脈沖回波法在水閘底板脫空檢測(cè)中的應(yīng)用

劉俊青， 殷振興

(江蘇省淮沭新河管理處， 江蘇 淮安 223005)

水閘在水利水電工程中發(fā)揮著極其重要的作用，水閘底板與基礎(chǔ)在服役過程中的脫空病害嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懻麄€(gè)水閘的安全運(yùn)行。尤其在高水頭、長(zhǎng)閘室、有壓狀態(tài)中，長(zhǎng)期受到水荷載反復(fù)作用下，水閘混凝土底板下土石結(jié)合部脫空對(duì)水閘長(zhǎng)期穩(wěn)定、使用功能正常發(fā)揮及外觀均會(huì)產(chǎn)生較大影響。為了確保水閘的健康安全運(yùn)行，對(duì)混凝土板下土石結(jié)合部脫空無損檢測(cè)是非常重要的環(huán)節(jié)。目前，有多種對(duì)混凝土底板下病害的無損檢測(cè)方法，如：地質(zhì)雷達(dá)法[2-3]、聲波法[4-5]等。由于混凝土水閘底板中存在石子顆粒，會(huì)對(duì)聲波產(chǎn)生較強(qiáng)的反射作用，干擾回?fù)苄盘?hào)，導(dǎo)致聲波法難以用反射法分辨底部脫空狀態(tài)。而探底雷達(dá)發(fā)射出的電磁波在地下傳播時(shí)不僅受鋼筋的影響較大，而且波形圖譜處理時(shí)亦較為繁瑣。水閘底板設(shè)計(jì)混凝土較厚、鋼筋間距小，布設(shè)雙層鋼筋等特點(diǎn)，這限制了許多無損檢測(cè)方法，而脈沖回波法在水閘底板脫空檢測(cè)中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道?；诖?，依托某實(shí)際水閘工程，結(jié)合該水閘自身的特點(diǎn)，研究了脈沖回波法在閘底板下土石結(jié)合部脫空檢測(cè)的適用條件及檢測(cè)效果。

1 脈沖回波法基本原理與注意事項(xiàng)

1.1 脈沖回波法基本原理

脈沖回波法是應(yīng)用于工程中的一種無損檢測(cè)技術(shù)，其基本思想是通過機(jī)械沖擊在被檢測(cè)物體表面施加一高頻率應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力波，機(jī)械波在傳播途中遇到缺陷界面產(chǎn)生反射，基于彈性波在物件內(nèi)部產(chǎn)生振動(dòng)的共振頻率差異以判斷脫空狀態(tài)。機(jī)械產(chǎn)生的沖擊波由縱波、橫波以及瑞利波組成。其中，縱波與橫波是沿圓形波陣面進(jìn)入探測(cè)體，而瑞利波是沿表面?zhèn)鞑ァ．?dāng)縱波在傳播途中遇到病害或介質(zhì)的接觸面時(shí)，由于波阻抗差異，波會(huì)在這些病害或者接觸面發(fā)生反射，脈沖回波探測(cè)基本原理示意圖見圖1。隨著病害或者接觸鍵兩側(cè)的波阻抗差異的增大，其反射亦呈增強(qiáng)趨勢(shì)。接收這種反射回波并開展頻譜分析，根據(jù)主頻峰值的變化來判斷波阻抗突變的病害或邊界。

圖1 脈沖回波探測(cè)基本原理示意圖

在不同材質(zhì)接觸界面及缺陷產(chǎn)生反射，通過對(duì)頻譜分析求得其峰值的頻率f。便可計(jì)算出病害的埋深h，計(jì)算公式為

(1)

式中:v,f分別為已知波速和頻譜圖波峰值。

1.2 注意事項(xiàng)

為滿足檢測(cè)要求及檢測(cè)精度。震源選擇等注意事項(xiàng)顯得尤為重要。

1.2.1 震源選擇

檢測(cè)所用的儀器為Doctor脈沖回波儀，脈沖回波儀主要包括震源，顯示器以及探頭，該儀器攜帶輕便、操作簡(jiǎn)單，具有數(shù)據(jù)、波形存貯與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理等功能。殷建武等提出脈沖力持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)些，震源的選取時(shí)分別考慮了尼龍頭、鋁頭與硬橡膠3種不同材料，試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明：其脈沖力的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為鋁頭<尼龍頭<硬橡膠，而得到的力譜寬度為鋁頭>尼龍頭>硬橡膠。為此，當(dāng)?shù)皖l率波較多，傳播深度大時(shí)，可選用尼龍頭材料所制作的物件。反之，對(duì)于脈沖力的持續(xù)時(shí)間段，頻率較高，判斷缺陷具體位置時(shí)，可選用剛性的小錘、鋼球等材料。

考慮到水閘底板一板不超過2.00m及水閘底板混凝土檢測(cè)環(huán)境。在進(jìn)行脈沖回波檢測(cè)土石結(jié)合部脫空試驗(yàn)和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，為滿足探測(cè)要求及探測(cè)精度。震源選擇半徑為20mm鋼球較為合理。

在使用鋼球觸發(fā)機(jī)械波時(shí)，為提升探測(cè)數(shù)據(jù)的精確度與合理性，需對(duì)探測(cè)界面開展清理與平整處理。此外，每次測(cè)量時(shí)盡量保持鋼球的位置從相同高度垂直下落。

1.2.2 其他注意事項(xiàng)

(1)接受探頭放置時(shí)應(yīng)盡量減少對(duì)接收裝置與混凝土板間介質(zhì)的影響。如，可選用涂抹薄層黃油使得探頭與混凝土板接觸度較緊密，提升了二者之間的傳遞性能，從而使得測(cè)量接受信號(hào)更加精確。

