沖擊映像法在農(nóng)村調(diào)水工程混凝土立墻內(nèi)裂縫檢測(cè)的運(yùn)用

摘要：對(duì)調(diào)水工程建設(shè)來說，工程質(zhì)量意義重大，若出現(xiàn)質(zhì)量問題，后果難以想象。在農(nóng)村調(diào)水工程中，應(yīng)力混凝土立墻出現(xiàn)內(nèi)裂縫問題，將嚴(yán)重影響工程結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，需要立即對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土立墻的裂縫成因進(jìn)行嚴(yán)格科學(xué)的檢測(cè)分析。本文運(yùn)用沖擊映像法對(duì)該立墻裂縫分布、損壞區(qū)域等進(jìn)行高密度檢測(cè)，同時(shí)對(duì)裂縫成因進(jìn)行縝密分析，并結(jié)合取芯檢驗(yàn)，印證裂縫檢測(cè)結(jié)果與成因分析。在此基礎(chǔ)上采取有效措施，設(shè)計(jì)、確定除險(xiǎn)加固方案，有效解決工程現(xiàn)狀，確保工程質(zhì)量，充分發(fā)揮農(nóng)村調(diào)水工程的運(yùn)行效益。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村調(diào)水工程；預(yù)應(yīng)力混凝土立墻；成因分析；裂縫檢測(cè)；防治措施

農(nóng)村調(diào)水工程，是解決廣大農(nóng)村地區(qū)村民飲水、農(nóng)田灌溉、生態(tài)需水等需求，跨省域、跨水域興建的水利工程。對(duì)解決農(nóng)村地區(qū)水資源匱乏，改善農(nóng)民生活，促進(jìn)鄉(xiāng)村振興等有著重要意義。由于預(yù)應(yīng)力混凝土立墻結(jié)構(gòu)物內(nèi)部鋼筋布設(shè)密度大，在不破壞結(jié)構(gòu)物的情況下，本文采用沖擊映像法以及相關(guān)儀器測(cè)量?jī)?nèi)部裂縫壞損位置及占比，并進(jìn)行定位、檢測(cè)，取得了較好的檢測(cè)效果，可有效檢測(cè)混凝土立墻結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部裂縫，縮短了檢測(cè)時(shí)間，為確定工程除險(xiǎn)加固方案提供了重要數(shù)據(jù)與信息。

1 工程概況

該混凝土立墻是某調(diào)水水利設(shè)施的一部分，4座均長(zhǎng)640 m的預(yù)應(yīng)力混凝土立墻（雙向）構(gòu)成該工程主體。雙向立墻共有16段，每段厚度達(dá)0.7 m，長(zhǎng)度達(dá)40 m，高度為9.1 m，工程投資超過2億。

2 大型預(yù)應(yīng)力混凝土立墻的特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 大型預(yù)應(yīng)力混凝土立墻的特點(diǎn)

一般來說，大型預(yù)應(yīng)力混凝土立墻具有以下特點(diǎn)：（1）抗裂性能好，通過施加預(yù)應(yīng)力，可以有效地提高混凝土的抗裂能力，減少裂縫的產(chǎn)生；（2）強(qiáng)度高，預(yù)應(yīng)力混凝土立墻的強(qiáng)度高于普通混凝土，能夠承受更大的荷載；（3）剛度大，預(yù)應(yīng)力混凝土立墻的剛度大，變形小，能夠保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性；（4）施工方便，預(yù)應(yīng)力混凝土立墻的施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，易于操作，因此在當(dāng)前建筑行業(yè)內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛。

2.2 大型預(yù)應(yīng)力混凝土立墻的應(yīng)用

在建筑工程中，大型預(yù)應(yīng)力混凝土立墻被廣泛應(yīng)用于以下場(chǎng)合：（1）高層建筑。高層建筑的豎向荷載大，需要使用高強(qiáng)度、高剛度的建筑材料，預(yù)應(yīng)力混凝土立墻是理想的選擇。（2）橋梁工程。橋梁需要承受車輛等動(dòng)荷載，同時(shí)還要承受風(fēng)、雨等自然因素的影響，預(yù)應(yīng)力混凝土立墻能夠提供強(qiáng)大的支撐和防護(hù)。（3）隧道工程。隧道工程需要承受地下水、地質(zhì)條件等多種因素的影響，預(yù)應(yīng)力混凝土立墻具有較好的耐久性和穩(wěn)定性。

3 立墻內(nèi)裂縫檢測(cè)

