肖 俊，呂小彬，王榮魯

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3.水利部水工程材料重點實驗室（籌），北京 100038）

渡槽作為一種重要的輸水建筑物，普遍應(yīng)用于灌區(qū)輸水，也用于排洪、排沙等。渡槽質(zhì)量直接影響灌區(qū)的灌溉安全，因此對灌區(qū)渡槽進行安全評價十分必要。渡槽混凝土強度是渡槽安全評價中的重要指標，在混渡槽安全評價中顯得尤為重要。

本文在分析常規(guī)混凝土強度檢測方法的基礎(chǔ)上，就沖擊彈性波原理及彈性波檢測技術(shù)在薄殼渡槽混凝土質(zhì)量檢測中的應(yīng)用進行論述。

1 常規(guī)檢測方法

混凝土強度檢測分為無損和有損兩種，無損檢測主要包括回彈法和超聲法（超聲回彈綜合法），此外還有拉拔測試法、拔出測試法、射釘法等；有損檢測主要是鉆芯法，現(xiàn)場鉆取芯樣，后期在實驗室進行抗壓試驗獲得芯樣的抗壓強度。

1.1 無損檢測

20 世紀50 年代，我國通過引進英國、瑞士等歐洲國家的回彈儀和超聲儀開始進行混凝土結(jié)構(gòu)無損化檢測，同時結(jié)合實際工程開展相關(guān)的研究工作并取得較大進展[1]。

1.1.1 回彈檢測法

回彈檢測法具有在檢測過程中技術(shù)難度較小，操作簡單，檢測速度快，對檢測部位友好等優(yōu)點，是目前水工混凝土質(zhì)量無損檢測最主要的手段之一，但也存在以下幾個方面的缺點。

1）檢測精度不高，個別地區(qū)的回彈曲線和全國回彈曲線差別較大，實際工程中需要根據(jù)不同情況選擇適合的測強曲線，同時需要對回彈角度、碳化深度等進行修正。此外，回彈檢測法對低等級混凝土適應(yīng)性很差。

2）檢測范圍不深，回彈儀檢測混凝土強度僅局限于混凝土表層，對混凝土內(nèi)部質(zhì)量無法衡量，而一般混凝土表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量可能存在較大差異。

3）環(huán)境影響較大，使用回彈儀進行檢測時受混凝土表面的干濕情況、混凝土凹凸面等影響較大。

4）設(shè)備誤差較大，回彈儀主要由彈擊錘、彈擊拉簧、彈擊桿等構(gòu)件組成，本質(zhì)上屬于機械式設(shè)備，存在誤差積累問題。

對西部某灌區(qū)22 個渡槽混凝土支墩芯樣試驗強度和對應(yīng)回彈檢測值繪制對比圖，如圖1 所示。由圖1 可以看出，兩種檢測方法相關(guān)性很小，但回彈法可給其他檢測方法提供數(shù)據(jù)比對參考。

圖1 芯樣試驗值與回彈法檢測值對比圖

1.1.2 超聲回彈綜合法

超聲回彈綜合法也是目前水工混凝土質(zhì)量無損檢測最主要的手段之一，被列入多個行業(yè)規(guī)范。超聲回彈綜合法能一定程度反映混凝土結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，抵消單一回彈法檢測范圍不深、環(huán)境影響較大等不利因素，提高檢測結(jié)果的準確性。不過這種方法的缺點還是十分明顯的[2]，主要表現(xiàn)為以下幾點。

1）超聲聲波在混凝土中穿透性不高，傳播時能量衰減快，一般不適用于超過2 m 厚度的混凝土體。

2）超聲聲波傳播過程中容易受到其他雜散波的影響，因此，給接受波的分析處理提出較高要求，雜散波也是造成檢測誤差的主要因素。

3）使用超聲法對混凝土表面的平整度要求很高，超聲探頭與檢測面的接觸面需使用耦合劑，耦合劑的透聲性（聲阻抗）、潤濕性、粘度等也會對檢測結(jié)果造成一定影響。

4）超聲設(shè)備操作流程相對復(fù)雜，相關(guān)操作規(guī)程是充分發(fā)揮超聲法自身功能的關(guān)鍵，這對檢測人員提出了較高要求，檢測過程中任何一個操作環(huán)節(jié)產(chǎn)生誤差都會嚴重影響到檢測結(jié)果的準確性。

5）區(qū)別于回彈儀的機械屬性，超聲波法使用的設(shè)備屬于電子產(chǎn)品，高精度電子產(chǎn)品的電子元器件在檢測過程中極易出現(xiàn)故障，不能滿足大面積快速檢測需求。

1.2 有損檢測

鉆芯法是典型的有損檢測方法。使用鉆芯機在混凝土構(gòu)件上直接鉆取一定數(shù)量的芯樣，按照相關(guān)試驗規(guī)程進行抗壓強度試驗，獲取實測的混凝土強度。鉆芯法是目前認為最可靠的混凝土強度檢測方法，但是存在以下幾個方面的缺點。

