证传播方向和距离的特殊性，方便计算电杆埋地深度及裂缝所处位置。激振器和拾振器间连线须与电杆侧面母线平行[7]。仪器采用混凝土多功能无损检测仪SCE-MATS，结合激振器和拾振器于一体。

3.3 信号的激振与拾振

激振器发出的信号频率从高频率100 kHz开始，每10 ms减少100 Hz，直至截止频率7 kHz。拾振器开始检测信号发生在激振器发出信号tΔ=0.5 ms后。每一个频率检测后，拾振器将该频率f下拾振器检测到折返信号所耗的时长t和频率f传送给处理装置，并在传送完后清除现有数据[8]。处理装置采用电脑。

3.4 检测完所有标记处

每测试完一个等高线上的标记处，就在处理装置中建立时长—频率的折线图。之后按顺序依次检测剩余标记处，直至检测完所有的标记处。

3.5 寻找特征频率并判断埋深与损伤情况

将处理装置接收到的所有折线图导入一个折线图中，与4种裂缝模型图进行比对并寻找特征频率f0，通过公式计算并判断电杆埋深长度与电杆地下损伤情况。其中，裂缝深度h=波速V/（2×特征频率f0），埋深L=波速V×（t+tΔ）/2-等高线距地距离D。

4 实验测试与结果分析

选择GB/T4623—2006中杆长L=10 m的电杆为实验对象，埋地深度为h=L×1/10+0.6。在进行具体检测前，先测得瑞利波在该杆中传播的平均波速为1 168 m/s，随后根据具体检测方案中的5个步骤进行电杆埋深及损伤检测。由检测结果判断电杆埋地段是否存在裂缝，并确定裂缝的性质、深度以及位置[9]。

混凝土多功能无损检测仪SCE-MATS对电杆埋地段损伤情况的检测情况如图6和图7所示。曲线C1表示1号钢筋长度段内混凝土的时频特性曲线。激振器发出信号的频率从高频向低频递减的过程中，拾振器检验到信号的时间大致相同。曲线C1较平滑，表明1号钢筋长度段内混凝土未出现裂缝，混凝土与钢筋贴合紧密，由时间t1平均值2.691 ms计算出电杆埋地长度为1.56 m，相对误差为2.50%。曲线C2表示2号钢筋长度段内混凝土的时频特性曲线。在激振器发出信号的频率从高频向低频递减的过程中，频率ff在25～100 kHz曲线C2较平缓，时间t20平均值为1.212 ms，在特征频率f0=24.33 kHz处曲线发生突变，时间延长为2.71 ms，表明2号钢筋长度段内出现开口裂缝。经计算知，在距离等高线1.09 m处出现2.37 cm的开口裂缝，经打孔取样得在距等高线0.98 m处出现2.24 cm的开口裂缝，相对误差分别为10.09%和5.80%。

图6 无裂缝频率—时间特性曲线1

图7 无裂缝频率—时间特性曲线2

5 结 论

为保障乡村电力系统的稳定，降低经济损失和避免人员伤亡，须定期检测杆体埋地部分。本文提出了基于瑞利波的电线杆埋地深度及损伤检测方法，提升了检测效率，提高了检验精度。通过具体器械进行实验测试和模型比对，结果表明，结合瑞利波的传播特性与环形钢筋混凝土电杆特殊形态，构建无裂缝、开口面非断续裂缝、杆内隐藏裂缝以及开口面断续裂缝4种模型，在判断电杆埋地段是否存在裂缝以及裂缝的性质、深度以及位置等问题上具有可行性，且测量精度较高。此外，该方法操作便捷，可提高电力工人的巡检效率。