熊中博，江玉龍

（1.大唐雅安電力開發(fā)有限公司，四川 雅安 625500；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

脈沖回波法在20世紀(jì)50年代開始被開發(fā)研究，其基本原理是根據(jù)彈性波在物件內(nèi)部產(chǎn)生振動(dòng)的共振頻率，計(jì)算缺陷位置及物體厚度。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)的M.Sansalone和N.J.Carino在頻率域?qū)_擊反射回波進(jìn)行分析研究，取得了突破性進(jìn)展，使該方法進(jìn)入實(shí)用階段。加拿大的馬爾霍察在1984年國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)混凝土無損檢測(cè)會(huì)議論文集的綜述中，曾把脈沖回波法列為 “最有發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法之一。我國(guó)在20世紀(jì)80年代中期，開始了聲波 （又稱應(yīng)力波）反射法基樁完整性檢測(cè)的研究開發(fā)與應(yīng)用，南京水利科學(xué)研究院對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行過一定的研究工作。本文簡(jiǎn)要介紹了脈沖回波法在亭子口水電站蝸殼脫空情況檢測(cè)中的應(yīng)用研究工作。

1 亭子口水電站蝸殼脫空檢測(cè)目的

亭子口水利樞紐工程設(shè)計(jì)壩型為混凝土重力壩，主要建筑物由擋水建筑物、泄洪建筑物、發(fā)電建筑物、通航建筑物和引水建筑物等組成。水庫正常蓄水位458.00 m，總庫容40.67億m3，最大壩高113 m，壩頂長(zhǎng)995.4 m。左岸布置壩后引水式廠房，裝機(jī)4臺(tái)，裝機(jī)容量1100 MW。

為保證蝸殼外包混凝土澆筑飽滿，蝸殼外包混凝土底部首先采用常規(guī)的泵送混凝土澆筑，并形成傾向蝸殼中心的斜坡，澆筑至距離蝸殼底部90 cm左右位置，采用坍落度為25～27 cm的高流態(tài)自密實(shí)混凝土，退管法澆筑，當(dāng)混凝土與蝸殼底部相接后，采用環(huán)向預(yù)埋的泵管向座環(huán)、蝸殼陰角部位泵送高流態(tài)混凝土。對(duì)于蝸殼底部確實(shí)難以澆筑密實(shí)的部位，埋設(shè)灌漿管，灌注水泥漿回填密實(shí)。

蝸殼部位受力復(fù)雜，要求回填混凝土與鋼襯之間必須緊密結(jié)合。由于受現(xiàn)場(chǎng)施工條件及混凝土干縮等因素制約，鋼襯混凝土施工過程中形成脫空缺陷難以避免，因此需在鋼襯和混凝土接觸部位預(yù)埋回填灌漿管路后期對(duì)脫空區(qū)域進(jìn)行回填灌漿。由于鋼襯混凝土脫空缺陷屬隱蔽工程，僅依靠施工、監(jiān)理單位對(duì)施工過程的監(jiān)督管理及采用傳統(tǒng)的敲擊檢查難以準(zhǔn)確掌握脫空范圍及脫空深度情況。為定量掌握蝸殼與外包混凝土間脫空區(qū)域的具體情況，判定接觸灌漿完成后其脫空情況是否滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，需對(duì)蝸殼與外包混凝土間脫空區(qū)域分布范圍、面積及深度等進(jìn)行檢測(cè)。

2 檢測(cè)原理及方法

2.1 檢測(cè)原理

傳統(tǒng)用于檢測(cè)鋼襯混凝土脫空缺陷的錘擊法、中子無損檢測(cè)法、內(nèi)窺鏡法、鉆孔法等均存在一定的不足之處，如錘擊法憑感官經(jīng)驗(yàn)，中子無損檢測(cè)法需要放射性源，內(nèi)窺鏡和鉆孔法屬破損檢測(cè)方法。沖擊回波法彌補(bǔ)了前三種方法的不足，是一種簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、有效的鋼襯混凝土管施工質(zhì)量無損檢測(cè)方法。脈沖回波法是基于瞬態(tài)應(yīng)力波的反射原理，能快速檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的厚度以及孔洞、蜂窩、裂縫等缺陷，測(cè)量的物理量為縱波速度、面波速度、襯砌振動(dòng)頻譜。縱波和面波速度反映混凝土強(qiáng)度，波形及頻譜特征則反映襯砌結(jié)構(gòu)的完整性。

采用脈沖回波法測(cè)試時(shí)用小鋼球或以其他方式敲擊 （沖擊）結(jié)構(gòu)表面，產(chǎn)生短暫的脈沖沖擊力，用以產(chǎn)生脈沖應(yīng)力波，在應(yīng)力波向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播過程中，當(dāng)碰到缺陷或波阻抗界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射應(yīng)力波 （沖擊回波），反射應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)表面與缺陷或底界面間發(fā)生多重反射，或引起瞬時(shí)共振狀態(tài)，通過分析沖擊回波信號(hào)的時(shí)域和頻域曲線，檢測(cè)結(jié)構(gòu)的厚度，或判定結(jié)構(gòu)是否存在缺陷及缺陷所在位置。

