王榮魯，呂小彬，黃 昊，孟麗娟

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京，100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100038）

1 工程概況

某大壩為碾壓混凝土重力壩，跟絕大多數(shù)壩采取溫控措施一樣，施工期在混凝土表面采用保溫板進(jìn)行防護(hù)，由于冬季電路問(wèn)題導(dǎo)致大壩上游面近2萬(wàn)m2的保溫板過(guò)火燃燒，保溫板下的混凝土受到了未知程度的影響。大壩上游面混凝土是壩體防滲的重要屏障，且上游面混凝土與庫(kù)水和空氣接觸，工作環(huán)境比較惡劣（如收縮、侵蝕、凍融循環(huán)等），容易出現(xiàn)耐久性破壞，因此對(duì)上游面混凝土的性能要求較高。火災(zāi)之后，為了確保火災(zāi)損傷混凝土修復(fù)工程的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，盡可能減少損失，盡快恢復(fù)使用，科學(xué)判斷保溫板過(guò)火燃燒對(duì)上游面混凝土的影響程度，必須對(duì)上游面混凝土的表面質(zhì)量狀況進(jìn)行一次系統(tǒng)的檢測(cè)和評(píng)價(jià)，確定可能出現(xiàn)的表面損傷層的深度及損傷程度，為制定相應(yīng)的修補(bǔ)加固或運(yùn)行管理措施提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

2 大壩過(guò)火混凝土表面損傷層厚度檢測(cè)

2.1 損傷層厚度的檢測(cè)方法和原理

火災(zāi)混凝土檢測(cè)方法眾多，在建筑行業(yè)，相關(guān)研究已開(kāi)展多年，但在水工行業(yè)類似的檢測(cè)很少。超聲法在火災(zāi)混凝土檢測(cè)中應(yīng)用廣泛[1]。本次檢測(cè)采用中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS21∶2000《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的方法進(jìn)行[2]。該方法的檢測(cè)原理見(jiàn)圖1所示。

圖1 混凝土表面損傷層厚度檢測(cè)方法示意圖Fig.1 Detection method for the thickness of surface damaged layer

將彈性波激振源置于混凝土表面上一點(diǎn)T且保持不動(dòng)，信號(hào)接收傳感器依次置于測(cè)點(diǎn)R1、R2、R3.....位置上（各測(cè)點(diǎn)間距宜為5 cm，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整）。計(jì)算出每次測(cè)量的彈性波傳播時(shí)間t1、t2、t3....，并測(cè)量每次激振源至接收傳感器的距離l1、l2、l3、....（每一測(cè)區(qū)測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于5點(diǎn)），并繪制彈性波傳播時(shí)間-距離圖（圖1（b））。

由于表面損傷層疏松，其彈性波波速將明顯低于未損傷混凝土。當(dāng)激振源至接收傳感器間距較短時(shí)，彈性波沿?fù)p傷層內(nèi)傳播。當(dāng)間距增大到一定程度后（例如圖中的R3），部分彈性波斜穿過(guò)損傷層后沿未損傷混凝土表面以較快的波速傳播并先于沿?fù)p傷層傳播的波到達(dá)接收傳感器，使所測(cè)彈性波傳播時(shí)間在圖1（b）中有個(gè)躍變。

圖1（b）中兩條直線的斜率tga、tgb分別代表?yè)p傷層與未損傷層混凝土的波速Vf、Va。損傷層厚度按下式計(jì)算：

式中，hf為損傷層厚度；

lo為圖1（b）中與兩條直線轉(zhuǎn)折點(diǎn)相應(yīng)的測(cè)距；

va為未損傷的混凝土中的彈性波波速；

vf為損傷層混凝土中的彈性波波速。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

在本次檢測(cè)工作的前期采取測(cè)試方案（見(jiàn)圖2）對(duì)上游面混凝土損傷層的厚度進(jìn)行檢測(cè)。方案中發(fā)振傳感器與激振錘連接在一起，發(fā)振傳感器和受信傳感器之間的距離從3 cm開(kāi)始以每次3 cm增幅逐漸增加到27 cm。各測(cè)點(diǎn)典型的發(fā)振和接收信號(hào)波形圖見(jiàn)圖3。通過(guò)分析圖3中發(fā)振和接收信號(hào)的傳播時(shí)間差，可以繪制出各測(cè)點(diǎn)彈性波傳播時(shí)間與傳感器距離之間的關(guān)系，典型測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖2 損傷層厚度檢測(cè)方案Fig.2 Scheme for the detection of the thickness of surface damaged layer

