沖擊回波技術(shù)在水工流道鋼襯砌混凝土質(zhì)量無損檢測(cè)中的應(yīng)用

【摘要】作為一種快速高效的無損檢測(cè)技術(shù)，沖擊回波法是目前水電工程鋼襯砌混凝土質(zhì)量無損檢測(cè)的主要方法。本文通過對(duì)沖擊回波法的原理、數(shù)據(jù)處理與解釋的論述，結(jié)合工程實(shí)例，總結(jié)沖擊回波技術(shù)在水工流道鋼襯砌混凝土質(zhì)量無損檢測(cè)的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】沖擊回波；鋼襯砌混凝土；無損檢測(cè)；對(duì)比；能量

1、概述

水工流道鋼襯混凝土結(jié)構(gòu)型式目前廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)的各水電站中。鋼襯混凝土的襯砌結(jié)構(gòu)型式具有安全性高、節(jié)省鋼板、簡(jiǎn)化施工工藝、降低工程投資等一系列優(yōu)點(diǎn)。鋼襯混凝土的工作特點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)多層襯砌的隧洞，鋼襯的功用是承擔(dān)部分內(nèi)水壓力和防止?jié)B透，回填混凝土的功用是將部分內(nèi)水壓力傳給周圍的介質(zhì)，因此，回填混凝土與鋼襯之間必須緊密結(jié)合，回填混凝土的質(zhì)量是鋼襯混凝土施工中的一個(gè)關(guān)鍵。沖擊回波法為近年發(fā)展起來的無損檢測(cè)技術(shù)，目前在水電站水工流道鋼襯砌混凝土質(zhì)量無損檢測(cè)中發(fā)揮了重要的作用。

2、沖擊回波法原理

在結(jié)構(gòu)表面施加脈沖應(yīng)力波，脈沖應(yīng)力波向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播，在應(yīng)力波傳播過程中遇到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的波阻抗差異界面時(shí)，將產(chǎn)生反射應(yīng)力波（回波），并向結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑?，被埋設(shè)在結(jié)構(gòu)表面的傳感器所接收。根據(jù)反射波的旅行時(shí)間T和混凝土應(yīng)力波（縱波）波速v即可計(jì)算反射界面的深度h，計(jì)算公式為：

如果選用適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)系統(tǒng)，能產(chǎn)生相應(yīng)頻率又有足夠能量的沖擊波，接收到信號(hào)較強(qiáng)的多次反射波（沖擊回波），使用快速傅立葉變換處理信號(hào)獲得頻譜，讀取回波頻率（優(yōu)勢(shì)頻率f），則優(yōu)勢(shì)頻率f與波阻抗差異界面深度h相關(guān)：

根據(jù)管道鋼襯混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于鋼襯較薄，鋼襯與混凝土界面的反射應(yīng)力波（回波）旅行時(shí)間一般不超過50μs，而沖擊應(yīng)力波信號(hào)的主頻一般為2kHz～10kHz，周期為500～100μs，在垂直反射的情況下，直達(dá)波與反射波信號(hào)的相位差僅為10μs左右，為應(yīng)力波主信號(hào)周期的1/50～1/10，反射波與直達(dá)波之間微小的相位差異導(dǎo)致無法有效地將反射波信號(hào)分離出來，而且一般反射波能量遠(yuǎn)小于直達(dá)波能量，故無法利用沖擊回波法在時(shí)間域或頻率域進(jìn)行計(jì)算，因此直接拾取沖擊回波的初至或首波進(jìn)行鋼襯混凝土質(zhì)量檢測(cè)是困難的。

在鋼襯與混凝土緊密結(jié)合的情況下（質(zhì)量完好），鋼襯與混凝土界面的波阻抗差異為33.96Mkg/（m2s），界面應(yīng)力波反射系數(shù)為-0.68；在鋼襯脫空情況下（有缺陷），鋼襯與空氣的波阻抗差異為：42.12Mkg/（m2s），界面應(yīng)力波反射系數(shù)約為-1.0；鋼襯與水的波阻抗差異為：40.62Mkg/（m2s）， 界面應(yīng)力波反射系數(shù)為-0.93。故在鋼襯脫空時(shí)的界面應(yīng)力波反射系數(shù)較大，則反射波的幅度及能量均大于正常鋼襯混凝土，而且鋼襯表面為自由界面，經(jīng)反射波在鋼襯（板）內(nèi)部形成多次反射，則在鋼襯表面測(cè)到的應(yīng)力波能量增加更為顯著。

鋼襯表面在沖擊作用下產(chǎn)生應(yīng)力波，對(duì)于平面諧波，鋼襯表面激振點(diǎn)附近的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度方程為：

