水工混凝土无损检测技术应用范文

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1稳态表面波检测系统

大体积水工混凝土由大骨料及水泥砂浆组成，非常不均匀，对于高频弹性波而言，是一种非均匀介质。表面波在其中传播过程非常复杂，除可以直接传播外，还将产生折射、反射、绕射等现象。因此，接收到的信号波形是由直达波波形分量和各散射波分量组合而成。各散射波分量即是声干涉，由于有了散射波的存在，使直达波的振幅与相位受到干绕，从而产生畸变。用正弦波法检测无法去除这些干绕波的影响，所以在水工混凝土中进行检测只能用脉冲波进行检测，以提取有用信息。由于瞬态表面波法产生的信号具有很宽的频谱，可以传播到不同深度，为了获取准确的传播深度信息，需要采用单频脉冲表面波法进行检测［1］。据此，中国水利水电科学研究院自主研发了稳态表面波混凝土质量检测系统，系统工作原理如图1所示。发射系统运用单频脉冲波作为激发震源，传播速度用首波相位差计算，可减少声干涉的影响，并通过相关计算来消除混凝土不均匀性的影响［3］。检测流程如下:稳态表面波信号发生器、功率放大器及稳态表面波激振器组成发射系统向被检测的介质发射所需的表面波。拾振器、前置放大器、信号处理器及微机组成接收系统，对表面波信号进行拾取、放大、A/D转换以及有用信息的提取、分析计算并将结果输出。现场测点布置如图2所示，图中G点为稳态表面波激振器的激振点。现场检测时，根据检测深度的需要，稳态表面波的发射频率从较高的频率开始，逐步降低发射频率，直至达到要求的检测深度。拾振器接收的信号经过滤波、互相关计算及Hilbert变换后，计算得到不同频率的表面波在两拾振器之间传播的延迟时间及幅度衰减等参数。

2稳态表面波法检测实例

稳态表面波检测技术自20世纪90年代初发展至今，经大量的现场检测试验表明，在对大体积混凝土 质量检测和裂缝检测方面，与目前国内外常用的混凝土无损检测方法相比，稳态表面波检测技术主要主要在以下三个方面具有一定的优势:(1)可通过调整稳态震源的激震频率来实现不同深度混凝土参数的获取，从而实现对混凝土质量的评价。(2)检测深度与稳态震源的激震能量有关，根据目前的震源，最大检测深度可达10m，随着震源技术的进步，检测深度范围可进一步加深。(3)在大体积水工混凝土裂缝检测方面，稳态表面波检测技术可以实现裂缝深度的无损检测，而且不受结构物中水和钢筋的影响，可在结构物的任何一个临空面上进行检测。以上特点可在下面几个应用实例中得到印证。

2.1检测混凝土质量根据表面波在混凝土中的传播距离、时间延迟和幅度衰减等参数，可计算得到表面波在混凝土中的传播速度，根据波速便可评价混凝土的质量。由于表面波在平面与曲面上的传播机理不同，结合水工混凝土结构的具体情况，分为平面检测和曲面检测。

2.1.1平面结构的检测通过稳态表面波无损检测仪的检测结果，是不同深度的表面波波速的平均值VR，要检测混凝土内部的质量则须测出不同深度的点速度VR，因此必需根据测出得的VR计算出VR，再由VR推算出Vs及Vp。在混凝土内部介质处于均匀状态时，表面波波速不变，深度、波速特性曲线(VR～D)为直线;当混凝土内部不均匀时，VR发生变化，VR～D呈现折线形状，其拐点即代表在此深度混凝土特性发生变化，因此根据VR～D曲线上拐点便能计算出混凝土不均匀区域相对应的深度，即所谓内部分层。华东地区某河道工程为了防止船行波淘刷河岸，两岸都建起了直立的混凝土墙护坡，由于护坡混凝土的体积较大，一般的检测手段无法进行定量的无损检测。作者采用稳态表面波法进行检测试验，分10个断面，每个断面4个测点，现场测点布置如图3(a)所示，一个激振点周围布置4个测点，见由于被检测的混凝土护坡是板状平面结构，混凝土板后为回填土，现场测试中，作者测试了不同频率的表面波在该混凝土中的传播速度及其振幅衰减情况，某测点的表面波波速～深度曲线如图3(b)所示。根据表面波的传播特性，当波速～深度特性曲线出现“之”字型时，表明混凝土有软弱层或内部可能存在疏松区，根据图3(b)中的曲线拐点，可以确定该测试点混凝土板厚度，可以判断混凝土与回填土之间侧分界面，从而确定混凝土层的厚度。由图3可知，该护坡混凝土的厚度约为20cm，且护坡后存在2～3cm厚的垫层。后经钻孔验证，护板的实际厚度为20cm，垫层厚度为2cm，结果与表面波法检测结果一致。

