郭曉義

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津301700)

0 前言

直孔水電站壩基混凝土防滲墻軸線總長(zhǎng)度1 010.5 m，沿土石壩軸線布置，墻厚0.8 m，設(shè)計(jì)防滲面積47 220 m2，最大墻深79 m，平均墻深為46.73 m。為目前國(guó)內(nèi)深度和施工難度最大的防滲墻工程之一。

防滲墻墻體質(zhì)量檢查采用超聲波無(wú)損檢測(cè)結(jié)合鉆孔取芯檢測(cè)的方法。超聲波無(wú)損檢測(cè)較為全面地反映了墻體混凝土的強(qiáng)度、連續(xù)性和均質(zhì)性，最大限度地避免了鉆孔取芯對(duì)墻體的破壞，具有快速、無(wú)損、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。

1 超聲波無(wú)損檢測(cè)原理

超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展至今，已可以對(duì)混凝土進(jìn)行多方面的檢測(cè)。本工程應(yīng)用到的是“對(duì)測(cè)法”檢測(cè)混凝土防滲墻的強(qiáng)度、完整性、均勻性和“對(duì)測(cè)法”、“斜測(cè)法”檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷。

混凝土為固相、液相和氣相隨機(jī)交織而成的非均質(zhì)、各向異性的多相復(fù)合材料。由于聲波的散射以及低頻余振較長(zhǎng)，即接收信號(hào)的混響時(shí)間很長(zhǎng)，如果采用反射法(自發(fā)、自收)，必然使缺陷反射信號(hào)疊加在發(fā)射信號(hào)的余振之中，無(wú)法分辨，所以應(yīng)采用透射法對(duì)混凝土進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)方法見(jiàn)圖1。

圖1 超聲波透射法檢測(cè)墻體示意圖

本工程無(wú)損檢測(cè)采用NM-3B型非金屬超聲波檢測(cè)設(shè)備，配套有井下?lián)Q能器和平面換能器各一對(duì)。檢測(cè)時(shí)，地面儀器通過(guò)電纜控制高壓發(fā)射電路，產(chǎn)生受控高壓脈沖，激勵(lì)發(fā)射換能器重復(fù)發(fā)射超聲波，脈沖在混凝土中傳播，然后由接收換能器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)程控放大與衰減網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)調(diào)整后輸給高速A/D轉(zhuǎn)換采集部分，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后以DMA數(shù)據(jù)傳輸方式送入微機(jī)，顯示聲波信號(hào)并測(cè)記聲時(shí)、振幅、頻率、波形等聲學(xué)參數(shù)。超聲波透射法工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 超聲波透射法工作原理框圖

超聲波在混凝土傳播時(shí)能量衰減較大，其原因除了聲能的擴(kuò)散外，主要是混凝土中存在著許多微粒界面的反射、折射及散射，以及混凝土黏滯性造成的吸收衰減。頻率越高，衰減越大;為了降低衰減，使聲波能傳遞較遠(yuǎn)的距離，只能采用低頻率的超聲波。本工程混凝土檢測(cè)中采用了頻率低于50 kHz的低頻超聲波。

1.1 超聲波測(cè)強(qiáng)

超聲波在混凝土中傳播時(shí)，其縱波速度的平方與混凝土的彈性模量成正比，與混凝土密度成正比。而混凝土強(qiáng)度等級(jí)的高低又與其密度有關(guān)，因此，根據(jù)超聲波傳播速度即可求出混凝土強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，混凝土中的聲速越大，其強(qiáng)度越高。

1.2 超聲波測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷

當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫、夾泥、孔洞、斷墻、密實(shí)度差及低強(qiáng)區(qū)等缺陷時(shí)，聲波將發(fā)生衰減;部分聲波繞過(guò)缺陷前進(jìn)，傳播時(shí)間長(zhǎng)，波速減小，產(chǎn)生漫射現(xiàn)象;而遇到有孔洞的空氣界面時(shí)要產(chǎn)生反射和散射，使超聲波的波幅衰減，干擾波的連續(xù)性，使波的傳播路徑復(fù)雜化，引起波形畸變。在檢測(cè)過(guò)程中采取措施并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可確定缺陷的類型、位置、尺寸和缺陷程度。

