歐陽晉平

(婺源縣水利水電建筑工程有限公司,江西 上饒 333200)

1 概 述

混凝土的破壞和開裂將造成嚴重的損害,對混凝土結構進行安全檢查和評估尤為重要[1]。與其他類型的大壩相比,混凝土面板堆石壩施工相對容易、管理經(jīng)濟、受天氣和地震影響較小[2]。混凝土面板可用作防滲結構,在混凝土面板后面空腔中發(fā)生的損壞,可能導致壩體變形和倒塌;在混凝土板下方出現(xiàn)空腔,則可能由于液壓或靜載荷而產(chǎn)生裂縫[3-4]。

混凝土面板的脆弱性對混凝土面板堆石壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,應用于混凝土面板堆石壩的混凝土面板的核心功能是具有機械性能,以防止外力引起的開裂或瞬間產(chǎn)生的混凝土拉應力[5]。無損檢測方法和計算機圖像分析技術,是廣泛使用于混凝土面板安全檢查和評估混凝土結構狀況的重要方法[6]。通過無損檢測方法,可以一定程度上避免由混凝土面板引起的穩(wěn)定性問題。

利用脈沖響應法和電阻率層析成像法進行混凝土面板堆石壩的安全檢查和質量控制。脈沖響應法廣泛用于混凝土面板下方的空腔檢查,并用于基于動態(tài)剛度和平均遷移率研究混凝土面板的條件。本文開發(fā)使用無損電極的電阻率層析成像法,以降低混凝土的接觸電阻,防止破壞研究對象,并通過二維(2D)電阻率截面來研究混凝土面板的條件。因此,通過對兩種方法之間相關性的分析,對混凝土面板的無損檢測進行研究。

2 材料與方法

2.1 研究對象

本文所研究的混凝土面板堆石壩高度125m,波峰長度601m,最大水庫容量26.3×108m3,上游坡度與下游坡度之比1∶1.5。大壩的第1步在1989年完成,第2步在2006年完成。頂部混凝土面板厚度0.3m,鋼加強件的設計采用0.4%～0.5%的鋼比,并以200～300mm間隔布置,以有效應對裂紋。

研究對象的IR和ERT測量線示意圖見圖1?；炷撩姘寰挥谥行?上游寬度15m。IR調查在步驟1和步驟2中進行,ERT調查在步驟2中的CF-13和CF-19中進行。通過IR調查,在步驟2中獲得21個站點,長度79m;在步驟1中獲得23個站點,長度80m。ERT調查采用32條通道電纜,在考慮混凝土面板厚度和鋼筋厚度的情況下,電極間距和線路長度分別設置為1和31m。

圖1 脈沖響應法(IR)與電阻率層析成像法(ERT)示意圖

2.2 無損檢測方法的應用

IR是一種通過基于彈性波對混凝土表面施加機械沖擊來檢測結構內部缺陷的方法,其示意圖見圖2。在IR測量期間,通過無線保真(wi-fi)模式,實現(xiàn)DAQ和筆記本電腦之間的通信,并以無線方式保存數(shù)據(jù)。IR方法從附著在沖擊錘上的稱重傳感器中測得的沖擊力,以及使用地震檢波器測量的彎曲運動速度,獲得傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)定義為速度譜與力譜之比,稱為遷移率。在0～800Hz頻率范圍內的遷移率還包括基于具體研究對象的條件和完整性的參數(shù)信息。動態(tài)剛度定義為在小于80Hz的頻率下斜率的倒數(shù),其中遷移率在遷移率-頻率圖中線性增加。動態(tài)剛度表示測量點周圍的靈活性,并取決于研究對象的質量、板的厚度和板的支撐狀態(tài)。平均遷移率定義為100～800Hz頻率范圍內遷移率的算術平均值。由施加的沖擊源引起的彈性波因板的固有剛度而衰減。在100～800Hz范圍內的平均遷移率與板的密度和厚度直接相關。當板的厚度變薄或試樣的兩層之間的距離減小時,平均遷移率增加。

圖2 脈沖響應法(IR)測試示意圖

ERT調查通常應用于地下勘探,是一種地球物理勘探技術,用于通過測量由電流電極流過的電流引起的電極之間的電位差,來調查地質結構和地面狀況。本研究使用偶極-偶極陣列的ERT方法,來獲得電阻率分布的2D截面。使用無損電極是因為ERT調查中使用的不銹鋼電極可能會導致研究對象的破壞。圖3為使用偶極-偶極陣列的ERT調查示意圖。

圖3 典型電阻率層析成像法(ERT)勘測的偶極-偶極陣列

電勢差(ΔV)通過在ERT調查期間流動電流(I)來測量,表征如下:

(1)

k=πn(n+1)(n+2)a

(2)

式中:ρa為地下介質的視電阻率;k為幾何因子;a為電極間距;n為電極分離指數(shù)。

為審查ERT混凝土勘測的適用性而構建的混凝土模型見圖4。該模型尺寸為2.4×6.0×1.0m3。鋼筋以0.2m的間隔布置在混凝土左側中心,具有直徑25mm的網(wǎng)孔?？涨晃挥诨炷恋撞恐行?尺寸為2.4×2.0×0.3m3。沙子、礫石和黏土用于支撐空腔左側和右側的混凝土,同時減少由于固結而導致的空腔高度變化。

