聲波穿透在大壩混凝土裂縫檢測中的應(yīng)用

徐 波,韓道林,樓加丁

(1.四川省武都水利水電集團公司,四川綿陽,621002;2.貴陽勘測設(shè)計研究院,貴陽,550081)

在水工建筑物中,混凝土所產(chǎn)生的裂縫對工程安全性及功能性都有較大的影響。大壩壩體裂縫對大壩的防滲及安全性都存在隱患。為保證混凝土建筑安全、確保工程質(zhì)量,對所產(chǎn)生的混凝土裂縫一般都需處理。對非重點部位或較淺的混凝土裂縫,工程中首選表面涂抹、表面貼補法或用修補材料直接填充裂縫。該處理方法簡單、成本較低、處理速度快;對重點部位或較深的混凝土裂縫,一般采用普通水泥灌漿、濕磨細水泥灌漿或化學(xué)灌漿等方法。該類方法不受裂縫深度限制、處理方法成熟及處理后的質(zhì)量可靠。處理前準確測定裂縫深度是制定各類處理方案的重要依據(jù),也是保證裂縫處理到達預(yù)期效果的前提。本文以四川武都水庫大壩壩體混凝土裂縫的檢測為例,介紹聲波穿透在混凝土裂縫處理前后檢測中的應(yīng)用。

1 檢測方法

聲波穿透法是采用脈沖波在同等狀態(tài)的混凝土中傳播,測試聲波在混凝土中的波速、首波振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對變化,判斷混凝土中的缺陷及其發(fā)育深度。

聲波波速是反映混凝土完整性及強度的最重要參數(shù),它與混凝土的致密程度及骨料的粗細有較強的相關(guān)性。相同材料組成的混凝土,其內(nèi)部越致密、孔隙越低,則聲波波速越高,強度越大,否則相反。此外,混凝土的聲波波速還受混凝土的澆筑質(zhì)量、配合比、齡期、溫濕度、硬化環(huán)境及施工工藝的綜合影響。

聲波波幅是反映聲波在混凝土中衰減程度的重要指標。同等狀態(tài)的混凝土,聲波的幅值越低,表明混凝土對聲幅的衰減就越大,混凝土質(zhì)量就越差。由于聲波的衰減和散射衰減的增大,使得接收波幅明顯下降,聲波波幅成為判斷微小缺陷的重要參數(shù)。因此,根據(jù)混凝土中聲波衰減的幅值可判斷混凝土中是否存在裂縫、離析區(qū)、夾泥、蜂窩等缺陷。實際測試工作也證明,聲波振幅對混凝土小的缺陷區(qū)反應(yīng)比聲波波速值更為敏感。

聲波脈沖具有寬帶頻波,頻率成份相當(dāng)豐富。聲波脈沖穿過混凝土后,各頻帶成分的衰減程度不同,通常情況高頻部分比低頻部分衰減嚴重,并導(dǎo)致接收信號的主頻向低頻端漂移,其漂移多少取決于混凝土質(zhì)量的好壞程度與混凝土缺陷的類型。因此,聲波頻率也是判斷微小缺陷的一個重要的參考量。

2 檢測布置

為了準確測定混凝土中裂縫的深度及其產(chǎn)狀的變化情況,一般在裂縫的兩端附近及中間部位分別布置一組鉆孔,每組聲波穿透鉆孔為3個(如圖1中的ZK1、ZK2、ZK4),必要時在裂縫上增加一個鉆孔進行鉆孔錄像(如圖1中的ZK3)。3個聲波穿透孔,可完成2對聲波穿透。其中,一對為垂直裂縫走向,另一對為平行裂縫走向,且兩對孔間距保持一致,以便對存在裂縫時聲波透射的波速、波幅、振動頻率進行比較。

