基于彈性波場理論的水下閘底板脫空檢測方法及應(yīng)用

李松輝，張 龑，黃錦林，葉合欣，羅日洪

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；3.廣東省水利水電技術(shù)中心，廣州 510635)

1 概述

由于水閘大多在軟基或砂基上進(jìn)行建設(shè)，閘基礎(chǔ)在長期運(yùn)行過程中遭受水流沖擊的影響，極易出現(xiàn)閘底斷裂、不均勻的沉陷及泥沙淘蝕等病害問題[1-2]，導(dǎo)致底板極易產(chǎn)生脫空，且脫空現(xiàn)象在安全檢測時(shí)難以辨別，導(dǎo)致水閘無法發(fā)揮正常使用功能，結(jié)構(gòu)安全性能降低，對(duì)排澇防洪安全帶來各種潛在的安全隱患[3-6]。檢查出閘底板存在的脫空區(qū)域及程度，對(duì)保障水閘的安全運(yùn)行意義重大。

國內(nèi)外目前針對(duì)水閘底板脫空問題主要應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔取芯和沖擊回波等方法進(jìn)行探測[7]。由于受到水和鋼筋網(wǎng)的影響導(dǎo)致基于電磁波原理的地質(zhì)雷達(dá)法適用性較差[8-9]；聲振法無法定量測出脫空的大小[10]；鉆孔取芯法屬于有損檢測，會(huì)導(dǎo)致底板受損[11]；但基于彈性波的方法可以避免上述方法局限性的干擾。同時(shí)該方法具有速度快，效率高，不受水和內(nèi)部鋼筋影響等優(yōu)點(diǎn)[12]。該方法利用采集在檢測對(duì)象表面施加的力所產(chǎn)生的彈性波，通過分析彈性波在介質(zhì)內(nèi)部傳播過程中的響應(yīng)波形及波形變化特征，判斷病害現(xiàn)象。

本文基于力學(xué)彈性波方法，檢測某長期運(yùn)行水閘底板混凝土質(zhì)量，具體分析了檢測原理、測線布置以及數(shù)據(jù)處理方法，根據(jù)水閘底板的彈性波(橫波)沖擊相應(yīng)強(qiáng)度分布及脫空缺陷判別標(biāo)準(zhǔn)，推斷底板混凝土與下伏淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的分界線，查明底板混凝土的疏密情況。

2 方法原理及儀器設(shè)備

2.1 方法原理

當(dāng)擊打介質(zhì)表面時(shí)，在介質(zhì)內(nèi)部將激發(fā)彈性波動(dòng)場，包括面波、縱波和橫波等。彈性波由激發(fā)點(diǎn)在介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行傳播，傳播過程中遇到介質(zhì)內(nèi)部缺陷時(shí)，波阻抗比的變化，導(dǎo)致能量、波形和頻譜發(fā)生改變。介質(zhì)表面的彈性波動(dòng)場分布是介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)在其表面的映射。當(dāng)混凝土底板與地基之間存在脫空時(shí)，底板表面的彈性波動(dòng)場分布特性將發(fā)生變化，包括能量特征、波形特征和頻譜特征等。

可以把檢測對(duì)象簡化為1個(gè)層狀半無限的介質(zhì)模型，在其內(nèi)部存在局部的缺陷部位(如圖1所示)。通過理論分析，介質(zhì)模型中的內(nèi)部缺陷所形成的強(qiáng)反射界面，經(jīng)過多次反射疊加后，介質(zhì)表面所接收到的波形可用下式表述：

圖1 力學(xué)彈性波方法基本原理示意

(1)

r(t)=(R,-R2,R3,-R4,…)

(2)

式中：

r(t)——反射系數(shù)序列；

R——內(nèi)部缺陷界面的反射系數(shù)；

T0——彈性波在兩界面間的雙程反射時(shí)間。

由上述所列式(1)、(2)可知，推測介質(zhì)內(nèi)部缺陷情況可由接收得到的彈性波求得，其是由子波褶積和反射系數(shù)疊加的結(jié)果，如果震源子波已經(jīng)知道，便可應(yīng)用反褶積來求得反射系數(shù)，定量的推斷反射界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗差值和介質(zhì)內(nèi)部的缺陷深度。在工程實(shí)際應(yīng)用中，震源子波不易獲取到，大多情況下，采用假定的方式來揭示內(nèi)部構(gòu)造的變化，從而來推斷結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷特征。