1）標準芯樣的制作要求嚴格，垂直度、平整度及高徑比等對抗壓試驗結(jié)果影響很大，此外芯樣的評定標準在現(xiàn)有的規(guī)范中沒有做出明確的規(guī)定，給芯樣評定帶來很大困難。

2）鉆芯對結(jié)構(gòu)構(gòu)成一定損傷，在混凝土結(jié)構(gòu)上直接鉆取芯樣后雖然進行回填修補，但是回填質(zhì)量無法保證，且在鉆取芯樣過程中經(jīng)常不可避免地破壞混凝土內(nèi)的鋼筋，給鋼混結(jié)構(gòu)造成損傷。

3）鉆芯法的代表性不佳，通常實驗室抗壓試驗的標準試件體積為0.8×10-4m3（直徑10 cm 高10 cm 的圓柱體），相對于特別是水工建筑物的大體積混凝土占比極低。

4）鉆芯法對某些特殊的混凝土結(jié)構(gòu)不適用，如混凝土厚度不到10 cm 的薄殼結(jié)構(gòu)。

2 沖擊彈性波法

沖擊彈性波技術(shù)用于混凝土質(zhì)量評價在美國、日本等發(fā)達國家應(yīng)用比較廣泛[3]，我國尤其是在水工建筑物混凝土質(zhì)量檢測中應(yīng)用還比較少。本文結(jié)合西部某灌區(qū)薄殼渡槽安全評價，扼要介紹沖擊彈性波的原理及混凝土質(zhì)量無損檢測的實例。

2.1 沖擊彈性波簡介

彈性波為在固體媒介中傳播的變形擾動沖擊，沖擊彈性波是指由沖擊錘或其它強力敲擊振源瞬時激發(fā)產(chǎn)生的在彈性介質(zhì)中傳播的彈性波，沖擊彈性波示意圖如圖2 所示。在理想半無限彈性體表面點振源發(fā)振時，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]。

圖2 沖擊彈性波示意圖

由于具有能量大、測試距離遠且適用于頻譜分析等優(yōu)點，沖擊彈性波已得到廣泛的應(yīng)用，低應(yīng)變基樁完整性檢測和巖錨檢測等都是其代表性的方法。與傳統(tǒng)的超聲波相比，沖擊彈性波主要具有如下特點[5]：1）沖擊彈性波由沖擊錘激發(fā)，能量大且集中，測試深度明顯提高，能夠穿透10 m 以上的混凝土；2）沖擊彈性波的卓越頻率一般在幾百到幾千赫茲左右，波長較長，受混凝土骨料顆粒散射和外界雜散波影響??；3）沖擊彈性波檢測現(xiàn)場適用性強，操作方便，適合對大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行快速、全面檢測；4）沖擊彈性波頻譜特性好，適合于IE，SASW 等有限元數(shù)值模擬分析。

2.2 沖擊彈性波（P 波）速度

速度在數(shù)值上等于物體運動的位移跟發(fā)生這段位移所用時間的比值，速度的計算公式：V=△s/△t。當混凝土結(jié)構(gòu)為渡槽槽壁或隧洞襯砌之類只有一個可測臨空面的薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，可采用圖3 中的布置方式測試二維板內(nèi)P 波傳播速度。在一側(cè)使用與加速度傳感器相連的球形激振錘激發(fā)彈性波，在相對一側(cè)布置加速度傳感器接收信號。

圖3 平板結(jié)構(gòu)P 波傳播速度測定法

兩個傳感器接收到的P 波信號首波之間的時間差為如圖4 所示。激振錘敲擊混凝土面后彈性波從鋼錘的敲擊端到另一端加速度傳感器處的傳播時間為△t1（延時，可直接由鋼錘的直徑除以彈性波在鋼材中的傳播速度得出）。

圖4 傳感器之間時間差

若彈性波在混凝土中的傳播長度為L，則VP可由公式（1）求得：

2.3 彈性波（P 波）速度評定混凝土質(zhì)量

彈性波速度是唯一與混凝土的力學(xué)性能（強度、動彈模等）直接相關(guān)的參量。在小應(yīng)變條件下，可以合理地假設(shè)混凝土為理想彈性體，那么P波速度與混凝土的動彈性模量之間存在直接的理論關(guān)系。

三維（無限媒質(zhì)中傳播）：

二維（板內(nèi)傳播）：

一維（桿件中傳播）：

式中：VP3，VP2和VP1分別為混凝土內(nèi)P波（三維、二維和一維）傳播速度，m/s；Ed為混凝土動彈性模量，Pa；ρ為混凝土密度，kg/m3；μ為混凝土動泊松比。

由于混凝土的動彈性模量與強度有很好的相關(guān)關(guān)系，因此，P 波速度與混凝土強度之間也有較好的相關(guān)關(guān)系，彈性波速度可以用來評價檢測斷面內(nèi)部混凝土質(zhì)量分布情況。目前，工程界使用的P 波速度檢測混凝土質(zhì)量評價標準[6]見表1。

