尚海龍 田苡菲 黃 濤

(1.北京江河中基工程咨詢(xún)有限公司,北京 100073;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

水閘是為城市防洪、排澇等方面提供服務(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[1]。

根據(jù)《水閘安全鑒定管理辦法》(水建管〔2008〕214號(hào)),在全國(guó)河道、灌排渠系、堤防上依法修建的,由水利部門(mén)管理的各類(lèi)水閘實(shí)行定期安全鑒定制度。我國(guó)大部分中小型水閘均建設(shè)運(yùn)行多年,具有建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、配套設(shè)備落后等“先天不足”問(wèn)題[2-3],依據(jù)《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 214—2015)的規(guī)定,須定期組織專(zhuān)業(yè)人員對(duì)水閘進(jìn)行實(shí)地查勘,對(duì)水閘工程質(zhì)量和運(yùn)行管理情況進(jìn)行評(píng)價(jià),開(kāi)展水閘安全評(píng)價(jià)分析工作。

北京市北運(yùn)河[4]北關(guān)閘屬于大(2)型水閘。北關(guān)閘于2007年4月23日開(kāi)工建設(shè),2010年3月8日完工,2010年4月全部工程交付管理單位,投入使用。2021年11月北關(guān)攔河閘現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)北關(guān)攔河閘的閘墩、岸墻、檢修便橋、交通橋及輔橋等部位存在不同程度的結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)和錯(cuò)位、混凝土裂縫等現(xiàn)象。本文主要采用水下沖擊映像法對(duì)北關(guān)閘的底板脫空[5]進(jìn)行檢測(cè)分析研究,以確定水閘的安全狀態(tài)[6],排除安全隱患。

1 北關(guān)閘基本情況

大運(yùn)河通州段的端點(diǎn)北關(guān)攔河閘橋,即是京杭大運(yùn)河的終點(diǎn)(杭州至北京),也是北運(yùn)河的起點(diǎn)(通州至天津)。北關(guān)攔河閘橋是京杭大運(yùn)河最北端的“運(yùn)河源頭第一橋”,建于石壩碼頭舊址,七孔弧形攔河閘采用“橋閘一體”的建筑模式,閘門(mén)隱于橋下,橋體的形制和裝飾采用古代式樣。

北關(guān)攔河閘屬平原區(qū)水閘,工程等別為Ⅱ等,為大(2)型水閘,主要建筑物攔河閘、船閘等為2級(jí)建筑物。景觀橋由于與攔河閘融為一整體,其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí),屬于大橋。

攔河閘采用水閘、橋、船閘一體布置。閘室采用鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu),總凈寬為84.00m,共7孔,每孔凈寬12.00m,上游常水位20.5m,下游常水位18.0m;攔河閘右側(cè)設(shè)有單級(jí)單向船閘,上、下閘首及閘室均采用整體式U形結(jié)構(gòu),主體由鋼筋混凝土澆筑,凈寬8m,水位落差2.5m,可通行50人左右的游船;在攔河閘墩上建造橫跨攔河閘和船閘的景觀橋,橋長(zhǎng)153m,橋面全寬13.10m。攔河閘閘門(mén)采用露頂式弧形鋼閘門(mén),閘門(mén)尺寸12m×5.0m,船閘采用人字形鋼閘門(mén),啟閉設(shè)備均選用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

2 水下沖擊映像法

本次北關(guān)閘底板脫空檢測(cè)分析主要采用水下沖擊映像法[7]。

2.1 沖擊映像法原理

沖擊映像法的理論基礎(chǔ)是彈性波動(dòng)理論[8-10]。當(dāng)撞擊到介質(zhì)表面[11-12]時(shí),介質(zhì)內(nèi)部會(huì)激發(fā)出一個(gè)彈性波動(dòng)場(chǎng),包括表面波、縱波和橫波。彈性波從激發(fā)點(diǎn)向外傳播時(shí),當(dāng)遇到介質(zhì)中的一些界面時(shí),由于波阻抗的差異,發(fā)生反射、透射和轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致能量衰減、波形特征和頻譜特征的變化。介質(zhì)表面的彈性波動(dòng)場(chǎng)分布是介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)在其表面的映射。當(dāng)混凝土樓板與地基之間存在脫空時(shí),樓板表面的彈性波動(dòng)場(chǎng)分布特征會(huì)發(fā)生變化,包括能量特征、波形特征和頻譜特征。通過(guò)逆映射介質(zhì)表面的漲落場(chǎng)分布,可以推斷出介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該方法具有系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的特點(diǎn),是一種高效率、高質(zhì)量的工程無(wú)損檢測(cè)方法。