2.2 檢測儀器及其技術(shù)指標(biāo)

力學(xué)彈性波方法的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀、檢波器和激發(fā)力錘所組成。本次研究所用儀器是國內(nèi)DONGHUA公司的DH5981分布式動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)、若干個(gè)100 Hz速度型垂直分量檢波器和質(zhì)量為500 g的鋼質(zhì)沖擊錘組成的水下震源系統(tǒng)。具體參數(shù)和儀器設(shè)備見表1所列。

表1 儀器設(shè)備一覽

2.3 方法有效性驗(yàn)證

圖2所示為中山市某水閘底板脫空檢測鉆孔取芯結(jié)果與本文檢測方法結(jié)果的對(duì)比，圖2中4個(gè)鉆孔都揭示不同程度脫空。

a 鉆孔取芯斷面

ZK1脫空0.36 m，與之相鄰的閘室2外河側(cè)有大片脫空區(qū)域(紅色區(qū)域)，可推測該處脫空與閘室2外河一側(cè)的脫空區(qū)域相連，與之相鄰的閘室1內(nèi)外河兩側(cè)以及閘室2內(nèi)河一側(cè)底板都存在較厚的淤泥，影響了檢測結(jié)果，可合理推測，這些部分地板下亦存在疏松—輕微脫空；ZK3脫空0.40 m，與之相鄰的閘室3和閘室4的底板顯示為疏松—輕微脫空，由于鉆孔附近缺少檢測數(shù)據(jù)，因此，該處鉆孔揭示的脫空與底板脫空區(qū)的關(guān)系不明；ZK5脫空0.26 m，與之相鄰的閘室6和閘室7的底板檢測結(jié)果皆顯示外河側(cè)地板下疏松—輕微脫空，因此可以推斷，外河側(cè)的疏松—輕微脫空區(qū)域延伸至6號(hào)閘墩底部，但內(nèi)河一側(cè)相鄰部分的底板顯示較密實(shí)，因此，推斷該脫空病害未進(jìn)一步向內(nèi)河方向發(fā)展；ZK7脫空高度0.5 m，與之相鄰的閘室8和閘室9的底板都顯示大面積較嚴(yán)重脫空，兩者對(duì)應(yīng)良好。

3 工程概況

某水閘位于廣東省佛山市，該水閘于2001年重建，工程等別按Ⅳ等設(shè)計(jì)，工程完成后片區(qū)內(nèi)汛期易澇的局面得到顯著改善，項(xiàng)目具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。水閘設(shè)計(jì)洪水位為6.33 m，相應(yīng)內(nèi)水位為1.0 m，設(shè)計(jì)水位差為5.33 m，堤頂高程為7.83 m，涵洞底面板高程為-1.0 m，防洪閘門采用平面鋼板型，啟閉機(jī)采用固定式QPQ形式，地基采用Ф400預(yù)制砼管樁，水閘共設(shè)6孔涵洞，單孔凈寬為4 m，孔高為4 m，涵洞段總長度為37.5 m，底板厚為500 mm，底部設(shè)100 mm的C10砼墊層(見圖3)。

圖3 廣東省佛山市某水閘鳥瞰示意

4 檢測過程及數(shù)據(jù)分析

4.1 測線布設(shè)

