劉俊青, 殷振興
(江蘇省淮沭新河管理處, 江蘇 淮安 223005)
水閘在水利水電工程中發(fā)揮著極其重要的作用,水閘底板與基礎(chǔ)在服役過程中的脫空病害嚴(yán)重時甚至?xí)绊懻麄€水閘的安全運(yùn)行。尤其在高水頭、長閘室、有壓狀態(tài)中,長期受到水荷載反復(fù)作用下,水閘混凝土底板下土石結(jié)合部脫空對水閘長期穩(wěn)定、使用功能正常發(fā)揮及外觀均會產(chǎn)生較大影響。為了確保水閘的健康安全運(yùn)行,對混凝土板下土石結(jié)合部脫空無損檢測是非常重要的環(huán)節(jié)。目前,有多種對混凝土底板下病害的無損檢測方法,如:地質(zhì)雷達(dá)法[2-3]、聲波法[4-5]等。由于混凝土水閘底板中存在石子顆粒,會對聲波產(chǎn)生較強(qiáng)的反射作用,干擾回?fù)苄盘?,?dǎo)致聲波法難以用反射法分辨底部脫空狀態(tài)。而探底雷達(dá)發(fā)射出的電磁波在地下傳播時不僅受鋼筋的影響較大,而且波形圖譜處理時亦較為繁瑣。水閘底板設(shè)計混凝土較厚、鋼筋間距小,布設(shè)雙層鋼筋等特點,這限制了許多無損檢測方法,而脈沖回波法在水閘底板脫空檢測中的應(yīng)用卻鮮有報道。基于此,依托某實際水閘工程,結(jié)合該水閘自身的特點,研究了脈沖回波法在閘底板下土石結(jié)合部脫空檢測的適用條件及檢測效果。
脈沖回波法是應(yīng)用于工程中的一種無損檢測技術(shù),其基本思想是通過機(jī)械沖擊在被檢測物體表面施加一高頻率應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力波,機(jī)械波在傳播途中遇到缺陷界面產(chǎn)生反射,基于彈性波在物件內(nèi)部產(chǎn)生振動的共振頻率差異以判斷脫空狀態(tài)。機(jī)械產(chǎn)生的沖擊波由縱波、橫波以及瑞利波組成。其中,縱波與橫波是沿圓形波陣面進(jìn)入探測體,而瑞利波是沿表面?zhèn)鞑?。?dāng)縱波在傳播途中遇到病害或介質(zhì)的接觸面時,由于波阻抗差異,波會在這些病害或者接觸面發(fā)生反射,脈沖回波探測基本原理示意圖見圖1。隨著病害或者接觸鍵兩側(cè)的波阻抗差異的增大,其反射亦呈增強(qiáng)趨勢。接收這種反射回波并開展頻譜分析,根據(jù)主頻峰值的變化來判斷波阻抗突變的病害或邊界。
圖1 脈沖回波探測基本原理示意圖
在不同材質(zhì)接觸界面及缺陷產(chǎn)生反射,通過對頻譜分析求得其峰值的頻率f。便可計算出病害的埋深h,計算公式為
(1)
式中:v,f分別為已知波速和頻譜圖波峰值。
為滿足檢測要求及檢測精度。震源選擇等注意事項顯得尤為重要。
1.2.1 震源選擇
檢測所用的儀器為Doctor脈沖回波儀,脈沖回波儀主要包括震源,顯示器以及探頭,該儀器攜帶輕便、操作簡單,具有數(shù)據(jù)、波形存貯與現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理等功能。殷建武等提出脈沖力持續(xù)時間長些,震源的選取時分別考慮了尼龍頭、鋁頭與硬橡膠3種不同材料,試驗對比結(jié)果表明:其脈沖力的持續(xù)時長為鋁頭<尼龍頭<硬橡膠,而得到的力譜寬度為鋁頭>尼龍頭>硬橡膠。為此,當(dāng)?shù)皖l率波較多,傳播深度大時,可選用尼龍頭材料所制作的物件。反之,對于脈沖力的持續(xù)時間段,頻率較高,判斷缺陷具體位置時,可選用剛性的小錘、鋼球等材料。
考慮到水閘底板一板不超過2.00m及水閘底板混凝土檢測環(huán)境。在進(jìn)行脈沖回波檢測土石結(jié)合部脫空試驗和進(jìn)行現(xiàn)場檢測時,為滿足探測要求及探測精度。震源選擇半徑為20mm鋼球較為合理。
在使用鋼球觸發(fā)機(jī)械波時,為提升探測數(shù)據(jù)的精確度與合理性,需對探測界面開展清理與平整處理。此外,每次測量時盡量保持鋼球的位置從相同高度垂直下落。
1.2.2 其他注意事項
(1)接受探頭放置時應(yīng)盡量減少對接收裝置與混凝土板間介質(zhì)的影響。如,可選用涂抹薄層黃油使得探頭與混凝土板接觸度較緊密,提升了二者之間的傳遞性能,從而使得測量接受信號更加精確。
