陳冬勇

（五凌電力有限公司，湖南 長沙410004）

1 工程概況

五強(qiáng)溪水電站位于湖南省沅陵縣境內(nèi)沅水干流上，是一座以發(fā)電為主、兼有防洪、航運(yùn)等綜合效益的大型水電工程。壩址以上控制流域面積83800km2，正常高水位108m，水庫總庫容42.9億m3，為季調(diào)節(jié)水庫。電站總裝機(jī)1 200 MW。

三級(jí)船閘由上游引航道、上游進(jìn)水口、閘首（4個(gè)）、閘室（3個(gè)）、下游泄水口和下游引航道等11部分組成，呈直線型布置，全長達(dá)1.66 km，其中船閘主體結(jié)構(gòu)長531.0 m。各閘首有效尺寸為130 m×12 m×2.5 m（長×寬×檻上最小水深），設(shè)計(jì)水頭分別為37.7 m、27.7 m和24.0 m。

運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)船閘一閘室開合度超設(shè)計(jì)值，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)閘室地板及輸水廊道出現(xiàn)大量裂縫。目前，混凝土裂縫深度無損檢測(cè)手段主要有超聲波平測(cè)法和表面波法，其中超聲波平測(cè)法有效檢測(cè)深度僅為0.5 m，而表面波法有效檢測(cè)深度可達(dá)數(shù)米，且具有受混凝土內(nèi)鋼筋影響小等優(yōu)點(diǎn)。為查明船閘混凝土裂縫深度發(fā)展性狀，使用RL-2000系列表面波檢測(cè)設(shè)備，采用表面波法對(duì)船閘一、二閘室底板和輸水廊道底板若干裂縫的深度進(jìn)行檢測(cè)。

2 檢測(cè)原理

表面波是縱波和垂直極化的橫波的合成波，它包括三種波型的波（R波、Lamb波、Love波）。R波在半無限勻介質(zhì)彈性體內(nèi)傳播，它的傳播速度VR與振動(dòng)頻率f之間關(guān)系如下：

其中：VR是表面波的傳播速度；λR是表面波的波長；f是表面波的頻率。

因此在已知介質(zhì)中，改變振動(dòng)頻率即能改變表面波的波長。在有衰減的介質(zhì)中（如混凝土、巖石、砂土），表面波的等效傳播深度D一般為半波長深度，若改變表面波的頻率，表面波的等效傳播深度也隨之改變，因此表面波在非均勻介質(zhì)中傳播將具有明顯的頻散特性，目前表面波法勘探或無損檢測(cè)就是利用表面波的頻散特性。表面波法檢測(cè)裂縫深度時(shí)，利用穿透裂縫的表面波的頻散特性檢測(cè)混凝土中開口裂縫的深度，根據(jù)不同頻率表面波的相位差檢測(cè)有充填物的裂縫深度，通過分析表面波經(jīng)過裂縫群形成的散射場(chǎng)檢測(cè)其中最深的裂縫深度。見圖1。

圖1 表面波遇縫的傳播機(jī)理示意圖Fig.1 Propagation of surface wave as encounter of crack

3 檢測(cè)設(shè)備

本次裂縫檢測(cè)采用RL-2000系列表面波無損檢測(cè)儀器，該儀器、由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、表面波激振器、拾振器、信號(hào)處理器、便攜式工控機(jī)等組成。用于檢測(cè)混凝土裂縫深度時(shí)，信號(hào)發(fā)生器、功率放大器及表面波激振器組成發(fā)射系統(tǒng)向混凝土發(fā)射不同頻率的表面波信號(hào)，由拾振器、信號(hào)處理器及微機(jī)組成接收系統(tǒng)，對(duì)表面波信號(hào)進(jìn)行拾取、放大、A/D轉(zhuǎn)換以及有用信息的提取、分析計(jì)算并輸出結(jié)果?，F(xiàn)場(chǎng)儀器布置示意圖見圖2。

圖2 儀器的現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖Fig.2 Layout of the instruments

