彈性波CT無(wú)損檢測(cè)法在水工混凝土防滲墻檢測(cè)中的應(yīng)用

劉 盼

(遼寧省盤(pán)錦市大洼區(qū)水利局，遼寧 盤(pán)錦 124200)

隨著工程技術(shù)的不斷研究應(yīng)用，水工混凝土防滲墻作為工程檢測(cè)的重要內(nèi)容得到廣泛的應(yīng)用發(fā)展。經(jīng)長(zhǎng)期的實(shí)踐探索，研發(fā)出一系列的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備和諸多的檢測(cè)方法，如回彈法、鉆芯法、超聲法、貫入法、拔出法等[1-2]。這些方法雖然能夠直觀準(zhǔn)確地檢測(cè)防滲墻質(zhì)量，但其成本高、施工效率低，并且還會(huì)造成一定的損壞，實(shí)際使用時(shí)一般利用抽樣的檢測(cè)方式，不具備代表性且指標(biāo)相對(duì)單一[3]。自水工混凝土領(lǐng)域引入醫(yī)用CT檢測(cè)技術(shù)以來(lái)，逐漸顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。該方法主要是利用被檢測(cè)對(duì)象的物理力學(xué)參數(shù)與彈性波速之間的關(guān)系，全面準(zhǔn)確地檢測(cè)評(píng)價(jià)目標(biāo)體的整體情況。

我國(guó)諸多學(xué)者深入研究了工程檢測(cè)中彈性波CT技術(shù)的應(yīng)用效果，如郭秀琴等對(duì)特大橋的橋墩質(zhì)量利用彈性波層析成像法進(jìn)行檢測(cè)，為判別被檢測(cè)橋墩混凝土不密實(shí)部位繪制出彈性波波速分布等直線圖，并以實(shí)際修復(fù)工程驗(yàn)證了該方法的可行性和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；趙祥等對(duì)利用彈性波CT法檢測(cè)了防滲墻質(zhì)量，混凝土澆筑墻的波速色譜圖符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，該技術(shù)具有較好適用性；李高等采用彈性波CT法檢測(cè)了河北承德半壁山危巖體，結(jié)果顯示該山體孔間巖體發(fā)育破裂；盧進(jìn)延等通過(guò)開(kāi)展彈性波CT和淺層地震工作，精細(xì)探測(cè)了西淋岡地區(qū)的斷裂情況，結(jié)果顯示對(duì)隱伏斷裂探測(cè)該方法具有較好實(shí)用性；鞏思園等對(duì)含有空區(qū)的混凝土運(yùn)用彈性波CI技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了空區(qū)探測(cè)時(shí)該方法的可行性；趙漢金等采用彈性波CT法勘查了某地鐵鉆孔之間溶洞的發(fā)育及其分布情況，證實(shí)了該方法的實(shí)用效果；陳湘華等對(duì)地下樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)利用彈性波CT和電磁波聯(lián)合法進(jìn)行檢測(cè)，并鉆孔驗(yàn)證了檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性[4-10]。目前，地球物理探測(cè)技術(shù)逐漸成為評(píng)價(jià)及修復(fù)混凝土防滲墻質(zhì)量的重要手段。文章以遼寧省盤(pán)錦市某水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的防滲墻質(zhì)量利用彈性波CT法進(jìn)行檢測(cè)，市政分析了該方法的快速高效性及其明顯優(yōu)勢(shì)。

1 彈性波CT無(wú)損檢測(cè)

1.1 基本原理

近年來(lái)，CT技術(shù)被廣泛應(yīng)用于巖溶精細(xì)探測(cè)、混凝土無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域[11]。CT技術(shù)是一種采用特定的射線源和外部檢測(cè)設(shè)備，在不損傷研究“對(duì)象”內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下獲取投影數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)按照特定的數(shù)學(xué)與物理關(guān)系反演物體內(nèi)部特定物理量的分布函數(shù)，以生成的二維圖像重現(xiàn)物體內(nèi)部特征的檢測(cè)技術(shù)[12-13]。

實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，彈性波CT技術(shù)要利用激發(fā)和接受兩個(gè)鉆孔，在激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)之間彈性波沿射線路徑傳播形成密集的扇形交叉射線網(wǎng)格，用儀器記錄數(shù)據(jù)形成文件并讀取首波走時(shí)數(shù)據(jù)，大型矩陣方程(式1)利用聯(lián)合迭代重建算法進(jìn)行求解，具體如下：

(1)

式中：Ti、Si為第i條射線的走勢(shì)和慢度值，Si為取單元i的速度倒數(shù)；lij為第j個(gè)單位在第j條射線內(nèi)的路徑長(zhǎng)度。

根據(jù)剖面上每個(gè)單元的彈性波速度利用專業(yè)軟件繪制出數(shù)據(jù)等值線圖和色譜圖，并結(jié)合彈性波剖面上的成像速度分布情況判斷防滲墻隱患分布位置、大小及其質(zhì)量[14]。

