沖擊回波法在鋼襯接觸灌漿質(zhì)量檢測中的應用

劉 拓，王春陽，劉 凱

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130062）

0 引言

在一些水工建筑物（如壓力管道、水輪機蝸殼等）中，鋼板結(jié)構(gòu)物四周澆筑的混凝土干縮后，會在混凝土與巖石或鋼板之間形成一些脫空，鋼襯接觸灌漿即是解決這一問題的一種灌漿策略。由于接觸灌漿施工屬于隱蔽工程，僅僅依靠旁站監(jiān)督不能夠完全避免質(zhì)量問題的發(fā)生。而且，在接觸灌漿過程中形成的脫空缺陷，會對鋼襯混凝土管道的耐久性和安全性產(chǎn)生深遠影響。因此，必須借助可靠的檢測手段來評價接觸灌漿質(zhì)量，探明鋼襯和混凝土之間的脫空情況，為工程安全施工和質(zhì)量評定提供有力依據(jù)。

傳統(tǒng)的鋼襯接觸灌漿檢測方法包括錘擊法、鉆孔法、內(nèi)窺鏡法和放射源γ散射法等。上述檢測方法均存在一些不足，如錘擊法僅憑聽覺經(jīng)驗，鉆孔法和內(nèi)窺鏡法需要破壞鋼襯表面，放射源γ散射法具有放射性。而沖擊回波法彌補了這些不足，是一種簡便、快捷、準確的鋼襯接觸灌漿質(zhì)量檢測方法。

1 基本原理

1.1 沖擊回波法

沖擊回波法也稱脈沖回波法，是一種基于瞬時應力波反射原理的物探方法。主要用于檢測混凝土構(gòu)件的厚度、裂縫和脫空等缺陷。在進行檢測時，使用一個小鋼球敲擊構(gòu)件表面，產(chǎn)生短暫的脈沖應力波，在應力波向內(nèi)部傳播的過程中，遇到缺陷時會產(chǎn)生反射波。反射波在構(gòu)件表面與缺陷之間發(fā)生多重反射，引起瞬時共振狀態(tài)。通過分析沖擊回波信號的時域和頻率域曲線，可達到檢測結(jié)構(gòu)的厚度、判定結(jié)構(gòu)是否存在缺陷及缺陷所在位置的效果[1]。

鋼襯混凝土結(jié)構(gòu)厚度或者缺陷深度H（m），可由沖擊回波的旅行時t0（s）和脈沖應力波的波速v（m/s）確定，即：

接收器接收到的沖擊回波信號，通過快速傅里葉變換（FFT）轉(zhuǎn)換為頻譜曲線，在頻譜曲線上獲得主頻f（Hz），則H也可根據(jù)下式計算：

1.2 鋼襯接觸灌漿質(zhì)量檢測

鋼襯厚度一般為20～60 mm，鋼襯和混凝土交界面的沖擊回波旅行時為10～20 μs，脈沖應力波信號的主頻為2～10 kHz，信號周期為100～500 μs。在垂直反射自激自收的情況下，直達波與反射波的相位差僅為10 μs左右，是脈沖應力波主信號周期的1/50～1/10。因此，沖擊回波的旅行時在時域曲線上很難識別，故不能使用公式（1）或公式（2）來計算H，而需要尋求新的方法來確定缺陷位置。

鋼襯接觸灌漿質(zhì)量檢測的基本原理：在鋼襯表面進行錘擊，產(chǎn)生多次諧波信號，對于單一頻率的平面諧波來說，鋼襯表面激發(fā)點附近的質(zhì)點振動速度v1（m/s）的計算公式如下：

式中：v0為質(zhì)點振動速度的最大值，m/s；ω為角頻率，rad/s；x為接收點與錘擊點的距離，m；u為該波傳播的波速，m/s；t為信號采樣時間，s。

單一頻率諧波在單位質(zhì)量m（kg）下的動能Ek（J）的計算公式如下：

單一頻率諧波信號在一個完整周期T（s）時間內(nèi)的總動能E（J）的計算公式如下：

在鋼襯表面激發(fā)沖擊波，一部分應力波沿著鋼襯表面?zhèn)鞑?，另一部分沖擊波穿透鋼襯向混凝土內(nèi)部傳播。在鋼襯與混凝土交界面，即接觸灌漿區(qū)域，沖擊波將產(chǎn)生不同程度的反射，反射波疊加的能量比直達波大得多，使質(zhì)點的波動能量發(fā)生改變。假定接收點的直達波能量為E1，反射波能量為E2，則該點的波動總能量E：