2.2 水下沖擊映像實(shí)現(xiàn)方法

沖擊映像法的探測(cè)對(duì)象一般可以抽象為半無(wú)限介質(zhì)模型,探測(cè)面為自由界面,即探測(cè)面上方?jīng)]有介質(zhì),介質(zhì)存在于探測(cè)面下方的半無(wú)限空間中。但是,水下水工建筑物的檢測(cè),由于檢測(cè)面位于水中,不但要面臨檢測(cè)設(shè)備的防水以及水上作業(yè)等問(wèn)題,還需解決檢測(cè)面上有荷載,檢測(cè)數(shù)據(jù)不再是自有界面上的波場(chǎng)分布問(wèn)題,成果數(shù)據(jù)分析也必須考慮檢測(cè)面以上水層的影響。

在水閘底板無(wú)損檢測(cè)中,水閘底板結(jié)構(gòu)層厚度一般為1～2m,而彈性波的傳播速度卻高達(dá)4km/s以上,其傳播時(shí)間非常短。同時(shí),激振時(shí)產(chǎn)生的面波、縱波直達(dá)波、縱波反射波、橫波-縱波轉(zhuǎn)換波等各種波相互疊加,特別是在水面與底板頂面之間還會(huì)形成混響,對(duì)數(shù)據(jù)形成干擾,無(wú)法直觀判斷出有無(wú)缺陷以及缺陷程度。因此,需采用更高精度的數(shù)據(jù)處理與分析方法,對(duì)水下沖擊映像法的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度處理與分析,以定位和判斷閘底板下缺陷分布狀況。

本項(xiàng)目檢測(cè)時(shí)采用水下沖擊映像法檢測(cè)儀Smart Rod-I進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,其工作模式見(jiàn)圖1。檢測(cè)時(shí),從船上把檢測(cè)桿連同傳感器放置于水下,使水下激發(fā)錘頭位于檢測(cè)點(diǎn),檢測(cè)桿垂直于檢測(cè)面,然后用激發(fā)錘擊打砧臺(tái),由傳力桿把沖擊力傳遞給水下激發(fā)錘頭完成激發(fā),激發(fā)信號(hào)同時(shí)傳給控制/測(cè)量組件,并通過(guò)水下傳感器陣列完成數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)最后傳回至計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄。

圖1 SmartRod-I水下沖擊映像儀

3 數(shù)據(jù)處理及展示

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)歸一化、波形處理、波場(chǎng)分離以及生成響應(yīng)強(qiáng)度指數(shù)分布圖等。

a.數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理就是對(duì)野外采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和添加坐標(biāo)信息,使其適合于處理軟件進(jìn)行高效處理。原始數(shù)據(jù)是根據(jù)野外數(shù)據(jù)采集作業(yè)的特點(diǎn)和儀器結(jié)構(gòu)等確定的數(shù)據(jù)格式記錄的,必須經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換才能適合于專(zhuān)業(yè)軟件高速處理。除此以外,野外數(shù)據(jù)采集時(shí),檢測(cè)數(shù)據(jù)是由儀器記錄的,但數(shù)據(jù)的位置信息是由操作人員記錄在現(xiàn)場(chǎng)筆記上的,在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段必須把這兩種數(shù)據(jù)結(jié)合在一起,合并成一個(gè)文件,才有利于專(zhuān)業(yè)軟件高速處理。

b.數(shù)據(jù)歸一化。由于激發(fā)力度直接影響彈性波動(dòng)場(chǎng)的強(qiáng)弱,因此,數(shù)據(jù)處理時(shí)需要用激發(fā)錘上傳感器采集的沖擊加速度數(shù)據(jù),對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,以去除敲擊力度不一致的影響,確保激發(fā)強(qiáng)度相同。

