表面波無損檢測技術(shù)在五強溪船閘裂縫深度檢測中的應(yīng)用探討

陳冬勇

（五凌電力有限公司，湖南 長沙410004）

1 工程概況

五強溪水電站位于湖南省沅陵縣境內(nèi)沅水干流上，是一座以發(fā)電為主、兼有防洪、航運等綜合效益的大型水電工程。壩址以上控制流域面積83800km2，正常高水位108m，水庫總庫容42.9億m3，為季調(diào)節(jié)水庫。電站總裝機1 200 MW。

三級船閘由上游引航道、上游進水口、閘首（4個）、閘室（3個）、下游泄水口和下游引航道等11部分組成，呈直線型布置，全長達1.66 km，其中船閘主體結(jié)構(gòu)長531.0 m。各閘首有效尺寸為130 m×12 m×2.5 m（長×寬×檻上最小水深），設(shè)計水頭分別為37.7 m、27.7 m和24.0 m。

運行中發(fā)現(xiàn)船閘一閘室開合度超設(shè)計值，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)閘室地板及輸水廊道出現(xiàn)大量裂縫。目前，混凝土裂縫深度無損檢測手段主要有超聲波平測法和表面波法，其中超聲波平測法有效檢測深度僅為0.5 m，而表面波法有效檢測深度可達數(shù)米，且具有受混凝土內(nèi)鋼筋影響小等優(yōu)點。為查明船閘混凝土裂縫深度發(fā)展性狀，使用RL-2000系列表面波檢測設(shè)備，采用表面波法對船閘一、二閘室底板和輸水廊道底板若干裂縫的深度進行檢測。

2 檢測原理

表面波是縱波和垂直極化的橫波的合成波，它包括三種波型的波（R波、Lamb波、Love波）。R波在半無限勻介質(zhì)彈性體內(nèi)傳播，它的傳播速度VR與振動頻率f之間關(guān)系如下：

其中：VR是表面波的傳播速度；λR是表面波的波長；f是表面波的頻率。

因此在已知介質(zhì)中，改變振動頻率即能改變表面波的波長。在有衰減的介質(zhì)中（如混凝土、巖石、砂土），表面波的等效傳播深度D一般為半波長深度，若改變表面波的頻率，表面波的等效傳播深度也隨之改變，因此表面波在非均勻介質(zhì)中傳播將具有明顯的頻散特性，目前表面波法勘探或無損檢測就是利用表面波的頻散特性。表面波法檢測裂縫深度時，利用穿透裂縫的表面波的頻散特性檢測混凝土中開口裂縫的深度，根據(jù)不同頻率表面波的相位差檢測有充填物的裂縫深度，通過分析表面波經(jīng)過裂縫群形成的散射場檢測其中最深的裂縫深度。見圖1。

圖1 表面波遇縫的傳播機理示意圖Fig.1 Propagation of surface wave as encounter of crack

3 檢測設(shè)備

本次裂縫檢測采用RL-2000系列表面波無損檢測儀器，該儀器、由信號發(fā)生器、功率放大器、表面波激振器、拾振器、信號處理器、便攜式工控機等組成。用于檢測混凝土裂縫深度時，信號發(fā)生器、功率放大器及表面波激振器組成發(fā)射系統(tǒng)向混凝土發(fā)射不同頻率的表面波信號，由拾振器、信號處理器及微機組成接收系統(tǒng)，對表面波信號進行拾取、放大、A/D轉(zhuǎn)換以及有用信息的提取、分析計算并輸出結(jié)果。現(xiàn)場儀器布置示意圖見圖2。