2 墻體超聲波無(wú)損檢測(cè)方法

2.1 預(yù)埋鋼管的制作與下設(shè)

為方便超聲波發(fā)射及接收換能器下設(shè)和采集數(shù)據(jù)，本工程采用了預(yù)埋鋼管墻內(nèi)成孔的方法。根據(jù)檢測(cè)單位提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，頻率低于50 kHz的低頻超聲波在C 20混凝土中透射距離可達(dá)10～15 m。為避免傳播過(guò)程中過(guò)多衰減造成檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)，結(jié)合槽段劃分情況，采用兩測(cè)點(diǎn)之間的檢測(cè)距離為5.6 m，部分為11.2 m，測(cè)點(diǎn)(預(yù)埋管)布置見(jiàn)圖3。

圖3 超聲波檢測(cè)測(cè)點(diǎn)(預(yù)埋管)布置圖

預(yù)埋管采用壁厚3 mm的Φ70 mm鋼管，各節(jié)之間采用焊接方法連接，焊接后每節(jié)長(zhǎng)度為12.0 m。采用φ18 mm鋼筋制作保護(hù)桁架，保護(hù)桁架在預(yù)埋管下設(shè)前加工完畢，其幾何尺寸為:長(zhǎng)60 cm，寬60 cm，高100 cm。預(yù)埋管與桁架焊接成整體，兩桁架之間距離8.0 m，見(jiàn)圖4所示。最底部的桁架與預(yù)埋管焊接的位置在底管底端以上50 cm處。

預(yù)埋管下設(shè)前將底管底部用薄鐵皮封死。下設(shè)采用吊車起吊，孔口逐節(jié)焊接，直至下至孔底。預(yù)埋管高出孔口10～20 cm。下設(shè)預(yù)埋管和澆筑混凝土的過(guò)程中嚴(yán)防混凝土和雜物經(jīng)管底、接口、管口進(jìn)入預(yù)埋管。預(yù)埋管下設(shè)完畢后將孔口外露部分與鉆機(jī)道軌焊接在一起，以防澆筑過(guò)程中桁架上浮或管體錯(cuò)位。管口用薄鐵皮焊接封堵，以防雜物落入管內(nèi)。

圖4 預(yù)埋管桁架示意圖

2.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)采集

2.2.1 混凝土試塊數(shù)據(jù)采集

對(duì)墻體混凝土試塊進(jìn)行室內(nèi)抗壓強(qiáng)度、波速、彈性模量測(cè)試，目的在于通過(guò)直觀強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比，建立強(qiáng)度～波速、強(qiáng)度～彈模之間的關(guān)系，為后續(xù)墻體檢測(cè)時(shí)確定相關(guān)參數(shù)。具體做法為:試塊在彈模、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)前先進(jìn)行超聲波測(cè)試，隨后對(duì)試塊進(jìn)行彈模、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

試塊采用平面換能器測(cè)試，首先準(zhǔn)確測(cè)出試塊兩點(diǎn)距離，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖5所示。在測(cè)點(diǎn)位置涂上較稀的潤(rùn)滑油作為耦合劑，耦合劑作用是為了使平面換能器的表面與混凝土試塊表面之間保持良好耦合。避免超聲脈沖速度測(cè)量受到與混凝土性能無(wú)關(guān)因素的影響，造成聲速測(cè)量準(zhǔn)確度的降低。測(cè)試時(shí)將發(fā)射換能器壓緊在測(cè)點(diǎn)上，接收換能器壓緊在試塊另一平行面的測(cè)點(diǎn)上，自動(dòng)采集讀取聲時(shí)和聲速。每組3個(gè)試件，每個(gè)試件以6個(gè)面3組點(diǎn)測(cè)得的超聲波速值，計(jì)算其算術(shù)平均值作為該組混凝土試件的波速測(cè)量結(jié)果。