c.波形處理。波形處理包括非正常數(shù)據(jù)處理、時(shí)窗切除、濾波和波場(chǎng)分離。首先,對(duì)原始數(shù)據(jù)逐一檢視,如果發(fā)現(xiàn)個(gè)別數(shù)據(jù)在某一時(shí)間段存在干擾,就需要設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的時(shí)窗函數(shù),用該時(shí)窗函數(shù)對(duì)噪聲進(jìn)行切除;如果發(fā)現(xiàn)某一道數(shù)據(jù)存在特殊噪聲,就需要將其刪除并用相鄰數(shù)據(jù)道進(jìn)行內(nèi)插。其次,對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,分析不同波場(chǎng)的頻譜特性,據(jù)此設(shè)計(jì)濾波器并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波以壓制噪聲,提高信噪比。最后,根據(jù)掌握的檢測(cè)結(jié)構(gòu)物的幾何形狀及材料物性參數(shù),從理論上分析各種波場(chǎng)的特性,與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)其時(shí)間域和頻率域的特性,提取出反映結(jié)構(gòu)物內(nèi)部缺陷的波場(chǎng)分量,即提取結(jié)構(gòu)物對(duì)激發(fā)震源的響應(yīng)仔波。

d.計(jì)算沖擊響應(yīng)強(qiáng)度。對(duì)經(jīng)過(guò)各種處理得到的沖擊響應(yīng)仔波計(jì)算其能量,得到?jīng)_擊響應(yīng)強(qiáng)度。

e.計(jì)算沖擊響應(yīng)強(qiáng)度指數(shù)。由于沖擊響應(yīng)強(qiáng)度與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān),特別是底板厚度以及混凝土彈性模量都會(huì)影響沖擊響應(yīng)強(qiáng)度的大小,要把沖擊響應(yīng)強(qiáng)度解釋為工程意義,必須消除結(jié)構(gòu)屬性對(duì)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度的影響。為此,需要通過(guò)數(shù)值仿真,計(jì)算出結(jié)構(gòu)物的理論沖擊響應(yīng)強(qiáng)度,或通過(guò)鉆孔等手段,對(duì)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行率定。率定后的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度或沖擊相應(yīng)強(qiáng)度指數(shù),是一個(gè)無(wú)量綱的量,能在最大程度上反映結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的密實(shí)狀況。

根據(jù)在國(guó)內(nèi)已開(kāi)展的10余座水閘底板脫空水下沖擊映像法檢測(cè)驗(yàn)證結(jié)果,按沖擊響應(yīng)強(qiáng)度值將水閘底板脫空分為密實(shí)、疏松、輕度脫空和脫空四個(gè)級(jí)別,不同級(jí)別的沖擊響應(yīng)值區(qū)分如下:?密實(shí):沖擊響應(yīng)強(qiáng)度值不超過(guò)1.5;?疏松:沖擊響應(yīng)強(qiáng)度值介于1.5～2.0之間;?輕度脫空:沖擊響應(yīng)強(qiáng)度值介于2.0～2.5之間;?脫空:沖擊響應(yīng)強(qiáng)度值大于2.5。根據(jù)缺陷分布特征和缺陷面積大小,判定水閘底板脫空的危害程度。

3.2 結(jié)果解釋與可視化展示

沖擊映像法的結(jié)果一般可表示為缺陷平面分布圖和缺陷面積占比圖。

缺陷平面分布圖示例見(jiàn)圖2,根據(jù)工程需要把標(biāo)準(zhǔn)化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度分為幾個(gè)等級(jí),然后用色階表示其數(shù)值大小,并賦予各等級(jí)以工程意義,得到標(biāo)準(zhǔn)化沖擊響應(yīng)強(qiáng)度(缺陷)平面分布云圖或等值線圖。