3.1 檢測(cè)原理

檢測(cè)原理主要是依據(jù)彈性波動(dòng)理論。若將沖擊力施加于介質(zhì)表面時(shí)，彈性波將產(chǎn)生自介質(zhì)內(nèi)部，雖在介質(zhì)表面呈現(xiàn)，但其分布情況卻與介質(zhì)內(nèi)部的具體構(gòu)造緊密關(guān)聯(lián)[1]?？梢詫_擊力賦予介質(zhì)的表面，在距離沖擊點(diǎn)的某一點(diǎn)位，用專用儀器記錄下接收到的彈性波。在保持上述點(diǎn)位和相同沖擊力度，轉(zhuǎn)移到新的檢測(cè)位置，并接收記錄的新的彈性波，用以對(duì)比。并通過比對(duì)不同的檢測(cè)點(diǎn)位與相應(yīng)的彈性波形，判斷介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，并由結(jié)構(gòu)變化分析介質(zhì)內(nèi)部是否存在缺陷，諸如出現(xiàn)空洞或者裂縫等現(xiàn)象。

3.2 彈性波形檢測(cè)儀器

波形檢測(cè)儀器主要由沖擊震源、檢波器、電源、數(shù)據(jù)采集儀、筆記本電腦及電纜組成。其中，檢波器的頻率為100 Hz，沖擊震源的鋼錘質(zhì)量250 g，電源采用12 V車用蓄電池，數(shù)據(jù)采集儀為24道的寬頻帶地震儀，筆記本電腦為野外專用型。

3.3 彈性波數(shù)據(jù)采集

將7條檢測(cè)線設(shè)于待檢的立墻上，位置由高向低定義為L(zhǎng)6、L5、L4、L3、L2、L1、L0，立墻檢測(cè)距離設(shè)置為下面在0.3～0.5 m，其余間距均保持1 m，高度零點(diǎn)設(shè)在八字墻頂部，7條測(cè)線L6～L0的對(duì)應(yīng)高度依次為4.6 m、3.6 m、2.6 m、1.6 m、1.1 m、0.6 m、0.3 m。L6到L0的測(cè)線長(zhǎng)度皆定40 m，各檢測(cè)線上的檢測(cè)點(diǎn)間距離定為0.2 m，因檢測(cè)立墻為5段，需要檢測(cè)面積1.42×104 m2＝5（立墻數(shù)量）×2（面量）×

5（段量）×7.1 m（寬度）×4 m（長(zhǎng)度），檢測(cè)點(diǎn)達(dá)到54 600個(gè)。

檢測(cè)點(diǎn)密度與震源偏移距離均設(shè)定為0.2 m。檢測(cè)員雙手攥緊檢波器，再先后對(duì)準(zhǔn)第1和第2檢測(cè)點(diǎn)，把檢波器呈90°壓實(shí)于墻面，第3檢測(cè)點(diǎn)接受200 g鋼錘的重?fù)?，?shù)據(jù)保存。之后，前移0.2 m，繼續(xù)上次檢測(cè)動(dòng)作，并完成全部點(diǎn)位檢測(cè)。

試驗(yàn)記錄的彈性波形[2]分為兩類，一類呈現(xiàn)為振幅較大，時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)；二類顯現(xiàn)為振幅較小，時(shí)長(zhǎng)短。試驗(yàn)點(diǎn)位大振幅彈性波透出悶沉音，傳出空鼓聲狀況；試驗(yàn)點(diǎn)位小振幅彈性波呈現(xiàn)清脆音，可判斷為構(gòu)建物內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊致。

4 彈性波形數(shù)據(jù)分析

4.1 彈性波形數(shù)據(jù)分析步驟

分為三個(gè)步驟，第一步處理數(shù)據(jù)；第二步數(shù)值模擬；第三步解釋產(chǎn)生的結(jié)果。

4.1.1 數(shù)據(jù)處理

旨在通過采用濾波、編輯、數(shù)學(xué)變換檢測(cè)數(shù)據(jù)等方法與手段，將數(shù)據(jù)中的噪聲予以抑（壓）制，體現(xiàn)轉(zhuǎn)換有價(jià)值息按特定。數(shù)據(jù)處理按流程分為：預(yù)處理數(shù)據(jù)、歸一化數(shù)據(jù)、處理波形、分離波場(chǎng)，最后根據(jù)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

4.1.2 數(shù)值模擬

待檢結(jié)構(gòu)物由內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)物理模型[3]，再檢測(cè)參數(shù)與檢測(cè)原理，構(gòu)建檢測(cè)法數(shù)學(xué)模型，并以數(shù)值求解給出波動(dòng)方程，用以分析檢測(cè)物內(nèi)部的裂縫與響應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。并以數(shù)值模擬分析混凝土立墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)不密致狀況與空鼓占比。

