楊嘉明

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130062）

鋼襯混凝土高壓管道相當(dāng)于一個多層襯砌的隧洞，鋼襯能夠承擔(dān)部分內(nèi)水壓力和防止?jié)B透，回填混凝土能夠?qū)⒉糠謨?nèi)水壓力傳給圍巖，因此，回填混凝土與鋼襯之間必須緊密結(jié)合，回填混凝土的灌漿質(zhì)量是鋼襯混凝土施工中的關(guān)鍵。鋼襯混凝土回填灌漿施工過程中形成的脫空、空隙或孔洞，是由于施工工藝的缺陷或技術(shù)能力的限制造成的。一般來說，豎井段的回填混凝土灌漿質(zhì)量易于保證，斜井段次之，平洞段最難，尤其是平洞段頂拱至左右壩肩范圍內(nèi)。脫空缺陷將影響鋼襯混凝土管道運行的安全性和耐久性。由于鋼襯混凝土回填灌漿施工屬隱蔽工程，僅依靠旁站監(jiān)督管理很難完全避免出現(xiàn)質(zhì)量問題。

1 方法介紹

用于檢測鋼襯混凝土回填灌漿質(zhì)量的傳統(tǒng)方法主要有沖擊回波法、錘擊法、中子法、內(nèi)窺鏡法、通風(fēng)法、鉆孔法等。其中錘擊法是使用小鐵錘敲擊鋼襯表面，通過聲音定性判斷脫空缺陷是否存在，該方法的缺點是需要感官經(jīng)驗，存在個體差異；中子法是利用快中子慢化原理，通過測量散射熱中子的數(shù)量，判斷混凝土脫空位置，該方法的缺點是需要放射性源，其運輸和保存條件均十分苛刻；內(nèi)窺鏡、通風(fēng)法和鉆孔法都屬于有損檢測方法，會給鋼襯結(jié)構(gòu)帶來破壞。而沖擊回波法彌補了以上方法的不足，是一種簡便、快捷、準(zhǔn)確、有效的鋼襯混凝土灌漿質(zhì)量無損檢測方法，被廣泛應(yīng)用[1]。

2 基本原理

沖擊回波法是基于瞬態(tài)應(yīng)力波的反射原理，也稱脈沖回波法（Impact Echo，簡稱IE）。該方法主要用于快速檢測混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的厚度及孔洞、蜂窩、裂縫等缺陷。檢測時用鐵錘敲擊鋼襯內(nèi)表面，所產(chǎn)生的脈沖應(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，會產(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，會引起瞬時共振，通過分析沖擊回波信號的時間域和頻率域曲線，以達(dá)到檢測結(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[2]?；炷两Y(jié)構(gòu)厚度或缺陷深度H由下式計算：

式中：V——混凝土的應(yīng)力縱波速度，km/s；t0——沖擊回波旅行時間，μs。

通過適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)系統(tǒng)，產(chǎn)生具有較寬頻帶且足夠能量的沖擊波，接收系統(tǒng)接收到較強(qiáng)的多重回波信號，通過傅立葉變換處理回波信號得到頻譜曲線并獲得回波的優(yōu)勢頻率f（Hz），可計算H：

3 檢測方法

3.1 準(zhǔn)備工作

根據(jù)規(guī)范要求，正式檢測前宜開展試驗檢測工作，通過在鋼襯外表沿軸向進(jìn)行鋼襯應(yīng)力波速度測試，一般測試8～12 點，根據(jù)各點的距離與旅行時間計算鋼襯應(yīng)力波速度，一般鋼襯應(yīng)力波速度約為5.4 km/s；通過平面聲波換能器測試充填混凝土試塊的縱波速度，一般測試3～5 塊，試塊尺寸為150 cm×150 cm×150 cm，一般C20 混凝土應(yīng)力波速度為3.4 km/s。

在鋼襯與混凝土緊密結(jié)合的情況下，應(yīng)力波反射界面為鋼襯與混凝土的接觸界面；當(dāng)鋼襯與混凝土之間脫空的情況下，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，可計算出有無缺陷情況下的應(yīng)力波反射系數(shù)，見表1。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)鋼襯與混凝土脫空時，其反射波系數(shù)遠(yuǎn)大于鋼襯與混凝土緊密接觸情況，容易形成多次反射，故在鋼襯表面測到的應(yīng)力波能量將顯著增加。