圖2 國(guó)內(nèi)某水閘缺陷分布圖示例

缺陷面積占比圖示例見(jiàn)圖3,根據(jù)缺陷平面分布圖計(jì)算不同缺陷類(lèi)型的面積,生成面積占比圖。

圖3 國(guó)內(nèi)某水閘缺陷面積占比圖示例

4 檢測(cè)過(guò)程

4.1 測(cè)線及測(cè)點(diǎn)布置

4.1.1 測(cè)線及測(cè)點(diǎn)定義

為實(shí)現(xiàn)對(duì)北關(guān)水閘上下游閘室底板進(jìn)行全面檢測(cè),測(cè)線與測(cè)點(diǎn)密度嚴(yán)格按照檢測(cè)方案布置,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件對(duì)側(cè)線方向做了調(diào)整。對(duì)于上游閘室,由于水流較小,嚴(yán)格按照檢測(cè)方案布置測(cè)線,測(cè)線方向垂直于河流方向;對(duì)于下游閘室,由于水流較大,難以保持作業(yè)船垂直于河流方向,因此,測(cè)線方向調(diào)整為順?biāo)鞣较颉o(wú)論是上游閘室還是下游閘室,測(cè)點(diǎn)密度保持0.5m×1.0m不變,總檢測(cè)點(diǎn)數(shù)不變。

坐標(biāo)原點(diǎn)按以下原則確定:?面向河流下游,每孔水閘以左側(cè)閘墩墻面為橫坐標(biāo)0點(diǎn),由左向右坐標(biāo)依次遞增;?以閘底板上閘槽中心線為縱坐標(biāo)0點(diǎn),向下游方向坐標(biāo)為正并依次遞增,向上游方向坐標(biāo)為負(fù)并依次遞減。由于難以確定弧形閘門(mén)水下閘槽的精確位置,實(shí)際測(cè)量時(shí),首先由設(shè)計(jì)圖得到牛腿在測(cè)線上的投影距離,然后,由牛腿向上游方向5.5m即為閘槽中心線位置,由牛腿向上游3.1m即為每條側(cè)線第1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的位置。

4.1.2 測(cè)線與測(cè)點(diǎn)布置

各閘室按圖4布置測(cè)線和測(cè)點(diǎn)。

圖4 各閘室測(cè)線與測(cè)點(diǎn)布置

在上游閘室布置6條測(cè)線,由下游向上游方向依次為L(zhǎng)ine-01、Line-02、Line-03、Line-04、Line-05和Line-06。第1條測(cè)線(Line-01)距離閘槽中線1.6m,測(cè)線間距為1.0m。

每條測(cè)線的第1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)距離左側(cè)閘墩墻面0.5m,最后1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)距離左側(cè)閘墩墻面11.5m(距離右側(cè)閘墩墻面0.5m),檢測(cè)點(diǎn)間距約0.5m,檢測(cè)點(diǎn)完整覆蓋上游閘室底板。

在下游閘室順?biāo)鞣较虿贾?0條測(cè)線,由左向右依次為L(zhǎng)ine-01、Line-02、Line-03、…、Line-10。第1條測(cè)線(Line-01)距離左側(cè)閘墩墻面1.5m,最后1條測(cè)線(Line-10)距離左側(cè)閘墩墻面10.5m(距離右側(cè)閘墩墻面1.5m),測(cè)線間距1.0m。

每條側(cè)線的第1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)距離閘槽中線2.4m(距離牛腿位置3.1m),檢測(cè)點(diǎn)間距0.5m,測(cè)線長(zhǎng)度7.0m,檢測(cè)點(diǎn)完整覆蓋下游閘室底板。

4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)置

水下沖擊映像采集系統(tǒng)主要由筆記本電腦、數(shù)據(jù)采集模塊、換能器列陣和電纜組成。本次檢測(cè)數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置如下:

通道數(shù):8通道(通道8為力傳感器信號(hào));

采樣間隔:0.00002s;

記錄長(zhǎng)度:8192個(gè)數(shù)據(jù)(0.16384s)。

4.3 數(shù)據(jù)采集過(guò)程

下游閘室數(shù)據(jù)采集:由2～3人站在閘后步行橋上,用繩子牽住小船,通過(guò)繩子控制小船使每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)落到設(shè)計(jì)的檢測(cè)點(diǎn)上。數(shù)據(jù)采集由下游向上游方向進(jìn)行,通過(guò)繩子上的標(biāo)記控制小船每次的移動(dòng)距離(0.5m)。