（1）20個(gè)測(cè)點(diǎn)中共有18個(gè)測(cè)點(diǎn)的彈性波傳播時(shí)間與傳感器距離之間的關(guān)系基本呈現(xiàn)一條直線，沒(méi)有出現(xiàn)由于損傷層存在而造成的彈性波傳播時(shí)間的躍變。因此，判斷以上18個(gè)測(cè)點(diǎn)處混凝土不存在明顯過(guò)火損傷層。

圖3 典型發(fā)振和接收信號(hào)波形圖Fig.3 Typical wave graphs of the vibration and received signal

圖4 測(cè)點(diǎn)3彈性波傳播時(shí)間與傳感器距離之間的關(guān)系（無(wú)損傷層）Fig.4 Relationship between the travel time of plastic wave and sensor distance of Point 3(non-damaged layer)

圖5 測(cè)點(diǎn)20彈性波傳播時(shí)間與傳感器距離之間的關(guān)系（有損傷層）Fig.5 Relationship between the travel time of plastic wave and sensor distance of Point 20(damaged layer)

（2）20個(gè)測(cè)點(diǎn)中，有2個(gè)測(cè)點(diǎn)在傳感器間距約15 cm時(shí)出現(xiàn)了比較明顯的彈性波傳播時(shí)間的躍變，檢測(cè)出的彈性波（P波）波速明顯偏小。經(jīng)計(jì)算，判斷在該測(cè)點(diǎn)處混凝土表面存在厚度約3 cm的損傷層，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察到的表層混凝土破壞狀況相符。

3 表面波法檢測(cè)過(guò)火后混凝土表層質(zhì)量

3.1 表面波法檢測(cè)混凝土質(zhì)量方法和原理

為了更加全面地評(píng)價(jià)大壩混凝土過(guò)火損傷狀況，還采用表面波（R波）法對(duì)大壩上游面表層混凝土的質(zhì)量狀況進(jìn)行檢測(cè)。表面波方法可以通過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)的一個(gè)可測(cè)面對(duì)混凝土的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，非常適合類似對(duì)大壩上、下游面及溢洪道等混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)[3]。本項(xiàng)檢測(cè)參照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5010-2005《水電水利工程物探規(guī)程》規(guī)定的方法進(jìn)行。

表面波是指介質(zhì)表面受到?jīng)_擊時(shí)產(chǎn)生的沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ā１敬螜z測(cè)中采用的是瑞利波（Rayleigh Wave），簡(jiǎn)稱R波，它是表面波中的一種。在理想半無(wú)限彈性體表面點(diǎn)振源發(fā)振時(shí)，所產(chǎn)生的各成分彈性波的分配比率大概是P波（縱波）7%，S波（橫波或剪切波）26%，R波（瑞利波）67%［4］，可見(jiàn)R波能量最大。而且，相比P波和S波，R波的衰減要小得多。在彈性體表面，瑞利波的衰減比例為1/r（r：距振源的距離），實(shí)體波的衰減比例為1/r2（在彈性體內(nèi)部比例為1/r）。因此，在混凝土表面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，R波信號(hào)最容易采集，能量也最大。R波由縱波（P波）和垂直極化的橫波（S波）合成，在均質(zhì)彈性半無(wú)限空間中，其能量局限于傳播對(duì)象表面，振幅隨著深度的增加而急劇減小，其能量絕大部分集中在1倍波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)。因R波所產(chǎn)生的介質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)方向與R波的傳播方向大體上垂直，所以R波的傳播性能依賴于介質(zhì)材料的剪切彈性模量[5,6]。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