待檢測水閘共設(shè)6孔相同尺寸涵洞，單孔凈寬為4 m，總寬為26.9 m，長為37.5 m。為實(shí)現(xiàn)水閘底板全面檢測，檢測測線及測點(diǎn)布置見圖4。以水閘涵洞①靠近外河側(cè)右岸底角作為坐標(biāo)原點(diǎn)，定義垂直閘門方向?yàn)閄軸，沿外河至內(nèi)河方向?yàn)閄軸正向，平行閘門方向?yàn)閅軸，水閘涵洞①～涵洞⑥方向?yàn)閅軸正向。沿X軸共布設(shè)41條測線，除靠近內(nèi)外消力池的四條測線間距為0.5 m外，其余測線間距為1.0 m，第1條測線L1的橫坐標(biāo)為0.5 m，第2條測線L2的橫坐標(biāo)為1.0 m，依次類推，第41條測線L41的橫坐標(biāo)為37.0 m。每條測線設(shè)置48個(gè)檢測點(diǎn)，檢測點(diǎn)間距0.5 m。第1個(gè)檢測點(diǎn)的縱坐標(biāo)為0.25 m，第2個(gè)檢測點(diǎn)的縱坐標(biāo)為0.75 m，考慮閘墩的厚度后，依次類推，第48個(gè)檢測點(diǎn)的縱坐標(biāo)為26.65 m。

圖4 測線與測點(diǎn)布置示意

4.2 采集參數(shù)

數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)定見表2。

表2 數(shù)據(jù)采集參數(shù)

4.3 數(shù)據(jù)采集步驟

待測線標(biāo)記完成，連接好儀器設(shè)備后，力學(xué)彈性波方法沿布置測線采用機(jī)械方式擊打檢檢測物件表面，以在檢測物件內(nèi)部產(chǎn)生彈性波動(dòng)場。采用500 g圓頂鐵錘進(jìn)行信號(hào)激發(fā)，震源偏移距0.5 m處用檢波器接收檢測物件表面的彈性波動(dòng)，然后保持偏移距、擊打方向和擊打力度不變，將激發(fā)檢波系統(tǒng)移至下1個(gè)檢波點(diǎn)，每1個(gè)檢測點(diǎn)采集工作完成后，移動(dòng)檢測系統(tǒng)至下1個(gè)檢測點(diǎn)，上述操作重復(fù)進(jìn)行至單條測線數(shù)據(jù)采集完成(如圖5所示)。

圖5 測線標(biāo)記與數(shù)據(jù)采集示意

4.4 數(shù)據(jù)分析處理方法

數(shù)據(jù)分析處理的流程見圖6，其具體步驟可分為對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、濾波及轉(zhuǎn)換，并將相關(guān)信息按特定形式進(jìn)行表現(xiàn)，主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、歸一化、波形處理、波場分離機(jī)生成缺陷相應(yīng)分布平面圖等。

圖6 力學(xué)彈性波方法數(shù)據(jù)處理流程示意

4.5 缺陷判別標(biāo)準(zhǔn)

嚴(yán)格來講，沖擊響應(yīng)強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬和鉆孔取芯結(jié)果來劃定，由于本項(xiàng)目未開展鉆孔取芯工作，因此只通過理論計(jì)算來獲取沖擊響應(yīng)強(qiáng)度與缺陷范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本次檢測結(jié)果通過缺陷平面分布圖來表示，圖像通過彩虹色來表示底板脫空嚴(yán)重程度，顏色越深，表示病害程度越嚴(yán)重，顏色越淺，表示病害程度越低。底板的標(biāo)準(zhǔn)化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度分為1.0～1.5、1.5～2.0、2.0～2.5和2.5以上4個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)底板下密實(shí)狀態(tài)分別為“密實(shí)”、“疏松”、“輕微脫空”和“脫空”。本文對(duì)檢測結(jié)果位置的描述采用(縱坐標(biāo)區(qū)間，橫坐標(biāo)區(qū)間)的形式，坐標(biāo)原點(diǎn)及測線測點(diǎn)移動(dòng)方向見4.1節(jié)。

4.6 檢測成果分析

檢測結(jié)果由沖擊響應(yīng)強(qiáng)度平面分布圖反映底板下脫空情況(如圖7所示)，根據(jù)各孔水閘底板的彈性波(橫波)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度分布以及4.5節(jié)給定的脫空缺陷判別標(biāo)準(zhǔn)，可準(zhǔn)確推斷各水閘底板下的脫空狀況。