上游閘室數(shù)據(jù)采集:由于閘前沒(méi)有步行橋,由2～3人在船上通過(guò)撐桿和鉤桿等控制小船,使每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)落到設(shè)計(jì)的檢測(cè)點(diǎn)位置上。上游無(wú)水流,測(cè)線沿垂直于河道方向由左到右移動(dòng)依次檢測(cè)。為了進(jìn)一步壓制因水流引起的定位誤差等隨機(jī)因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響,每孔閘室都重復(fù)進(jìn)行2次數(shù)據(jù)采集,相當(dāng)于檢測(cè)點(diǎn)密度增加了1倍。

4.4 檢測(cè)結(jié)果

1～7號(hào)閘底板沖擊響應(yīng)強(qiáng)度指數(shù)均不超過(guò)2.0,未達(dá)到輕微脫空標(biāo)準(zhǔn);部分水閘底板沖擊響應(yīng)強(qiáng)度指數(shù)超過(guò)1.5,處于脫空前的疏松狀況。疏松缺陷較為嚴(yán)重的是7號(hào)閘上下游閘底板、6號(hào)閘下游閘底板,缺陷面積均超過(guò)20%;1號(hào)閘下游底板缺陷面積超過(guò)10%,其余閘室底板疏松缺陷面積均小于10%,且呈點(diǎn)狀分布。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 北關(guān)水閘底板沖擊映像法脫空檢測(cè)結(jié)果

各閘室底板脫空的具體情況如下:

a.1號(hào)閘室下游底板疏松區(qū)域7.1m2,占檢測(cè)面積的10.1%,疏松區(qū)域主要集中在右半部分,呈點(diǎn)狀分布。

b.2號(hào)閘室上游底板疏松區(qū)域4.6m2,占檢測(cè)面積的8.3%,疏松區(qū)域靠近閘板一側(cè)呈片狀分布。

c.6號(hào)閘室下游底板疏松區(qū)域15.3m2,占檢測(cè)面積的21.9%,疏松區(qū)域呈片狀分布。

d.7號(hào)閘室上游底板疏松區(qū)域11.7m2,占檢測(cè)面積的21.2%,疏松區(qū)域集中在閘室右側(cè),呈復(fù)雜片狀分布。

e.7號(hào)閘室下游底板疏松區(qū)域23.9m2,占檢測(cè)面積的34.2%,疏松區(qū)域成復(fù)雜的片狀,分布于整個(gè)下游閘室。

其余閘室底板疏松區(qū)域占比均小于5%,且呈點(diǎn)狀分布。

限于篇幅,本次只列舉脫空現(xiàn)象最嚴(yán)重的7號(hào)閘室底板密實(shí)情況,見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 7號(hào)閘室上游底板密實(shí)狀況

圖6 7號(hào)閘室下游底板密實(shí)狀況

5 結(jié) 論

北關(guān)攔河閘1～7號(hào)閘底板水下沖擊映像法檢測(cè)結(jié)果表明:

a.1～7號(hào)水閘底板沖擊響應(yīng)強(qiáng)度均不超過(guò)2.0,未達(dá)到輕微脫空標(biāo)準(zhǔn);部分水閘底板沖擊響應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)1.5,處于脫空前的疏松狀況。

b.疏松缺陷較為嚴(yán)重的是7號(hào)閘上下游閘底板、6號(hào)閘下游閘底板,缺陷面積均超過(guò)20%;1號(hào)閘下游底板缺陷面積超過(guò)10%,其余閘室底板疏松缺陷面積均小于10%,且呈點(diǎn)狀分布。

從而得出結(jié)論:北關(guān)攔河閘1～7號(hào)閘底板檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)明顯脫空病害缺陷,部分水閘底板存在疏松缺缺陷,進(jìn)一步發(fā)展將形成閘底板脫空,推測(cè)與縫墩結(jié)構(gòu)縫張開(kāi)有關(guān),建議下次檢測(cè)宜選擇在低水頭工況下進(jìn)行,6號(hào)和7號(hào)閘底板脫空檢測(cè)將是北關(guān)攔河閘結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的重點(diǎn)。