表1 常用P 波速度評價混凝土質(zhì)量參考標準

通過對西部某灌區(qū)20 多個渡槽混凝土支墩芯樣試驗強度和對應(yīng)檢測區(qū)域P 波波速進行比對，結(jié)果見圖5。在一定條件下，芯樣的抗壓強度和P波的相關(guān)系數(shù)R可達0.92，其相關(guān)性較好且符合表1 給出的參考評價標準。

圖5 P 波波速和混凝土芯樣強度的相關(guān)性圖

3 實際工程應(yīng)用

3.1 工程概況

西部某灌區(qū)干渠上一座渡槽，建于1980 年，共22 節(jié)槽殼，每節(jié)槽殼長度為10.0 m，渡槽上部采用的U 型槽殼結(jié)構(gòu)，斷面尺寸為1.1 m×2.0 m（槽殼半徑×高），下部為排架結(jié)構(gòu)，渡槽槽殼混凝土強度標號為200 號。該渡槽經(jīng)過40 多年的運行，目前渡槽混凝土蜂窩麻面和鋼筋銹脹比較普遍，部分鋼筋外露銹蝕，渡槽存在一定的安全隱患，威脅工程的安全運行，需要對渡槽進行安全評價。

此次安全評估混凝土檢測中，渡槽槽殼厚度僅為20 cm 且均勻，因此，沖擊彈性波法很適合槽殼混凝土質(zhì)量的檢測。

3.2 檢測成果分析

此次渡槽槽殼混凝土彈性波現(xiàn)場檢測采用沖擊彈性波水工混凝土質(zhì)量檢測儀，激振采用50 mm直徑實心鋼質(zhì)球形激振錘。從渡槽22 節(jié)槽殼中選取4 節(jié)（1～4 號）典型槽殼進行彈性波波速檢測，每節(jié)槽殼在其內(nèi)側(cè)左、右側(cè)墻各布置2 條水平縱向彈性波測線，上部一條布置在水位變化區(qū)，下部一條布置在側(cè)墻底部。每節(jié)槽殼長度為10.0 m，檢測時布置測線長度為8.0 m，基本實現(xiàn)對槽殼整體混凝土質(zhì)量的評價。

每條測線測試5 次，通過讀取首波時間差，利用公式（1）并根據(jù)5 次測試的平均值計算該測線的P 波速度。需要指出的是，由此獲得的是P 波在薄殼渡槽槽殼（薄板結(jié)構(gòu)）內(nèi)的二維傳播速度，實際工程中需根據(jù)公式（2）和（3）轉(zhuǎn)換為P 波的三維傳播速度VP3，然后取槽殼所有測線VP3的平均值為該槽殼混凝土VP3的代表值，反映槽殼混凝土整體質(zhì)量狀況。選取槽殼的檢測結(jié)果見表2。

表2 西部某渡槽槽殼P 波波速檢測結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

1）此次檢測所選4 節(jié)槽殼16 條測線中混凝土三維P 波波速最大4 353 m/s，最小3 579 m/s，平均4 040 m/s。按照表2中P波速度檢測混凝土質(zhì)量一般評價標準，槽殼混凝土質(zhì)量總體較好，但局部一條測線（3號槽殼右側(cè)下部）明顯偏低，低于3 600 m/s，該處混凝土質(zhì)量較差。

2）此次檢測所選4 節(jié)槽殼16 條測線中混凝土動彈模最大41 788 MPa，最小28 240 MPa，平均36 062 MPa。若以最大動彈模為基準，則16 條測線中除局部一條測線（3 號槽殼右側(cè)下部）相對動彈模低于70%外，其它均高于80%。

3）根據(jù)槽殼混凝土動彈模的檢測結(jié)果，雖然槽殼整體質(zhì)量較好，但局部混凝土動彈模較低，判斷出現(xiàn)了耐久性劣化。結(jié)合現(xiàn)場觀察，造成這個問題的主要原因是槽殼底部鋼筋銹脹導(dǎo)致混凝土保護層崩落。

4 結(jié)語

薄殼渡槽、隧洞襯砌之類的板殼型結(jié)構(gòu)受厚度限制不具備鉆取芯樣進行混凝土抗壓試驗的條件，我國水利行業(yè)無損檢測方法局限于常規(guī)的回彈法、射釘法、超聲回彈綜合法等慣用方法，這與國內(nèi)外先進技術(shù)水平差距較大。沖擊彈性波檢測技術(shù)原理簡明、可操作性強、檢測結(jié)果代表性強、精度高，非常適用于我國水工建筑物混凝土無損檢測領(lǐng)域，具有較好前景。在對沖擊彈性波進一步的研究中，需要考慮混凝土內(nèi)部鋼筋對波速產(chǎn)生的影響及不同檢測方法波速的換算問題。