(2)對混凝土波速開展多次實測,將多次實測結(jié)果平均值作為波速的設(shè)定值。放大倍數(shù)由現(xiàn)場采樣根據(jù)預(yù)測試時的波形線決定。
(3)取多次測量結(jié)果中最為精確的一條波形線,將其作為應(yīng)力波反射法所采集波形。選取時宜選用能夠真實反映水閘底板的實際情況的波形,不宜選取含刺狀波形或振蕩波形,并且選擇的波形最終需回歸基線。
為了得到脫空狀態(tài)的判別方法,利用混凝土薄板模型開展了脈沖回波法實驗,得出判據(jù)如下:
(1)波形
脫空狀態(tài)下所用脈沖回波儀接收波形較為參差不齊,產(chǎn)生峰值的頻率亦不均勻;而非脫空情況時接受的波形峰值產(chǎn)生的頻率趨于穩(wěn)定,且波峰之間的相位差較小。因此,通過接收波形可以較為明顯的判別脫空與非脫空板。
(2)主頻
非脫空板狀態(tài)下所用脈沖回波儀接收的主頻信號比脫空狀態(tài)下接收的主頻信號高,表征脫空狀態(tài)下,反射波與入射波二者疊加之后出現(xiàn)的波形頻率不大,這與脫空儀器原始波形能夠保持一致。因此,基于測點的接受信號的最大主頻亦可判別測點附近位置的混凝土板的脫空狀態(tài)。
(3)發(fā)射波時域圖與頻譜圖
時域反射波形圖需將原形波形先通過信號增益、濾波處理,再除以最大峰值得到的波形圖。脫空狀態(tài)下混凝土薄板的反射波形幅度較大,波形較為參差不齊,峰間差值變化較小。
頻譜圖則是通過傅立葉離散變換處理得出的。脫空狀態(tài)下接收信號比非脫空狀態(tài)下接收信號能量相對較大。此外,出現(xiàn)病害的區(qū)域,其測試信號頻率會增大。
某水閘是集引水及排水與一體的節(jié)制閘,閘室采用標(biāo)號為C30的鋼筋混凝土整體塢式結(jié)構(gòu),其閘檻標(biāo)高為-1.00m,閘室長、寬分別為30.00m、34.40m,共1孔,閘孔凈寬為20.00m,底板厚約2.00m,水閘底板上、下游側(cè)的齒坎底高程均為-5.73m,底板下設(shè)置0.10m厚標(biāo)號為C20的素混凝土墊層;底板底高程約為-4.93m,閘底板坐落于③層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土上,土的狀態(tài)為飽和、流塑、高等壓縮性,其地基承載力約為60kPa,C=11kPa,φ=17.00,滲透系數(shù)為4×10-6cm/s;以下為④層淤泥質(zhì)黏土,層均厚為6.30m,飽和,流塑,高等壓縮性,地基承載力為45kPa,C=9kPa,φ=110。水閘平面布置見圖2。
圖2 水閘平面布置圖
從出口向進(jìn)口方向走,間隔5cm測試,測點數(shù)為60個,測線長度3m。測線布置見圖3。
圖3 測線布置
通過現(xiàn)場探測可知,隨著探測深度的增加,檢測結(jié)果精度呈減小趨勢;脈沖回波法較易適合薄混凝土板(≤2.00m)的土石結(jié)合脫空檢測。選擇其中的25個測點的時域圖見圖4、圖5。
圖4 測點15到測點25的時域波形圖
圖5 測點35到測點48的時域波形圖
圖4、圖5中虛線位置為出底板反射波位置,半徑20mm的小球作為震源,由圖可知,底板反射波位置各測點所測數(shù)據(jù)整體上浮動較小,少量測點的波形圖出現(xiàn)異常波動情形,其原因可能為閘底板表面不光滑產(chǎn)生的。噪音對脈沖回波儀的影響較大,選擇合適的觸發(fā)方式十分重要。通過測試結(jié)果能夠從同相軸大致判別出水閘地板與土體結(jié)合部界面的反射波位置,波形整體變化幅度較為平緩,因
此,可得出所測得的測線的底板混凝土較為均勻,該閘地板與土體無脫空。
(1)對于水閘底板一板不超過2.00m及水閘底板混凝土檢測環(huán)境。在進(jìn)行脈沖回波檢測土石結(jié)合部脫空試驗和進(jìn)行現(xiàn)場檢測時,為滿足探測要求與探測精度。震源選擇半徑為20mm鋼球較為合理。
(2)病害探測結(jié)果顯示該水閘底板脈沖回波探測段無脫空。噪音對脈沖回波儀的影響較大,選擇合適的觸發(fā)方式十分重要;隨著探測深度的增加,檢測結(jié)果精度呈減小趨勢;脈沖回波法較易適合薄混凝土板(≤2.00m)的土石結(jié)合脫空檢測。