波動(dòng)動(dòng)能方程：

波動(dòng)總動(dòng)能公式：

對(duì)于同樣的激發(fā)能量與激發(fā)條件，在激發(fā)點(diǎn)周圍相同接收距離的情況下，直達(dá)波的能量是基本一致的。

在鋼襯表面激發(fā)應(yīng)力波，一部分應(yīng)力波沿鋼襯表面擴(kuò)散傳播，另一部分能量向混凝土傳播，在鋼襯與混凝土界面，或鋼襯與空氣（或水）界面，應(yīng)力波將產(chǎn)生不同程度的反射波，反射波疊加在直達(dá)波之上，使質(zhì)點(diǎn)的波動(dòng)能量有所改變。若假定相距激發(fā)點(diǎn)200mm處的直達(dá)波能量為E0，則反射波能量為： E′=E- E0

通過研究應(yīng)力波動(dòng)能量的變化為檢測(cè)鋼襯質(zhì)量及缺陷提供了重要途徑。

3、沖擊回波試驗(yàn)和工程實(shí)例

（1）沖擊回波法試驗(yàn)

在某工地選取鋼襯混凝土緊密接觸（完好）和脫空兩處進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，采用HX-GMM-S80B高能超磁致伸縮震源激發(fā)應(yīng)力波，激勵(lì)電壓為800V，以RS—ST01C非金屬聲波檢測(cè)儀及SY06加速度傳感器接收應(yīng)力波信號(hào)，偏移距為200mm，測(cè)試時(shí)，兩處設(shè)置采樣參數(shù)完全一致，測(cè)試波形見圖2和圖3。

試驗(yàn)表明，正常與缺陷鋼襯混凝土的波形形態(tài)差異較大，無論信號(hào)主頻、波幅、波動(dòng)持續(xù)時(shí)間及總能量具有明顯的差異，其中波動(dòng)總能量差異尤為明顯，故利用沖擊應(yīng)力波的能量變化可以分析與判斷鋼襯混凝土脫空缺陷。

（2）某電站沖擊回波法鋼襯砌混凝土質(zhì)量檢測(cè)工程實(shí)例

某電站為混凝土雙曲拱壩，由泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成，最大壩高110m，壩軸線長(zhǎng)472m，壩頂寬6m，總庫容12.17億立m3。引水隧洞全長(zhǎng)208.50m，其中上段為鋼筋混凝土襯砌，下段為鋼管混凝土襯砌。壓力鋼管段采用Q390C鋼板制作而成，板厚28～38mm，管外回填厚度800mm的混凝土。

根據(jù)檢測(cè)要求沖擊回波法鋼襯砌混凝土質(zhì)量檢測(cè)采用HX-GMM-S80B高能超磁致伸縮震源激發(fā)應(yīng)力波，激勵(lì)電壓為800V，以RS—ST01C非金屬聲波檢測(cè)儀及SY06加速度傳感器接收應(yīng)力波信號(hào)；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采用間隔為4，采樣點(diǎn)數(shù)為1024，偏移距為200mm。

圖4和圖5為該電站鋼襯砌混凝土質(zhì)量檢測(cè)沖擊回波能量曲線圖和沖擊回波列圖。

根據(jù)能量計(jì)算公式計(jì)算該水電站壓力支管每個(gè)各測(cè)點(diǎn)的沖擊回波波動(dòng)能量，并通過統(tǒng)計(jì)分析確定波動(dòng)能量臨界值δ，將波動(dòng)能量臨界值作為判斷鋼襯與混凝土脫空缺陷及程度的依據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，本次測(cè)區(qū)波動(dòng)能量臨界值為1000，鋼襯混凝土脫空缺陷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見表2。

根據(jù)鋼襯混凝土脫空缺陷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，電站壓力支管壓檢測(cè)段成果分析評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。壓力支管左拱肩和拱頂測(cè)線分別有1段和2段波動(dòng)能量超過臨界值，但低于3倍臨界值，屬于輕微脫空缺陷，缺陷段長(zhǎng)度分別為0.8m和1.8m；右拱肩測(cè)線各測(cè)點(diǎn)波動(dòng)能量均低于臨界值，鋼襯與混凝土無明顯脫空缺陷。支管檢測(cè)段未發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的鋼襯與混凝土脫空缺陷。

4、結(jié)語

沖擊回波法能夠較準(zhǔn)確地檢測(cè)出管道鋼襯混凝土的脫空缺陷。沖擊回波能量與發(fā)射能量、偏移距離、接收儀器、傳感器以及設(shè)置參數(shù)有關(guān)，在實(shí)際工作中，同一結(jié)構(gòu)形式的管道鋼襯混凝土，激發(fā)接收等采集參數(shù)一般保持不變；不同結(jié)構(gòu)形式的管道鋼襯混凝土，脫空缺陷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)分別建立。

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