瞬態(tài)表面波檢測(cè)混凝土質(zhì)量示意圖見(jiàn)圖6所示。測(cè)點(diǎn)處沖擊錘和接收加速度傳感器的布置如圖7所示，圖中G點(diǎn)為沖擊錘激振點(diǎn)，P1、P2為高精度加速度傳感器。由于瑞利波的特點(diǎn)，要求激振點(diǎn)到第一個(gè)接收傳感器之間的距離d1大于2倍R波波長(zhǎng)λR，兩個(gè)接收傳感器之間的距離d2宜不小于所要測(cè)試的混凝土深度且接近R波波長(zhǎng)λR[5，6]。本項(xiàng)目中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩表面以下不同深度范圍內(nèi)混凝土質(zhì)量的檢測(cè)，采用了3種尺寸的沖擊錘，分別是直徑17 mm、30 mm和50 mm的球形錘。

圖6 表面波（R波）檢測(cè)示意圖Fig.6 Detection by surface wave(R wave)

圖7 表面波（R波）檢測(cè)激振點(diǎn)和接受點(diǎn)布置示意圖Fig.7 Locations of the vibration generator and signal receiver in the detection by surface wave(R wave)

表面波檢測(cè)主要是通過(guò)圖7中P1和P2兩個(gè)接收加速度傳感器接收到的R波首波的傳播時(shí)間差來(lái)計(jì)算R波波速，并通過(guò)分析P1和P2之間信號(hào)振幅、相位等來(lái)得出R波的波長(zhǎng)。如前所述，計(jì)算出的R波波速反映的是一半波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)混凝土的平均質(zhì)量。圖8為表面波現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試典型波形圖及R波波長(zhǎng)解析結(jié)果。

圖8 表面波測(cè)試典型波形圖及R波波長(zhǎng)解析結(jié)果Fig.8 Typical wave graphs of the surface wave and analysis re?sult of the length of R wave

在所有17個(gè)測(cè)點(diǎn)中，不同等效檢測(cè)深度范圍內(nèi)由表面波（R波）推定的P波波速均在3 600 m/s以上，且大部分都在4 000 m/s以上。由此判斷這17個(gè)測(cè)點(diǎn)處表層混凝土不存在過(guò)火損傷層。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范和本工程的實(shí)際情況，對(duì)過(guò)火后混凝土損傷情況進(jìn)行了綜合檢測(cè)，可以得出以下結(jié)論：

（1）綜合表面損傷層厚度和表面波檢測(cè)的結(jié)果，布置的20個(gè)測(cè)點(diǎn)中只有2個(gè)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了因損傷層而造成的比較明顯的彈性波傳播時(shí)間的躍變，判斷損傷層厚度大約為3 cm，說(shuō)明過(guò)火損傷是局部的，而且是淺層的，可以判斷壩體上游面混凝土表面總體受過(guò)火影響很小。由于壩體上游面將重新覆蓋保溫層，并且作為永久保溫措施，對(duì)混凝土表面起到一定防護(hù)作用，而且壩體混凝土體積大，因此大壩上游面保溫板過(guò)火事故不會(huì)對(duì)大壩的安全造成影響。

（2）本次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，可能受過(guò)火影響稍大的部位是大壩壩頂挑出牛腿的下斜面。在此部位布置的4個(gè)測(cè)點(diǎn)中，有2個(gè)判斷存在比較明顯的損傷層，厚度大約在3 cm之間，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察到的表層混凝土破壞狀況基本相符。但是，由于壩頂挑出牛腿處在水庫(kù)正常蓄水位線以上，因此，該處局部的輕微損傷不會(huì)對(duì)大壩安全造成影響。

[1]閔明保.火災(zāi)后結(jié)構(gòu)受損程度的綜合評(píng)定方法[J].江蘇建筑,2000(2):16-17.

[2]中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS21∶2000超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程[S].2001.

[3]DL/T 5150-2001，水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[4]堤知明,呉佳曄,江川顕一郎.表面波PH用XIVftコンクリート強(qiáng)度の新しXIV測(cè)定技術(shù)[C].シンポジウムコンクリート構(gòu)造物の非破壊検査への期待論文集,2003:37-48.

[5]衝撃弾性波試験(仮稱)iTECS法によtf新設(shè)の構(gòu)造體コンクリート強(qiáng)度測(cè)定要領(lǐng)(案)[M].

[6]國(guó)土交通省大臣官房技術(shù)調(diào)査課[M].微破壊?非破壊試験によtfコンクリート構(gòu)造物の強(qiáng)度測(cè)定試行要領(lǐng)(案)[M].