圖1 裂縫檢測鉆孔布置

3 判斷方法

3.1 聲波波速在聲波穿透測試中,聲波聲速反映的是兩個鉆孔之間混凝土的平均波速?，F(xiàn)場試驗可知,當(dāng)孔間距大于1.5m時,聲波波速對混凝土裂縫反映不明顯;當(dāng)孔間距小于1.5m時,聲波波速對混凝土裂縫反映明顯,可作為混凝土裂縫判斷的主要依據(jù)。如圖2,孔間距為1.3m聲波穿透實測波速曲線圖,從波速變化情況上判斷該處混凝土裂縫深度為2.3m。圖3,孔間距為2.0m聲波穿透實測波速曲線圖,從該圖的波速變化情況,難以準確判定該處混凝土裂縫深度。

3.2 聲波波幅

由于聲波波幅大小不僅取決于混凝土本身的性能、質(zhì)量,還與換能器(靈敏度、頻率及頻率特性)、儀器等一系列非缺陷因素以及換能器與混凝土的都聲耦合狀態(tài)有關(guān)。為使波幅值能相對地反映混凝土性質(zhì)、質(zhì)量,在波幅測量中必須保證測量系統(tǒng)因素的一致性,以保證波幅的相互可比性。一般在測試中宜做到以下幾點:①保持測試系統(tǒng)狀態(tài)的一致性;②保持測試參數(shù)不變;③換能器與混凝土之間的耦合狀況的一致性;④在運用波幅作相對比較時,保持相同孔間距和相同測試角度。

3.3 聲波頻率

聲波脈沖是復(fù)頻波,具有多種頻率成分。當(dāng)聲波穿過混凝土后,各頻率成分的衰減程度不同,高頻部分比低頻部分衰減嚴重,因而導(dǎo)致接收信號的主頻向低頻端漂移,其漂移多少取決于衰減因素嚴重程度?？梢?接收波主頻率實質(zhì)上是介質(zhì)衰減作用的一個表征量,當(dāng)遇到裂縫時,由于衰減嚴重,使接收波主頻率明顯降低。因此,在判斷混凝土裂縫深度時,聲波頻率也是一個重要的參考量(如圖6所示)。

圖6 完整混凝土的聲波頻譜分布

圖7 有裂縫的混凝土的聲波頻譜分布

綜上所述,在判斷混凝土裂縫深時,應(yīng)綜合分析以上三個參數(shù)。經(jīng)施工處理混凝土裂縫時鉆孔揭露出的裂縫證實,混凝土裂縫測定的深度與鉆孔揭露出的深度相當(dāng)吻合,相對誤差可控制在±10cm以內(nèi)。

4 工程實例

4.1 工程概況

武都水庫位于四川省江油市境內(nèi)的涪江干流上,樞紐由碾壓混凝土重力壩與壩后式廠房組成,最大壩高120.14m,壩頂高程660.14m,正常蓄水位658m,總庫容5.72×108m3,裝機容量150MW。5.12汶川8.0級大地震,對在建的武都水庫大壩及建基面巖體造成不同程度的影響,出現(xiàn)了91條裂縫,最長的可達59.2m。按照國務(wù)院發(fā)布的汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建條例和水利部支援四川震損水庫應(yīng)急除險方案設(shè)計指導(dǎo)小組專家和水規(guī)總院領(lǐng)導(dǎo)意見,須對大壩混凝土裂縫深度及延伸范圍進行檢測,為大壩震后設(shè)計處理提供資料。

本工程裂縫深度檢測主要采用聲波透射法,必要時輔以鉆孔錄像。為了節(jié)約投資,應(yīng)對裂縫深度進行評估,評估時應(yīng)考慮到混凝土澆筑層面厚度、該層與下一層澆筑的時間差、及以往檢測同部位時混凝土的裂縫深度。所布置的鉆孔深度應(yīng)大于估計裂縫深度,根據(jù)測試情況調(diào)整孔深。本工程完成了91條裂縫檢測,檢測出裂縫的最大深度為11.4m。在檢測時初步設(shè)計鉆孔深度為2m～8m,如經(jīng)檢測裂縫深度大于所鉆孔深度再增加孔深,最大檢測鉆孔深度達13.0m;聲波穿透孔間距,一般控制在1.5m～2.0m。本文以18#壩段585m高程層面裂縫檢測及20#壩段595m高程層面裂縫灌漿處理后質(zhì)量檢測為例,淺談聲波穿透在裂縫檢測中的運用。