鋼襯混凝土檢測(cè)的基本原理為:鋼襯表面在沖擊作用下產(chǎn)生多次諧波信號(hào)，對(duì)于單一頻率的平面諧波，鋼襯表面激振點(diǎn)附近的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為

式中，v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，V0為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值，ω為角頻率。

單一頻率諧波的波動(dòng)動(dòng)能為

單一頻率諧波信號(hào)在T時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)總動(dòng)能為

在鋼襯表面激發(fā)應(yīng)力波，一部分應(yīng)力波沿鋼襯表面擴(kuò)散傳播，另一部分能量穿透鋼襯向混凝土傳播，在鋼襯與混凝土界面，或鋼襯與空氣 （或水）界面，應(yīng)力波將產(chǎn)生不同程度的反射，反射波疊加在直達(dá)波之上，使質(zhì)點(diǎn)的波動(dòng)能量有所改變。假定接收點(diǎn)的直達(dá)波能量為E1，反射波能量為E2，則該點(diǎn)的波動(dòng)總能量為

在同樣的激發(fā)能量與激發(fā)條件下，距激發(fā)點(diǎn)相同距離的各接收點(diǎn)的直達(dá)波能量基本一致，從式（4）可知，接收點(diǎn)波動(dòng)總能量的差異反映了反射能量的差異，而應(yīng)力波反射能量的大小主要與鋼襯的結(jié)構(gòu)及是否存在脫空等缺陷有關(guān)，因此可以通過檢測(cè)鋼襯的沖擊回波波動(dòng)能量來判定鋼襯的脫空缺陷情況。

2.2 檢測(cè)方法

本次檢測(cè)采用HX-SY02A非金屬聲波儀，激振源為高能超磁致伸縮發(fā)射源，接收傳感器使用高頻響應(yīng)良好的加速度計(jì)，以黃油作耦合劑。

測(cè)試中儀器設(shè)置參數(shù)及激振源發(fā)射電壓保持不變，以保證每次激發(fā)輸出的激振能量一致，接收條件一致，使所測(cè)信號(hào)具有可對(duì)比性。

2.2.1 鋼襯應(yīng)力波速度測(cè)試

在鋼襯安裝之前，在鋼襯外表沿軸向進(jìn)行鋼襯應(yīng)力波速度測(cè)試。若沒有此測(cè)試條件，則在現(xiàn)場(chǎng)找其他未安裝鋼襯或已安裝的鋼襯表面進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，將平面聲波發(fā)射換能器固定，以10 cm的間距沿直線移動(dòng)接收換能器，測(cè)試各點(diǎn)聲波旅行時(shí)間，測(cè)試8～12點(diǎn)，根據(jù)各點(diǎn)的距離與旅行時(shí)間計(jì)算鋼襯應(yīng)力波速度。

2.2.2 混凝土應(yīng)力波速度測(cè)試

在鋼襯模型澆筑充填混凝土?xí)r制作3～5塊標(biāo)準(zhǔn)試塊，試塊尺寸為150 cm×150 cm×150 cm，利用平面聲波換能器測(cè)試試塊的聲波波速。

2.2.3 應(yīng)力波反射系數(shù)分析

在鋼襯與混凝土緊密結(jié)合的情況下 （質(zhì)量完好），應(yīng)力波反射界面為鋼襯與混凝土的接觸界面；當(dāng)在鋼襯與混凝土之間脫空的情況下 （缺陷），應(yīng)力波反射界面為鋼襯與空氣或鋼襯與水的界面。根據(jù)應(yīng)力波反射原理，可計(jì)算出在鋼襯與混凝土接觸界面存在缺陷或無缺陷情況下的應(yīng)力波反射系數(shù)，見表1。

表1 不同反射界面反射系數(shù)計(jì)算

由表1可知，不同界面的幅值反射系數(shù)和能量反射系數(shù)差異較大，當(dāng)鋼襯脫空時(shí)，其反射波系數(shù)遠(yuǎn)大于鋼襯與混凝土緊密接觸 （無脫空）情況，容易形成多次反射，故在鋼襯表面測(cè)到的應(yīng)力波能量將顯著增加。

2.3 脫空評(píng)判方法

在鋼襯混凝土沖擊回波檢測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)沖擊回波能量不僅與激發(fā)能量、偏移距、接收儀器、傳感器以及設(shè)置參數(shù)有關(guān)，而且與鋼襯混凝土結(jié)構(gòu)及是否存在脫空缺陷有關(guān)，因此在每次檢測(cè)前均應(yīng)通過試驗(yàn)確定臨界值。