圖2 儀器的現(xiàn)場布置示意圖Fig.2 Layout of the instruments

4 檢測方法和檢測結(jié)果

4.1 檢測方法

現(xiàn)場檢測時，根據(jù)現(xiàn)場情況在每個測區(qū)布置一條無縫區(qū)測線和一條有縫區(qū)測線，在每條測線上依次布置一個表面波激振器和兩個拾振器，兩條測線的表面波激振器可共用。測試時，表面波激振器從高頻（20 000 Hz）到低頻（300 Hz）發(fā)射表面波信號，利用兩個拾振器檢測傳播到接收點的各頻率表面波信號，逐步調(diào)低表面波頻率以加大測試深度，直至有縫區(qū)測量的表面波頻散曲線和無縫區(qū)測量的表面波頻散曲線相交后結(jié)束。

根據(jù)船閘現(xiàn)場條件并結(jié)合一閘室有限元模擬計算裂縫情況（圖3），選擇27個典型測區(qū)檢測裂縫深度。其中一閘室廊道底板布置15個測區(qū)（C1～C15，其中C5、C7為裂縫群），一閘室底板布置2個測區(qū)（C16、C17）；二閘室廊道底板布置8個測區(qū)（C18～C25），二閘室底板布置2個測區(qū)（C26、C27）。各測區(qū)每條測線上的兩只拾振器間距均為1.0 m。檢測儀器現(xiàn)場情況見圖4。

圖3 一閘室模擬計算裂縫分布圖Fig.3 Simulation of cracks distribution of chamber 1

圖4 檢測儀器現(xiàn)場布置情況Fig.4 Layout of the testing instruments

4.2 檢測結(jié)果

一閘室廊道底板C1測區(qū)中C0為無縫區(qū)的相頻特性曲線，C1為有縫區(qū)的相頻特性曲線，表面波振的特征頻率fo為2 000 Hz，表面波在兩拾振器之間的傳播時間Δt為442μs，由此計算得到表面波的傳播速度VR為2 262 m/s。根據(jù)表面波檢測裂縫深度的原理計算，該處的裂縫深度為0.56 m。

同理，根據(jù)C2～C15及C18～C25測區(qū)的檢測結(jié)果計算各部位的裂縫深度，計算結(jié)果見表1，其中一閘室廊道底板C11、C12測區(qū)的相頻特性曲線見圖5。

根據(jù)一閘室底板C16、C17測區(qū)和二閘室底板C27測區(qū)的無縫區(qū)相頻特性曲線和有縫區(qū)相頻特性曲線，結(jié)合閘室底板結(jié)構(gòu)特點和Lamb波在板狀結(jié)構(gòu)物中的傳播原理分析，該三個測區(qū)的裂縫均已裂穿閘室底板。

圖5 C11、C12測區(qū)表面波相頻特性曲線圖Fig.5 Phase-frequency characteristic of the surface wave in C11and C12detection area

由于二閘室底板C26測區(qū)表面附近有兩個臨空面，不能近似看作半無限平面空間，而是一個有兩個面并存在固定邊界的結(jié)構(gòu)面，在此類結(jié)構(gòu)物表面?zhèn)鞑サ谋砻娌長amb波，其傳播等效深度要根據(jù)Lamb中So波振幅特性方程來計算，并由此計算得到該測區(qū)的裂縫深度為1.46 m。

表面波無損檢測結(jié)果表明一、二閘室底板局部已裂穿，閘室輸水廊道的裂縫深度為0.3～2.4 m，檢測結(jié)果與有限元模擬計算成果基本吻合。選取其中13個測區(qū)采用超聲平測法或鉆孔法檢驗裂縫深度，與表面波無損檢測結(jié)果基本一致（見表1）。

5 結(jié)語

本次表面波法應(yīng)用實例說明，表面波無損檢測技術(shù)在檢測復(fù)雜條件下的大體積混凝土深裂縫深度方面具有優(yōu)越性，隨著其應(yīng)用的不斷深入和推廣，可能成為該領(lǐng)域一種比較有效的檢測手段。

表1 不同方法檢測部分測區(qū)的裂縫深度對比分析一覽表Table 1 :Data of crack depth tested by different methods