(2)對(duì)混凝土波速開展多次實(shí)測(cè)，將多次實(shí)測(cè)結(jié)果平均值作為波速的設(shè)定值。放大倍數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)采樣根據(jù)預(yù)測(cè)試時(shí)的波形線決定。

(3)取多次測(cè)量結(jié)果中最為精確的一條波形線，將其作為應(yīng)力波反射法所采集波形。選取時(shí)宜選用能夠真實(shí)反映水閘底板的實(shí)際情況的波形，不宜選取含刺狀波形或振蕩波形，并且選擇的波形最終需回歸基線。

1.3 檢測(cè)脫空狀態(tài)判別方法

為了得到脫空狀態(tài)的判別方法，利用混凝土薄板模型開展了脈沖回波法實(shí)驗(yàn)，得出判據(jù)如下：

(1)波形

脫空狀態(tài)下所用脈沖回波儀接收波形較為參差不齊，產(chǎn)生峰值的頻率亦不均勻；而非脫空情況時(shí)接受的波形峰值產(chǎn)生的頻率趨于穩(wěn)定，且波峰之間的相位差較小。因此，通過接收波形可以較為明顯的判別脫空與非脫空板。

(2)主頻

非脫空板狀態(tài)下所用脈沖回波儀接收的主頻信號(hào)比脫空狀態(tài)下接收的主頻信號(hào)高，表征脫空狀態(tài)下，反射波與入射波二者疊加之后出現(xiàn)的波形頻率不大，這與脫空儀器原始波形能夠保持一致。因此，基于測(cè)點(diǎn)的接受信號(hào)的最大主頻亦可判別測(cè)點(diǎn)附近位置的混凝土板的脫空狀態(tài)。

(3)發(fā)射波時(shí)域圖與頻譜圖

時(shí)域反射波形圖需將原形波形先通過信號(hào)增益、濾波處理，再除以最大峰值得到的波形圖。脫空狀態(tài)下混凝土薄板的反射波形幅度較大，波形較為參差不齊，峰間差值變化較小。

頻譜圖則是通過傅立葉離散變換處理得出的。脫空狀態(tài)下接收信號(hào)比非脫空狀態(tài)下接收信號(hào)能量相對(duì)較大。此外，出現(xiàn)病害的區(qū)域，其測(cè)試信號(hào)頻率會(huì)增大。

2 工程實(shí)際應(yīng)用

2.1 水閘底板概況

某水閘是集引水及排水與一體的節(jié)制閘，閘室采用標(biāo)號(hào)為C30的鋼筋混凝土整體塢式結(jié)構(gòu)，其閘檻標(biāo)高為-1.00m，閘室長(zhǎng)、寬分別為30.00m、34.40m，共1孔，閘孔凈寬為20.00m，底板厚約2.00m，水閘底板上、下游側(cè)的齒坎底高程均為-5.73m，底板下設(shè)置0.10m厚標(biāo)號(hào)為C20的素混凝土墊層；底板底高程約為-4.93m，閘底板坐落于③層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土上，土的狀態(tài)為飽和、流塑、高等壓縮性，其地基承載力約為60kPa，C=11kPa，φ=17.00，滲透系數(shù)為4×10-6cm/s；以下為④層淤泥質(zhì)黏土，層均厚為6.30m，飽和，流塑，高等壓縮性，地基承載力為45kPa，C=9kPa，φ=110。水閘平面布置見圖2。

圖2 水閘平面布置圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

從出口向進(jìn)口方向走，間隔5cm測(cè)試，測(cè)點(diǎn)數(shù)為60個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)度3m。測(cè)線布置見圖3。

圖3 測(cè)線布置

通過現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)可知，隨著探測(cè)深度的增加，檢測(cè)結(jié)果精度呈減小趨勢(shì)；脈沖回波法較易適合薄混凝土板(≤2.00m)的土石結(jié)合脫空檢測(cè)。選擇其中的25個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖見圖4、圖5。

圖4 測(cè)點(diǎn)15到測(cè)點(diǎn)25的時(shí)域波形圖

圖5 測(cè)點(diǎn)35到測(cè)點(diǎn)48的時(shí)域波形圖

圖4、圖5中虛線位置為出底板反射波位置，半徑20mm的小球作為震源，由圖可知，底板反射波位置各測(cè)點(diǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)整體上浮動(dòng)較小，少量測(cè)點(diǎn)的波形圖出現(xiàn)異常波動(dòng)情形，其原因可能為閘底板表面不光滑產(chǎn)生的。噪音對(duì)脈沖回波儀的影響較大，選擇合適的觸發(fā)方式十分重要。通過測(cè)試結(jié)果能夠從同相軸大致判別出水閘地板與土體結(jié)合部界面的反射波位置，波形整體變化幅度較為平緩，因

此，可得出所測(cè)得的測(cè)線的底板混凝土較為均勻，該閘地板與土體無脫空。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于水閘底板一板不超過2.00m及水閘底板混凝土檢測(cè)環(huán)境。在進(jìn)行脈沖回波檢測(cè)土石結(jié)合部脫空試驗(yàn)和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，為滿足探測(cè)要求與探測(cè)精度。震源選擇半徑為20mm鋼球較為合理。

(2)病害探測(cè)結(jié)果顯示該水閘底板脈沖回波探測(cè)段無脫空。噪音對(duì)脈沖回波儀的影響較大，選擇合適的觸發(fā)方式十分重要；隨著探測(cè)深度的增加，檢測(cè)結(jié)果精度呈減小趨勢(shì)；脈沖回波法較易適合薄混凝土板(≤2.00m)的土石結(jié)合脫空檢測(cè)。