在同樣的激發(fā)條件下，距激發(fā)點相同距離處的每個接收點的直達波能量基本相等。從公式（6）可以看出，接收點的反射波能量差異即可代表波動總能量的差異，而反射能量的數(shù)值只與鋼襯的結(jié)構(gòu)及接觸灌漿的質(zhì)量（即是否存在脫空缺陷）有關。因此，可以通過檢測反射波的能量大小，也就是沖擊回波的數(shù)值，來評價鋼襯接觸灌漿質(zhì)量，探明鋼襯的脫空情況[2]。

2 工程實例

2.1 工程概況

某抽水蓄能電站屬I等大（1）型工程，規(guī)劃裝機4臺，單級混流可逆式水泵水輪機，單機容量300 MW。電站建成后，在電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用及黑啟動。

該工程水道系統(tǒng)全長5 665.80 m，其中尾水支管和引水支管全部采用鋼板襯砌，總長3 488.00 m，進行接觸灌漿處理，鋼襯外圍回填混凝土厚度為0.60 m。

根據(jù)業(yè)主要求，采用沖擊回波法檢測鋼襯與混凝土之間的脫空情況，評價鋼襯接觸灌漿質(zhì)量。

2.2 工作布置

依據(jù)以往工程經(jīng)驗，鋼襯段在進行接觸灌漿之后，在重力作用下，鋼襯底板中心線兩側(cè)各60°范圍內(nèi)易產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，故在2號尾水支管底板中心線兩側(cè)各45°范圍內(nèi)布置3條連續(xù)測線，即底板中心線、左側(cè)拱腳和右側(cè)拱腳各1條，單根測線長3.80 m。

現(xiàn)場物探檢測采用單發(fā)單收的檢測方式，偏移距和點距均取0.20 m。沿著每條測線逐點進行檢測，同步移動激發(fā)點與接收點，直至完成所有現(xiàn)場檢測工作。

3 成果分析

沖擊回波檢測得到的原始記錄用專門的處理軟件處理后，可形成沖擊回波能量譜圖。其中高能量、區(qū)域狀的反射能量區(qū)，且原始波形主頻小于平均值即可判斷為脫空異常反映。

該部位共發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域2處，在中心測線異常區(qū)域的兩端增設加密輔助測線，確定異常的發(fā)育面積。沖擊回波成果統(tǒng)計見表1。

表1 沖擊回波成果統(tǒng)計表

經(jīng)統(tǒng)計，該部位軸向3條連續(xù)測線共發(fā)現(xiàn)脫空異常2處，水平延展范圍0.20～1.20 m，發(fā)育面積0.45～0.70 m2，檢測成果見圖1。

4 結(jié)語

通過對2號尾水支管軸向3條連續(xù)測線沖擊回波檢測，檢測結(jié)果共發(fā)現(xiàn)脫空異常2處，水平延展范圍0.20～1.20 m，發(fā)育面積0.45～0.70 m2，其中序號為T01的異常發(fā)育面積大于0.50 m2，為較嚴重的脫空缺陷，檢測成果見圖1。依據(jù)相關的規(guī)程規(guī)范和設計要求，序號為T01的異常應進行補灌處理。

圖1 沖擊回波檢測成果圖

為了驗證沖擊回波檢測成果的正確性，在T01異常位置處進行開孔驗證。經(jīng)檢查，該處存在脫空現(xiàn)象，脫空面積約為0.64 m2。此處為閘門井漸變段與直筒段的交界位置，在開孔后重新進行了灌漿處理。

利用沖擊回波法檢測鋼襯接觸灌漿具有無損、簡便、快速的特點。但該方法仍存在一些不足：在檢測脫空埋深較小的情況下，沖擊回波法效果比較明顯；當構(gòu)件體積較大、埋深較深時，沖擊回波法的精度就會下降，應配合其他檢測方法。隨著工程物探方法技術的不斷發(fā)展、科技水平的不斷進步，相信該方法的缺陷和不足將逐漸得到解決，并在水利水電工程檢測中發(fā)揮更多的作用。