1.2 波的物理特征

波總是按用時(shí)最小的路徑傳播，也就是傳播的路徑最短，而介質(zhì)的孔隙度、彈性模量、密度等參數(shù)與波速的大小直接相關(guān)[15-16]。具體而言，墻體質(zhì)量越好則彈性波的傳播速度越高，即防滲墻的凝固越好、密度越高、強(qiáng)度越大則波的傳播越快；反之，墻體強(qiáng)度越低、密度越小、內(nèi)部存在夾泥沙或孔洞等缺陷時(shí)則波速會(huì)減小。所以，對(duì)于存在異?；蛉毕莸幕炷练罎B墻，依據(jù)彈性波的傳播特征可以檢測(cè)防滲墻的質(zhì)量狀況。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

遼寧省盤(pán)錦市某水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程采用普通混凝土防滲墻，設(shè)計(jì)埋入基巖深度≥1.5m墻厚0.6m，滲透系數(shù)不超過(guò)4.1×10-9cm/s，彈性模量24.0GPa，強(qiáng)度達(dá)到20MPa，地震波速超過(guò)3500m/s?；炷翝仓瓿珊?，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d時(shí)利用彈性波CT法無(wú)損檢測(cè)防滲墻完整性，檢測(cè)方式選用單一孔接受和單一孔激發(fā)。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本次采用HX-DHH-03J型電火花聲波發(fā)射震源和Strata Visor NZXP型淺層地震儀等儀器檢測(cè)設(shè)備，設(shè)置接收信道數(shù)12道，采樣長(zhǎng)度0.03s，間隔31.00μs，激發(fā)點(diǎn)距和接收點(diǎn)距均為1.0m。

在發(fā)射孔孔底安設(shè)電火花探頭激發(fā)地震波，在接收孔孔底安設(shè)串狀檢波器接收地震波，選擇保存初至起調(diào)清晰、波形正常的記錄，然后向上移動(dòng)電火花探頭約1m，再次激發(fā)地震波直至探頭移動(dòng)到距離孔口或水位1m處；向上移動(dòng)串狀檢波器至12m，重復(fù)以上測(cè)試過(guò)程直至移動(dòng)到距離孔口或水位1m處，從而完成地震波CT斷面檢測(cè)，記錄現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的鉆孔孔口高程及其間距。測(cè)試過(guò)程中將3對(duì)鉆孔均勻布置于防滲墻中心線上，如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用彈性波CT成像軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)資料的處理，處理過(guò)程主要有數(shù)據(jù)編輯(如參數(shù)排列、坐標(biāo)校正、數(shù)據(jù)提出)、數(shù)據(jù)分析(如校正地震波、濾波旅行時(shí)和觸發(fā)延時(shí)至拾取)、成像分析(如反演運(yùn)算、選擇迭代次數(shù)和算法、設(shè)計(jì)網(wǎng)格尺寸)等，采用獲取的各單元(網(wǎng)格)速度繪制成彈性波速等值線圖和色譜圖。

2.4 成果分析

依據(jù)混凝土防滲墻設(shè)計(jì)要求，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d后其縱波波速要≥3500m/s，當(dāng)混凝土振搗不密實(shí)、防滲墻存在裂縫、孔洞和夾泥等質(zhì)量缺陷時(shí)，縱波波速會(huì)<3500m/s。所以，結(jié)合防滲墻相關(guān)資料和斷面波速分布檢測(cè)結(jié)果，可以評(píng)判混凝土質(zhì)量及其缺陷大小、位置[17-20]。

經(jīng)檢測(cè)，鉆孔一的地震波剖面反演速度平均值3889m/s，波速度處于3600～4145m/s范圍；鉆孔二的地震波剖面反演速度平均值3905m/s，波速處于3502m/s～4028m/s范圍；鉆孔三的地震波剖面反演速度平均值3920m/s，波速處于3611m/s～4240m/s范圍?？傮w而言，混凝土防滲墻彈性波CT波速處于3600～4200m/s范圍，整體位于低速區(qū)，由此表明防滲墻的均勻性、連續(xù)性、整體性較好，澆筑質(zhì)量能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

文章深入探討了彈性波CT無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)原理及其過(guò)程，檢測(cè)分析了遼寧省盤(pán)錦市某水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程防滲墻質(zhì)量，結(jié)果顯示防滲墻的均勻性、連續(xù)性、整體性較好，其澆筑質(zhì)量能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。工程實(shí)踐表明，彈性波CT無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有信息量大、圖像直觀、分辨率高等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于水工混凝土防滲墻質(zhì)量檢測(cè)具有高效性、可靠性、實(shí)用性等優(yōu)勢(shì)，較傳統(tǒng)的墻體損傷檢測(cè)技術(shù)表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)。