圖4 無損電極進行ERT勘測的混凝土模型示意圖

3 結果與分析

3.1 脈沖響應結果

由于每個步驟的施工時間和混凝土厚度不同,因此無法絕對評估動態(tài)剛度和平均遷移率。隨著板厚度的減小,IR方法的參數(shù)顯示出平均遷移率的差異。此外,動態(tài)剛度隨著反射層厚度的減小而減小。圖5為每個步驟的動態(tài)剛度和平均遷移率圖。

圖5 步驟1、步驟2中CF-9、CF-13、CF-19和CF-23處混凝土面板的動態(tài)剛度和平均遷移率

動態(tài)剛度與平均遷移率之間呈反比關系,總體動態(tài)剛度從上到下(IR點1-19)下降,然后在底部(IR點20和21)趨于急劇增加。特別是在IR點12-19處,整個混凝土面板顯示出相對較低的動態(tài)剛度和高平均遷移率(紅色虛線框)。在該框所示的整個混凝土面板中,預計CF-23將是最脆弱的。在步驟1和步驟2中,混凝土面板顯示出在動態(tài)剛度和平均遷移率方面保持相對恒定的趨勢。與其他點相比,IR點4、22和23顯示出較低的動態(tài)剛度和較差的混凝土質量。特別地,CF-23的IR點4傾向于具有低動態(tài)剛度和高平均遷移率,這些點在支撐混凝土面板和預測潛在空腔方面相對較弱。

3.2 電阻率層析成像結果

圖6為使用GPR的CF-13和CF-19的ERT勘測結果以及空腔估計區(qū)?？傮wERT結果顯示,深達2m的電阻率范圍較低,其原因是鋼筋的影響較大?？紤]到鋼筋的影響,位于空腔估計區(qū)域中的CF-13在深度2m內具有非均勻的高電阻效應,見圖6(a)。此外,通過GPR證實,高阻區(qū)與空腔估計區(qū)重合。然而,沒有空腔估計區(qū)的CF-19在水平方向上表現(xiàn)出均勻的低電阻率效應,直至深度約2m,見圖6(b)。因此,根據(jù)ERT勘測,在深度2m內的高電阻率影響可以解釋為可能存在空腔。

圖6 步驟1中CF-13、CF-19的電阻率層析成像(ERT)勘測結果

3.3 脈沖響應與電阻率層析成像結果的相關性

基于2D截面的電阻率分布、動態(tài)剛度和平均遷移率,分析IR和ERT結果之間的相關性。圖7為CF-13和CF-19的IR和ERT調查結果。在圖7(a)中,基于GPR的空腔估計區(qū)域位于IR點1-3和6-12處。然而,當包括空腔估計區(qū)域的IR和ERT結果時,IR點為6-12。由于對IR點6-12進行了ERT測量,因此有可能在深度2m內識別出具有高電阻率效應的異常區(qū)。在圖7(b)中,沒有出現(xiàn)空腔估計區(qū),并且顯示了相對穩(wěn)定的參數(shù)。為了比較IR和ERT結果,對IR點4-14進行分析。根據(jù)ERT調查結果所示,在深度2m內的低電阻率效應趨于均勻。但在某些點上,動態(tài)剛度較低(IR點9),平均遷移率較高(IR點6),但混凝土質量不差。因此,與CF-13相比,可以從IR和ERT調查的結果中確認CF-19是高質量混凝土的位置。

圖7 步驟1中CF-13、CF-19的測量結果

圖8為在步驟1中CF-13具有最低動態(tài)剛度時的IR點4的一致性分析。結果顯示,相干因子顯示出高可靠性,最大值0.99,平均值0.96以上。然而,當頻率高于300Hz時,相干因子降低至約0.2,可靠性降低。由圖8可知,動態(tài)剛度非常低,但平均遷移率沒有顯示出這樣的異常。因此,預計平均遷移率實際上會更高,預計混凝土質量較差。

圖8 步驟1中CF-13的脈沖響應(IR)點4的一致性分析結果

4 結 論

1)與傳統(tǒng)的無損檢測方法不同,ERT調查可以通過可視化目標對象的電阻率分布來評估預期有空腔的區(qū)域,還可以結合IR調查來分析混凝土的脆弱性,且不會破壞研究對象。

2)ERT測量僅應用于步驟1,結果表明在深度2m內存在高電阻率效應的異常。預計該效應來自混凝土面板和下層之間的空腔,且僅在CF-13中得到證實。此外,它與通過GPR確定的空腔估計區(qū)重合。因此,ERT調查被認為適合調查空腔的存在。

3)根據(jù)IR和ERT調查的結果顯示,由于動態(tài)剛度低且高電阻率區(qū)域的平均遷移率高,因此兩種調查類型之間的空腔估計區(qū)域之間存在高度相關性。因此,可以預期在IR和ERT方法中,可以研究混凝土面板的開裂和破壞以及下支撐層的損失。

4)在混凝土面板上應用無損檢測方法,可以為調查混凝土的狀態(tài)和存在的任何空腔提供有用的信息,并且預期無損檢測方法可以用作各種類型混凝土結構的狀態(tài)和穩(wěn)定性評估方法。