圖7 水閘底板下密實(shí)狀況平面分布示意

從圖7中可以看出：

1)涵洞①閘門外河一側(cè)底板整體顯示為主體密實(shí)和部分疏松的狀態(tài)，閘門內(nèi)河一側(cè)夾雜小部分的輕微脫空和脫空區(qū)域，其中內(nèi)河后半段情況較前半段嚴(yán)重，另外，部分脫空點(diǎn)位(如10 m處)與相鄰涵洞形成貫通。

2)涵洞②閘門外河一側(cè)底板整體顯示為密實(shí)和疏松狀態(tài)，閘門內(nèi)河一側(cè)底板密實(shí)區(qū)域最大，疏松區(qū)域次之，并夾雜小部分的輕微脫空和脫空區(qū)域，內(nèi)河后半段情況較前半段嚴(yán)重。另外，部分點(diǎn)位與相鄰涵洞形成貫通。

3)涵洞③較其他涵洞疏松區(qū)域更多，靠近兩側(cè)墻體和中間位置底板出現(xiàn)部分顯示為脫空區(qū)域，并由該區(qū)域向外延伸擴(kuò)散為輕微脫空和疏松狀態(tài)。

4)涵洞④整體質(zhì)量較好，閘門外河一側(cè)底板整體顯示為密實(shí)狀態(tài)，閘門內(nèi)河一側(cè)整體顯示為密實(shí)和疏松狀態(tài)，并夾雜小部分的脫空區(qū)域，并由該區(qū)域向外延伸擴(kuò)散為輕微脫空和疏通狀態(tài)。

5)涵洞⑤整體質(zhì)量較好，閘門外河一側(cè)底板整體顯示為密實(shí)狀態(tài)，閘門內(nèi)河一側(cè)整體顯示為密實(shí)和疏松狀態(tài)，并夾雜小部分的脫空區(qū)域，并由該區(qū)域向外延伸擴(kuò)散為輕微脫空和疏通狀態(tài)。

6)涵洞⑥在靠近兩側(cè)墻體位置底板出現(xiàn)部分顯示為脫空和輕微脫空狀態(tài)，并由該區(qū)域向外延伸擴(kuò)散為疏松狀態(tài)，內(nèi)河后半段情況較前半段嚴(yán)重。圖8給出了底板各缺陷等級(jí)百分比：脫空區(qū)域占2.74%，疑似脫空區(qū)域占6.04%，疏松區(qū)域占20.99%，密實(shí)區(qū)域占70.23%，可以看出脫空區(qū)域和疑似脫空區(qū)域占比達(dá)到8.78%。

圖8 水閘底板下缺陷統(tǒng)計(jì)示意

5 結(jié)論及建議

采用力學(xué)彈性波方法對(duì)水閘底板的脫空進(jìn)行探測，通過檢測數(shù)據(jù)處理得出以下檢測結(jié)論。

1)本文提出的力學(xué)彈性波方法，它能夠克服混凝土內(nèi)部多層鋼筋網(wǎng)和水的影響，準(zhǔn)確的反應(yīng)水閘底板地基脫空區(qū)域及程度。

2)檢測結(jié)果表明，通過頻譜處理、波形可視化處理和沖擊響應(yīng)能量及相結(jié)合的方法，采用力學(xué)彈性波方法能夠很好地掌握缺陷病害的分布狀況。

3)檢測結(jié)果顯示水閘6孔涵洞的脫空呈現(xiàn)3種規(guī)律，涵洞④和涵洞⑤的疏松區(qū)域、輕微脫空區(qū)域和脫空區(qū)域沿河零散分布；涵洞①、涵洞②和涵洞⑥內(nèi)河后半段情況較前半段嚴(yán)重；涵洞③靠近兩側(cè)墻體和中間位置底板出現(xiàn)部分顯示為脫空和輕微脫空的區(qū)域。從混凝土質(zhì)量來看，涵洞③底板病害最為嚴(yán)重，脫空占比最高；涵洞①、涵洞②、涵洞④、涵洞⑤、涵洞⑥底板整體存在疏松狀態(tài)，并零散分布脫空區(qū)域，需要引起注意。