4.2 數(shù)值模擬缺陷判斷指標(biāo)設(shè)定

由于彈性響應(yīng)波形的分析結(jié)果來自數(shù)值模擬數(shù)值，還要依據(jù)鉆孔來驗(yàn)證并微調(diào)判斷標(biāo)準(zhǔn).為了減少數(shù)值模擬邊界效應(yīng)，應(yīng)設(shè)定以下指標(biāo)，模型厚度定在0.7 m，長(zhǎng)度定在20 m，并設(shè)定1條裂縫模型中間區(qū)域，裂縫具體深為0.1 m，長(zhǎng)為2.0 m，寬為0.01 m。移動(dòng)間距與激發(fā)偏移距均設(shè)定0.2 m，密致混凝土立墻縱波波速為5 km/s，輸入波的中心頻率為5 kHz，裂縫混凝土立墻的縱波波速為3 km/s，運(yùn)用有限元法方程求解待檢構(gòu)建物沖擊響應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值模擬。

經(jīng)由沖擊響應(yīng)波形計(jì)算得到?jīng)_擊響應(yīng)強(qiáng)度P，在結(jié)構(gòu)密致區(qū)域內(nèi)P≤0.5；在裂縫區(qū)域內(nèi)Ｐ≥2，雙方數(shù)值差距超過4倍。根據(jù)上述理論數(shù)值結(jié)果，對(duì)照少量取芯結(jié)果，去除裂縫區(qū)域邊界影響，確定彈性響應(yīng)波形數(shù)值sv模擬缺陷判斷標(biāo)準(zhǔn)：P≥1.74，結(jié)構(gòu)呈空鼓；

P=1～1.74，結(jié)構(gòu)判斷不明確；P≤1，結(jié)構(gòu)密致。

5 結(jié)果

5.1 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

根據(jù)每一檢測(cè)點(diǎn)位的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算數(shù)值[4]，繪制其強(qiáng)度分布圖，這一強(qiáng)度分布局再根據(jù)已定的工程解釋標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換為裂縫分布圖。由上述檢測(cè)結(jié)果形成的裂縫分布圖可知，該立墻中部墻體內(nèi)存有大片區(qū)域的裂縫或空鼓；有一小范圍很小的不明判斷區(qū)位于該立墻裂縫區(qū)邊緣，因這一區(qū)域?yàn)榱芽p尖滅區(qū)，部分裂縫形態(tài)呈閉合狀，故其沖擊響應(yīng)波形呈不明顯狀。

圖1為立墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)密致狀態(tài)統(tǒng)計(jì)圖。由圖可知，該立墻內(nèi)部空鼓（裂縫）結(jié)構(gòu)占14.9％，結(jié)構(gòu)密致區(qū)域占72.9％，另有12.2％的部分結(jié)構(gòu)難以判明區(qū)域。

5.2 取芯試驗(yàn)結(jié)果

以對(duì)立墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)物的取芯實(shí)驗(yàn)，證實(shí)沖擊響應(yīng)波形試驗(yàn)結(jié)果正確與否。檢測(cè)共計(jì)布置取芯點(diǎn)59個(gè)，其中在擬定的“結(jié)構(gòu)密致區(qū)域”布置11個(gè)點(diǎn)，這11點(diǎn)取芯11個(gè)，取芯過程沒有接觸到裂縫；在擬定的“結(jié)構(gòu)空鼓（裂縫）區(qū)域”布置46個(gè)點(diǎn)，取芯44個(gè)，2個(gè)碰到鋼筋取芯失?。辉跀M確定的“結(jié)構(gòu)不明確區(qū)域”布置2個(gè)點(diǎn)，取芯2個(gè)，證實(shí)此點(diǎn)位為裂縫區(qū)域。

6 立墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂縫成因分析

6.1 立墻內(nèi)部裂縫成因分析

造成劈裂成因有多種：可能材料方面，諸如水泥品種，骨料質(zhì)量，外加劑等因素；也可能是施工工藝方面，諸如模板安裝不規(guī)范、鋼筋綁扎不牢固、混凝土澆筑不密實(shí)等因素[5]；還有可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，存在支撐體系布置不當(dāng)、荷載分布不均等因素；也不排除環(huán)境影響方面，存在溫度變化、濕度變化，或者化學(xué)腐蝕等因素。但經(jīng)過一一排查，問題可能出現(xiàn)在溫度變化方面。因?yàn)?，該?nèi)墻墻體已養(yǎng)護(hù)較長(zhǎng)時(shí)間，關(guān)鍵性能保持較好。過冬前沒有出現(xiàn)不良現(xiàn)狀，越冬后裂縫呈現(xiàn)。在檢測(cè)波紋管時(shí)發(fā)現(xiàn)管內(nèi)存有大量積水，采取鉆孔措施排水時(shí)水流呈射狀，故此判斷因波紋管灌漿不充實(shí)，在嚴(yán)冬時(shí)節(jié)，立墻內(nèi)部的積水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生了裂縫。同時(shí)，鑒于波紋管的塑性材質(zhì)，耐低溫不易凍壞，進(jìn)入春季，冰化為水，仍存于管中，沒有減少。