2.2.2 墻體檢測(cè)數(shù)據(jù)采集

檢測(cè)前向管內(nèi)加滿清水作為耦合劑，然后將發(fā)射、接收換能器分別放入檢測(cè)段兩預(yù)埋管底部同一深度，墻體檢測(cè)數(shù)據(jù)采集采用由下而上同步對(duì)測(cè)的方法進(jìn)行，自動(dòng)采集各點(diǎn)的聲時(shí)和聲速。此種檢測(cè)方法應(yīng)特別注意發(fā)射、接收換能器上、下應(yīng)同步，否則超聲波在混凝土中的傳播路線就會(huì)由水平變?yōu)閮A斜，導(dǎo)致傳播時(shí)間延長(zhǎng)，波幅衰減量增大，影響對(duì)混凝土質(zhì)量的判定。本工程采用在換能器數(shù)據(jù)線上以米為單位標(biāo)示長(zhǎng)度的方法進(jìn)行控制，檢測(cè)時(shí)先核對(duì)兩端換能器的下入深度再讀數(shù)。測(cè)點(diǎn)垂直距離為0.5 m。

圖5 試塊測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 墻體質(zhì)量缺陷的現(xiàn)場(chǎng)判定和測(cè)量

根據(jù)防滲墻混凝土澆筑方案推測(cè)，墻體混凝土中可能存在的質(zhì)量缺陷為夾泥、孔洞、斷墻。上述3種質(zhì)量缺陷在超聲波無(wú)損檢測(cè)時(shí)均表現(xiàn)為超聲波傳播時(shí)間延長(zhǎng)和波幅衰減量增加。如何現(xiàn)場(chǎng)確定質(zhì)量缺陷類型和缺陷范圍是墻體質(zhì)量超聲波無(wú)損檢測(cè)的難點(diǎn)。在墻體質(zhì)量超聲波檢測(cè)方案的論證階段，結(jié)合類似檢測(cè)方案確定了下述可信的質(zhì)量缺陷判定和測(cè)量方法。

2.3.1 墻段接縫夾泥的判定

墻段接縫夾泥的判定較為簡(jiǎn)單，如在檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)9～20個(gè)測(cè)點(diǎn)(檢測(cè)高度4～10 m)或更大范圍內(nèi)均出現(xiàn)超聲波傳播時(shí)間和波幅衰減量大于正常值且偏差值不大，可判定為該墻段接縫夾泥。判定依據(jù)如下:①超聲波在泥中的傳播速度小于在混凝土中的傳播速度;②超聲波將在混凝土與泥的交界面上發(fā)生散射導(dǎo)致衰減值增大;③墻段間泥皮厚度很小，超聲波傳播時(shí)間和波幅衰減量受泥皮影響產(chǎn)生的變化量不大;④墻體其他類型的質(zhì)量缺陷導(dǎo)致的超聲波傳播時(shí)間和波幅衰減量大于正常值不可能在如此大的范圍內(nèi)(4～10 m)發(fā)生。

2.3.2 孔洞的判定和測(cè)量

墻體混凝土內(nèi)的孔洞判定采用以下方法進(jìn)行，檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)超聲波傳播時(shí)間和波幅衰減量大于正常值時(shí)即加密測(cè)點(diǎn);若異常范圍較小且聲時(shí)和波幅衰減量較大，即可判定該處有孔洞。