臨界值測(cè)定一般選擇在鋼管的底部，該部位鋼襯與混凝土能夠緊密接觸，在該部位選取3～5個(gè)基準(zhǔn)測(cè)區(qū)，設(shè)定同樣的激勵(lì)電壓、偏移距及接收系統(tǒng)參數(shù)，在每個(gè)測(cè)區(qū)檢測(cè)20點(diǎn)，經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)，以各基準(zhǔn)測(cè)區(qū)所有測(cè)點(diǎn)波動(dòng)能量的平均值加3倍均方差作為臨界值。若改變激發(fā)、接收條件，也應(yīng)通過試驗(yàn)重新確定臨界值。

將各測(cè)段的波動(dòng)能量水平，與波動(dòng)能量評(píng)判值相比較，根據(jù)比較結(jié)果判定鋼襯混凝土是否存在脫空缺陷及其程度。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 鋼襯混凝土沖擊回波檢測(cè)脫空缺陷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

3 測(cè)線布置

考慮到蝸殼結(jié)構(gòu)的特殊測(cè)性，亭子口水電站蝸殼測(cè)線布置按蝸殼分塊布置。每個(gè)蝸殼共分28塊，編號(hào)分別為1-1～1-28。每塊按0.5 m×0.5 m網(wǎng)格狀布置，共布置測(cè)線132條，測(cè)點(diǎn)1916個(gè)，測(cè)試長(zhǎng)度958 m。對(duì)普查后發(fā)現(xiàn)的疑似脫空部位按0.25 m×0.25 m網(wǎng)格加密檢測(cè)，加密檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)數(shù)量和測(cè)試長(zhǎng)度依各個(gè)部位脫空比例的大小而不同。檢測(cè)時(shí)沿測(cè)線方向上布置激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)，采用單發(fā)單收共偏移觀測(cè)方式，激發(fā)源采用恒定源。為便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，偏移距離與點(diǎn)距相同。在完成測(cè)點(diǎn)的信號(hào)采集后，同步移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)，進(jìn)行下一個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試，直至完成整條測(cè)線的測(cè)試工作。

4 檢測(cè)結(jié)果分析

檢測(cè)中，先進(jìn)行基準(zhǔn) （未脫空及脫空）參數(shù)測(cè)試。資料處理時(shí)，需要將所測(cè)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)參數(shù)及灌前參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析來判斷蝸殼脫空情況。

對(duì)蝸殼基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)其頻譜特征，蝸殼脫空程度劃分為未脫空、輕微脫空及嚴(yán)重脫空 （見圖1）。未脫空的脈沖回波信號(hào)的頻率主頻單一，主頻42 kHz附近。輕微脫空的頻率特征是主頻向小的方向移動(dòng)，出現(xiàn)雙峰或者多峰，其脫空深度一般不大于1 mm，最大不超過3 mm，大多屬于接觸不良或漿液萎縮，相應(yīng)的可灌性較差；嚴(yán)重脫空的頻率特征是主頻比較單一，小于20 kHz附近，其脫空深度一般大于3 mm，大多屬于漿液萎縮嚴(yán)重或澆灌質(zhì)量不好，可進(jìn)行重灌處理。

圖1 基準(zhǔn)參數(shù)波形、頻率特征示意

亭子口水電站4臺(tái)機(jī)組均進(jìn)行了蝸殼灌前灌后的脫空檢測(cè)，其檢測(cè)成果見表3。表3中脫空率是指相對(duì)回填灌漿面積，灌后脫空情況均達(dá)到嚴(yán)重脫空面積小于3.7%，且單個(gè)面積不 大于0.2 m2。

表3 蝸殼混凝土脫空情況匯總

5 結(jié) 語

脈沖回波法應(yīng)用在電站廠房蝸殼與混凝土脫空檢測(cè)中，操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，檢測(cè)速度快，精度高，數(shù)據(jù)處理方便；該檢測(cè)法可將蝸殼鋼板與其外包混凝土間脫空區(qū)域分布、面積及深度進(jìn)行詳細(xì)展現(xiàn)，為下一步處理和后續(xù)施工提供了科學(xué)依據(jù)。為防止蝸殼灌漿后，仍有脫空的面積或深度不合格，建議蝸殼在設(shè)計(jì)制造時(shí)，預(yù)留接觸灌漿孔，采用堵頭封堵。

［1］李電波.脈沖回波法和探地雷達(dá)在地下洞室混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［C］//中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)地質(zhì)及勘探專業(yè)委員會(huì)中國(guó)水利電力物探科技信息網(wǎng)2012年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京，2012.

［2］裴少英，涂善波，高栓會(huì).蝸殼鋼襯下混凝土脫空缺陷檢測(cè)中中子無損探測(cè)法的應(yīng)用［J］.物探與化探，2013（02）:363-367.

［3］宴國(guó)順，張富家，王旭明.中子無損檢測(cè)法在瀘定水電站蝸殼脫空檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2011，37（05）:83-85.