6.2 數(shù)值驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述推斷，建立立墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維超模型，由數(shù)值計(jì)算，分析墻體內(nèi)部的應(yīng)力分布在波紋管內(nèi)的貯水凍脹作用下所致的破壞狀態(tài)，逐一比對(duì)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，取一5 m長(zhǎng)墻體作為有限元計(jì)算模型.計(jì)算模型包括波紋管、墻體、錨頭及灌漿體、預(yù)應(yīng)力錨索及鋼筋等預(yù)應(yīng)力體系構(gòu)件，結(jié)合實(shí)體單元建模，合計(jì)形成135 360個(gè)六面體實(shí)體單元。

運(yùn)用非線性有限元結(jié)合帶預(yù)設(shè)縫單元的方法進(jìn)行數(shù)值模擬，以精準(zhǔn)計(jì)算模擬內(nèi)墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫、裂縫延伸、形成貫通產(chǎn)生破壞的全過程，并據(jù)此計(jì)算結(jié)果推測(cè)立墻內(nèi)結(jié)構(gòu)物裂縫空鼓的演化過程。施加裂縫單元抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，在墻內(nèi)結(jié)構(gòu)縫面應(yīng)力達(dá)不到縫面強(qiáng)度時(shí)，此時(shí)縫的狀態(tài)是黏接，縫的傳力機(jī)制呈臨界狀態(tài)，與無裂縫是一致的；當(dāng)縫表面的應(yīng)力大于破壞強(qiáng)度后，縫面呈現(xiàn)被拉壞、剪壞狀態(tài)。

6.3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

模擬結(jié)果顯示，在多孔隙同時(shí)被凍脹時(shí)，凍脹≥0.06%，結(jié)構(gòu)物兩端裂縫開裂；當(dāng)凍脹≥0.28%，結(jié)構(gòu)物兩端裂縫貫通，中部裂縫延伸；凍脹≥0.4%，結(jié)構(gòu)物兩端與中間裂縫貫穿，內(nèi)部裂縫串連成片，匯成區(qū)域空鼓裂縫。由此推斷，立墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)劈裂的主因，是冬季波紋管內(nèi)積水經(jīng)凍脹體積膨大。

7 結(jié)論

針對(duì)某農(nóng)村調(diào)水工程的雙向混凝土立墻內(nèi)部出現(xiàn)劈裂，運(yùn)用沖擊映像法檢測(cè)原理，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)，據(jù)此結(jié)合帶預(yù)設(shè)縫單元有限元模擬結(jié)果，分析立墻構(gòu)建物裂縫成因，結(jié)論如下：

（1）經(jīng)鉆芯取樣驗(yàn)證結(jié)果表明，沖擊映像法檢測(cè)技術(shù)有明顯優(yōu)勢(shì)：不受混凝土鋼筋網(wǎng)與波紋管復(fù)雜構(gòu)造與厚度的影響，在檢測(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)密致度缺陷等方面，易操作，精確率高，出結(jié)果快，分辨率明晰，檢測(cè)結(jié)果可靠。

（2）其缺點(diǎn)是需結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算，并借助少量取芯標(biāo)定結(jié)果的基礎(chǔ)上予以檢評(píng)，后續(xù)需要制定由沖擊響應(yīng)強(qiáng)度判斷內(nèi)部缺陷的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）裂縫成因表明，波紋管注漿密度不達(dá)標(biāo)，波紋管內(nèi)積水遇冬季低溫凍脹是立墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)劈裂的主因。

該工程的施工者與管理者，應(yīng)強(qiáng)化安全意識(shí)，嚴(yán)控波紋管注漿質(zhì)量，杜絕管水積水發(fā)生，有必要對(duì)防波紋進(jìn)行二次灌漿作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡慶國(guó)，朱建偉.地震映像法在水運(yùn)工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2019，19（11）：267-268.

[2] 萬里，韓曉健，汪博，等.沖擊回波法識(shí)別混凝土缺陷試驗(yàn)研究[J].混凝土，2012（2）：8-10.

[3] 龔衛(wèi)鋒，馮少孔.沖擊映像法在混凝土無損檢測(cè)中的應(yīng)用方法研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2018，16（2）：205-209.

[4] 馮少孔，黃濤，李海楓.大型預(yù)應(yīng)力混凝土立墻內(nèi)裂縫檢測(cè)與成因淺析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，49（7）：977-982.

[5] 童廣偉，林大明，劉康和，等.地震映像法和瑞雷波法在某隧洞塌腔勘察中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2021（4）：54-56+64.