孔洞的位置和范圍采用加密測(cè)點(diǎn)和斜測(cè)法取得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用幾何方法即可算出。測(cè)量和計(jì)算方法見(jiàn)圖6所示。首先，將發(fā)射、接受換能器置于一條貫穿于孔洞的水平線AB上，固定A點(diǎn)移動(dòng)B至B＇，根據(jù)勾股定律可算出AB'的長(zhǎng)度，參照正?；炷林谐暡▊鞑ニ俣葀可算出在正常混凝土中超聲波穿透A、B'兩點(diǎn)之間的混凝土所需的時(shí)間t0，將t0與實(shí)測(cè)時(shí)間t相比，如t＞t0，說(shuō)明直線AB'仍穿過(guò)孔洞，移動(dòng)B'點(diǎn)移動(dòng)至t=t0時(shí)，說(shuō)明直線AB'處于與空洞邊緣相切的AB1、AB2位置，然后固定B點(diǎn)移動(dòng)A點(diǎn)確定A1B、A2B兩條切線，則孔洞為四邊形AaBb的內(nèi)切不規(guī)則幾何平面，由切點(diǎn)即可大致確定孔洞位置及形狀，移動(dòng)AB直線位置確定數(shù)組切點(diǎn)即可相對(duì)準(zhǔn)確地繪出孔洞的幾何形狀。

圖6 孔洞測(cè)量方法示意圖

2.3.3 斷墻的判定和測(cè)量

防滲墻中的斷墻現(xiàn)象是由于澆筑過(guò)程中因計(jì)算錯(cuò)誤或其他原因澆筑導(dǎo)管全部拔脫，形成的墻體中部全斷面混漿和裹泥。當(dāng)超聲波測(cè)量至某斷面時(shí)超聲波波速遠(yuǎn)小于正常值;波幅衰減量遠(yuǎn)大于正常值，通過(guò)測(cè)量空洞的方法始終無(wú)法找到切線，即可判定該處為斷墻。斷墻的測(cè)量采用微移法，即發(fā)射和接受換能器在斷墻位置以2～5 cm的距離同步移動(dòng)，當(dāng)超聲波透射速度與混凝土正?；炷林型干渌俣纫恢聲r(shí)，可認(rèn)為該處為斷墻部分的邊緣線，上下邊緣線確定后即可計(jì)算出斷墻的位置和尺寸。

本工程檢測(cè)中未發(fā)現(xiàn)上述質(zhì)量缺陷，故無(wú)法與實(shí)際情況相對(duì)照，驗(yàn)證上述判定和測(cè)量方法的準(zhǔn)確性。建議以后通過(guò)無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷時(shí)，即在計(jì)算出的缺陷位置進(jìn)行鉆孔取芯檢查，做到有的放矢。

3 超聲波無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

3.1 墻體質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)

由超聲波無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)墻體混凝土質(zhì)量進(jìn)行判定，主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)數(shù)據(jù)繪制的聲時(shí)—深度曲線和波幅(衰減)—深度曲線進(jìn)行。墻體完整性、強(qiáng)度參照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 1006—2003)第10章第10.4節(jié)中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)算和判定?；炷辆|(zhì)性按聲速離差系數(shù)Cv所處區(qū)間來(lái)作為墻體混凝土均質(zhì)性判定標(biāo)準(zhǔn)。

Cv≤0.05 A級(jí) 混凝土質(zhì)量均勻

0.05 ＜Cv≤0.1 B級(jí) 混凝土質(zhì)量基本均勻

0.1 ＜Cv≤0.15 C級(jí) 混凝土質(zhì)量不均勻

Cv＞0.15 D級(jí) 混凝土質(zhì)量嚴(yán)重不均勻

3.2 曲線繪制

本工程無(wú)損檢測(cè)采用的NM-3B型非金屬超聲波檢測(cè)設(shè)備可在檢測(cè)完成后，將各測(cè)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)直接繪出聲時(shí)—深度曲線和波幅(衰減)—深度曲線。直觀地反映墻體各位置聲速V與V0、波幅A與A0之間的關(guān)系并用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算聲速離差系數(shù)Cv，直接判定墻體混凝土質(zhì)量。曲線形式見(jiàn)圖7所示。