4 檢測(cè)方法和檢測(cè)結(jié)果

4.1 檢測(cè)方法

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況在每個(gè)測(cè)區(qū)布置一條無縫區(qū)測(cè)線和一條有縫區(qū)測(cè)線，在每條測(cè)線上依次布置一個(gè)表面波激振器和兩個(gè)拾振器，兩條測(cè)線的表面波激振器可共用。測(cè)試時(shí)，表面波激振器從高頻（20 000 Hz）到低頻（300 Hz）發(fā)射表面波信號(hào)，利用兩個(gè)拾振器檢測(cè)傳播到接收點(diǎn)的各頻率表面波信號(hào)，逐步調(diào)低表面波頻率以加大測(cè)試深度，直至有縫區(qū)測(cè)量的表面波頻散曲線和無縫區(qū)測(cè)量的表面波頻散曲線相交后結(jié)束。

根據(jù)船閘現(xiàn)場(chǎng)條件并結(jié)合一閘室有限元模擬計(jì)算裂縫情況（圖3），選擇27個(gè)典型測(cè)區(qū)檢測(cè)裂縫深度。其中一閘室廊道底板布置15個(gè)測(cè)區(qū)（C1～C15，其中C5、C7為裂縫群），一閘室底板布置2個(gè)測(cè)區(qū)（C16、C17）；二閘室廊道底板布置8個(gè)測(cè)區(qū)（C18～C25），二閘室底板布置2個(gè)測(cè)區(qū)（C26、C27）。各測(cè)區(qū)每條測(cè)線上的兩只拾振器間距均為1.0 m。檢測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)情況見圖4。

圖3 一閘室模擬計(jì)算裂縫分布圖Fig.3 Simulation of cracks distribution of chamber 1

圖4 檢測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)布置情況Fig.4 Layout of the testing instruments

4.2 檢測(cè)結(jié)果

一閘室廊道底板C1測(cè)區(qū)中C0為無縫區(qū)的相頻特性曲線，C1為有縫區(qū)的相頻特性曲線，表面波振的特征頻率fo為2 000 Hz，表面波在兩拾振器之間的傳播時(shí)間Δt為442μs，由此計(jì)算得到表面波的傳播速度VR為2 262 m/s。根據(jù)表面波檢測(cè)裂縫深度的原理計(jì)算，該處的裂縫深度為0.56 m。

同理，根據(jù)C2～C15及C18～C25測(cè)區(qū)的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算各部位的裂縫深度，計(jì)算結(jié)果見表1，其中一閘室廊道底板C11、C12測(cè)區(qū)的相頻特性曲線見圖5。

根據(jù)一閘室底板C16、C17測(cè)區(qū)和二閘室底板C27測(cè)區(qū)的無縫區(qū)相頻特性曲線和有縫區(qū)相頻特性曲線，結(jié)合閘室底板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和Lamb波在板狀結(jié)構(gòu)物中的傳播原理分析，該三個(gè)測(cè)區(qū)的裂縫均已裂穿閘室底板。

圖5 C11、C12測(cè)區(qū)表面波相頻特性曲線圖Fig.5 Phase-frequency characteristic of the surface wave in C11and C12detection area

由于二閘室底板C26測(cè)區(qū)表面附近有兩個(gè)臨空面，不能近似看作半無限平面空間，而是一個(gè)有兩個(gè)面并存在固定邊界的結(jié)構(gòu)面，在此類結(jié)構(gòu)物表面?zhèn)鞑サ谋砻娌長amb波，其傳播等效深度要根據(jù)Lamb中So波振幅特性方程來計(jì)算，并由此計(jì)算得到該測(cè)區(qū)的裂縫深度為1.46 m。

表面波無損檢測(cè)結(jié)果表明一、二閘室底板局部已裂穿，閘室輸水廊道的裂縫深度為0.3～2.4 m，檢測(cè)結(jié)果與有限元模擬計(jì)算成果基本吻合。選取其中13個(gè)測(cè)區(qū)采用超聲平測(cè)法或鉆孔法檢驗(yàn)裂縫深度，與表面波無損檢測(cè)結(jié)果基本一致（見表1）。

5 結(jié)語

本次表面波法應(yīng)用實(shí)例說明，表面波無損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)復(fù)雜條件下的大體積混凝土深裂縫深度方面具有優(yōu)越性，隨著其應(yīng)用的不斷深入和推廣，可能成為該領(lǐng)域一種比較有效的檢測(cè)手段。

表1 不同方法檢測(cè)部分測(cè)區(qū)的裂縫深度對(duì)比分析一覽表Table 1 :Data of crack depth tested by different methods