表1 反射系數(shù)計算表

結(jié)合沖擊回波波形頻譜圖分析：如鋼襯與混凝土結(jié)合密實，則反射波形呈現(xiàn)為一個主頻，頻率高、衰減快，且幅值較??；如鋼襯與混凝土結(jié)合不密實，則反射波形呈現(xiàn)為振動頻譜較寬，為多能量峰并列情況；如鋼襯與混凝土脫空，則反射波形呈現(xiàn)為一個高頻被一個低頻調(diào)制而衰減較慢的形態(tài)，且幅值較大[3，4]。

3.2 檢測布置

沖擊回波法檢測鋼襯混凝土脫空缺陷一般分普測和詳測兩個階段。普測階段在鋼襯的頂拱及左、右拱肩沿軸線方向各布置1條測線，逐一檢測并對異常區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記。詳測階段則針對普測階段發(fā)現(xiàn)的脫空區(qū)域進(jìn)行加密檢測，以確定脫空范圍。鋼襯混凝土質(zhì)量檢測橫斷面布置示意圖見圖1。

圖1 鋼襯混凝土質(zhì)量檢測橫斷面布置示意圖

沿測線方向布置激發(fā)點與接收點，采用單發(fā)單收共偏移觀測方式，激發(fā)源采用恒定源。為便于現(xiàn)場測試，偏移距離與點距相同，一般宜取20 cm。完成測點的信號采集后，同步移動激發(fā)點和接收點，進(jìn)行下一個測點的測試，直至完成整條測線的檢測工作，將所有測點的沖擊回波波形排列一起形成波列圖?，F(xiàn)場測試完畢后，通過計算分析各接收點應(yīng)力波總能量，根據(jù)波動能量差異判斷鋼襯混凝土的脫空位置與范圍。

4 項目概況

YF 水電站以發(fā)電為主兼有防洪、灌溉、轉(zhuǎn)運木材等綜合效益的大（1）型水電站。樞紐由攔河壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及開關(guān)站等建筑物組成。大壩為混凝土寬縫重力壩，其右側(cè)設(shè)有4 個中孔泄水洞，最大泄流能力為2 304 m3/s，進(jìn)出口為7.0 m×5.3 m 矩形斷面，孔身為直徑5.3 m 的圓形斷面。至檢測時已運行55 年，鋼襯段一直未進(jìn)行維修，孔內(nèi)漏水量大并常年積水，導(dǎo)致鋼板整體銹蝕嚴(yán)重，部分銹蝕嚴(yán)重區(qū)出現(xiàn)防腐涂層脫落現(xiàn)象，同時部分鋼板有變形情況出現(xiàn)。通過沖擊回波法對4 個中孔鋼襯段混凝土無損檢測，對其脫空情況予以評價。

5 檢測成果

最終檢測成果見表2。

表2 中孔鋼襯段混凝土無損檢測結(jié)果

6 結(jié)語

綜合上所述，此次檢測發(fā)現(xiàn)，脫空明顯且規(guī)模較大，1 m2以上脫空異常發(fā)育數(shù)量相對少，但占脫空總面積的比例高，后續(xù)影響大；1 m2以下脫空異常發(fā)育數(shù)量多，但占總面積比例低，后續(xù)影響小。

沖擊回波法能量一般采用波動能量公式計算，采用波形、回波主頻值和能量綜合確定的鋼襯與混凝土脫空缺陷判據(jù)及評價脫空程度較單一，參數(shù)更為可靠。沖擊回波法憑借精度高、工期短、成本低的特點，能夠快速準(zhǔn)確地檢測出鋼襯混凝土脫空范圍及厚度，為后續(xù)的補強(qiáng)灌漿處理，提供了可靠的依據(jù)。沖擊回波法也可進(jìn)行鋼襯混凝土灌漿施工前后對比檢測，對于指導(dǎo)施工、保證一次性施工質(zhì)量更具建設(shè)意義。