圖7 潑速～深度、潑幅～深度曲線圖

4.3 檢測(cè)結(jié)論

本工程從2004年6月30日開(kāi)始第一次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，至2005年11月17日完成了全部墻體的超聲波無(wú)損檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)墻體15個(gè)斷面共計(jì)5 700 m2，達(dá)總成墻面積的11.73%，超聲波測(cè)混凝土試塊5組。檢測(cè)結(jié)論如下:

防滲墻混凝土試塊實(shí)測(cè)軸心抗壓強(qiáng)度24.8～26.5 MPa，強(qiáng)度滿足C20設(shè)計(jì)要求，室內(nèi)試塊聲波波速Vs=4 043～4 412 m/s，與現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)檢測(cè)槽段波速基本一致;彈性模量2.8×104～3.1×104MPa，符合設(shè)計(jì)2.4×104～3.2×104MPa范圍要求。防滲墻墻體各分部檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 防滲墻墻體各分部檢測(cè)結(jié)果匯總表

5 結(jié)語(yǔ)

超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在直孔水電站壩基防滲墻工程墻體質(zhì)量檢測(cè)中的成功應(yīng)用，較為全面地反映了墻體質(zhì)量，給工程質(zhì)量的最終評(píng)定提供了翔實(shí)的數(shù)據(jù)，為以后同類型工程的墻體質(zhì)量檢測(cè)提供了借鑒和參考。結(jié)合方案制定和數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程中出現(xiàn)的各種情況，采用超聲波無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行墻體質(zhì)量檢測(cè)時(shí)有以下幾方面問(wèn)題需要注意:

1)超聲波無(wú)損檢測(cè)中波速和衰減量計(jì)算均假定發(fā)射和接受換能器之間的距離等于理論距離。實(shí)際施工中，由于桁架定位、混凝土沖擊等各種因素影響，檢測(cè)斷面兩端的預(yù)埋鋼管會(huì)出現(xiàn)位移、彎曲，影響測(cè)量精度。所以做好聲測(cè)管的預(yù)埋、定位會(huì)給后續(xù)的檢測(cè)工作提供良好的基礎(chǔ)。

2)由于超聲波在鋼材中的傳播速度大于混凝土中的速度，所以在下設(shè)鋼筋籠的防滲墻內(nèi)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)需按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》有關(guān)規(guī)定對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

3)防滲墻混凝土中的質(zhì)量缺陷的形成原因與明澆混凝土中的質(zhì)量缺陷不同，其形狀、缺陷介質(zhì)聲速等也不能和明澆混凝土簡(jiǎn)單類比。所以直接采用《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》有關(guān)缺陷尺寸估計(jì)的方法進(jìn)行墻體質(zhì)量缺陷尺寸計(jì)算時(shí)結(jié)果不準(zhǔn)。本文所提到的平測(cè)、斜測(cè)相結(jié)合確定缺陷位置及尺寸的方法值得推薦。

4)超聲波無(wú)損檢測(cè)雖然有各種優(yōu)點(diǎn)，但此種檢測(cè)方法無(wú)法直觀判斷混凝土質(zhì)量，無(wú)法通過(guò)壓水試驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)量墻體的滲透系數(shù)。所以本工程采用了無(wú)損檢測(cè)和半破損檢測(cè)(鉆孔取芯)相結(jié)合的方案進(jìn)行墻體混凝土質(zhì)量檢查，取得了良好的效果。

［1］國(guó)家建筑工程監(jiān)督監(jiān)督檢驗(yàn)中心.混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，1999.

［2］李志強(qiáng)，周宗輝，徐東宇，等.基于超聲波技術(shù)的混凝土無(wú)損檢測(cè)［J］.水泥工程，2010(3):72-75.

［3］張科強(qiáng)，楊波.混凝土無(wú)損檢測(cè)的方法及其新發(fā)展［J］.建筑節(jié)能，2007(5):38-41.

［4］吳新璇.混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)［S］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］羅騏先.樁基工程檢測(cè)手冊(cè)［S］.北京:人民交通出版社，2003.