4.2 檢測成果

4.2.1 灌前裂縫深度檢測

本工程18#壩段高程585m層面新增3條裂縫。其中,1條編號為18XF1(見圖8),共布3組檢測孔,共12個鉆孔對該裂縫進行檢測。其中,(18-X11)～(18-X12)為跨縫穿透,(18-X9)～(18-X12)為背景孔穿透,實測波形圖見圖9、圖10(3.0m以上部分);波幅及波速變化見圖11、圖12;波幅及波速分段統(tǒng)計見表1。從波形圖、波幅及波速變化情況綜合分析可知,在孔深1.6m以上,波幅明顯變低,由于孔間距為2.0m且裂縫寬度較細,聲波波速反映不明顯,綜合判斷該處裂縫的深度為1.6m。通過對該裂縫所布置的3組鉆孔檢測,分別得出每組跨縫對穿孔間的裂縫深度,結(jié)合3處裂縫深度可推測該裂縫的變化趨勢(見圖13)。

表1 聲波穿透裂縫檢測聲波穿透平均振幅、波速統(tǒng)計

圖13 裂縫深度變化趨勢示意

通過對聲波穿透綜合分析所得出裂縫深度,與裂縫處理時所鉆一排φ275mm大孔揭露的裂縫深度進行了對比,對比結(jié)果見表2。從表2中可以看出,由于裂縫處理孔與檢測點的位置不同,與測點附近的鉆孔對比,裂縫的深度有誤差。因此,綜合利用聲波的波速、波幅、頻率綜合判斷裂縫的深度精度是相當(dāng)高的。

表2 聲波穿透檢測裂縫深度與鉆孔取芯揭露深度對比

4.2.2 灌后裂縫深度檢測

為正確評價混凝土裂縫,采用CW化學(xué)灌漿處理后的效果,對本工程20#壩段LV裂縫灌后質(zhì)量做了檢測。檢測方法采用裂縫上取芯,同時對原跨縫檢測聲波穿透孔進行了原位測試。裂縫灌后鉆孔取芯芯樣見圖14。從圖14上可見,采用CW化學(xué)灌漿后,混凝土裂縫充滿了漿液,膠結(jié)密實。聲波穿透測試以LVZK 13-15為例,灌前裂縫深度為7.3m,灌前、灌后波速、波幅對比見圖15。從圖15波速曲線上看,灌后波速值略有提高,平均值接近完整混凝土波速值;從振幅曲線上看,孔深0.0m～5.4m,波幅值接近完整混凝土值,反映灌漿效果優(yōu)良;孔深5.4m～7.3m,波幅值提高后與完整混凝土的波幅值有小的差距,反映該段灌漿效果不如孔深0.0m～5.4m段好。

圖14 灌后裂縫取芯照片

圖15 聲波穿透灌前、灌后對比

5 結(jié)語

用聲波穿透法檢測混凝土裂縫,能準確測出混凝土裂縫的深度,具有精度高、工期短、成本低等優(yōu)點。隨著工程建設(shè)中混凝土的大量運用,受各種因素的影響,裂縫的產(chǎn)生是難以避免的,在進行工程安全的評價及混凝土裂縫處理前,準確測定混凝土裂縫深度顯得非常必要。因此,聲波穿透測試必將發(fā)揮更大的作用。

〔1〕陳 凡等.基樁質(zhì)量檢測技術(shù).中國建筑工業(yè)出版社,2003.

〔2〕崔春林.單平面法在大體積混凝土裂縫檢測中的應(yīng)用.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2004.

〔3〕龔召然.水工混凝土溫控與防裂.北京,中國水利水電出版社,1999.

〔4〕中華人民共和國國家標準.普通混凝土力學(xué)性能試驗方法(GB/T50081-2002).中國建筑工業(yè)出版社,2002.