2.1.2曲面结构的检测当在曲面上检测时，根据表面波在曲面上的传播特性，波速计算需进行修正。曲面为凸面时，VR=VR0(1+δ)，曲面为凹面时，VR=VR0(1－δ)，其中，δ为修正因子，可通过公式计算得到［2］。西部某大型抽水蓄能水电站水轮机组在甩负荷试验中，定子基础部位的混凝土由于机组爆炸遭到破坏，在维修处理前需定量检测定子基础部位混凝土结构的损伤情况，以确定是否需要全部拆除重新浇筑。由于该部位混凝土厚度较大(厚3.5m)，且内部的钢筋密集，常用的无损检测手段无法进行全面检测。笔者采用了表面波法，用该部位混凝土的表面波波速来定量评价混凝土损伤程度，由于现场工作面的局限，现场检测时采用外立面和内测对穿检测，其中某个测点的检测结果如图4所示。由图4(b)、4(c)可知，该部位混凝土表面波波速变化趋势为:由外而内逐渐减小，说明该部位的混凝土破坏程度由外而内逐渐增大，波速分布在2250m/s左右，比较均匀，未出现因严重缺陷而造成的表面波波速突变的现象，说明该定子基础部位混凝土的总体破坏程度不大，结构未被完全破坏。后经弹性波CT测试、芯样抗压强度检测以及回弹拉拔试验验证，检测结论与稳态表面波法一致。

2.2检测混凝土裂缝深度目前国内外常用的混凝土裂缝深度检测方法主要是超声波和脉冲波的绕射特性进行检测，实际应用中，由于条件的限制，检测深度一般只能达到3～5m［3］。而利用稳态表面波法在30多座大坝等混凝土建筑物上进行了大量的裂缝检测试验，试验结果表明，利用大功率稳态振源，稳态表面波法可将混凝土裂缝检测深度提高至8～10m。现场检测时，同时在无缝区和有缝区各布置一条测线，在有缝区的测线横跨裂缝。表面波的发射频率从5000Hz开始，逐步降低，以增加检测深度，直至有缝区的深度～频率曲线和无缝区的深度～频率曲线相交，得到特征频率f0，根据特征频率f0便可计算出裂缝深度。

2.2.1检测案例一我国西南某特大型混凝土双曲拱坝坝体出现裂缝，最长的裂缝长度为13m，为了检测裂缝的深度和了解裂缝发展情况，笔者分别在2006年1月和2009年1月利用稳态表面波法对该坝体裂缝进行了两次检测，2009年1月检测中某测点的频率特性曲线如图5(b)所示。图5(b)中C1表示无缝区的测值，C2表示有缝区的测值，从图中可以得到无缝与有缝区深度～频率曲线的交点，即:特征频率f0为170Hz，根据表面波在两个拾振器之间的传播时间Δt为436μs，可计图6东风电站大坝裂缝检测算得到该点的表面波的传播速度VR为2293m/s，再根据表面波裂缝检测的原理，计算得该点的裂缝深度为6.75m。此次检测结果与2006年1月检测的裂缝深度6.7m基本一致，说明经过3年时间裂缝深度没有继续发展。

2.2.2检测案例二东风电站大坝是双曲薄拱坝。坝上有3个泄洪中孔，中孔中都出现裂缝。我们对中孔裂缝进行了检测。大坝6#坝段右中孔的裂缝检测结果如图6所示。右中孔的地板上有一条裂缝，裂缝表面有水溢出。检测时，在裂缝上布置了两条测线L1、L2，两个拾震器布置在裂缝两边各0.6m处。在缝的旁边的无缝区同样布置了两条测线L3、L4，两拾震器间距1.2m，两条曲线平均得出无缝区相频特性［见图6(a)］。通过计算，这条裂缝深度在7.5～8.1m之间。为了验证这一检测结果并为灌浆加固提供依据，按图6(b)所示的位置，在临近的电梯井内打了4个钻孔19#～22#。钻孔结果显示:所有钻孔均有渗水流出，说明钻孔已达到裂缝部位。22#钻孔与裂缝得交汇区高程为883m，即此处裂缝深度约7m，与检测的结果基本一致。

3稳态表面波检测技术的应用进展

通过大量的现场检测试验，结果表明在对大体积混凝土质量检测和裂缝检测方面，稳态表面波检测技术与其他检测技术相比确实具有一定的优势，能解决目前在大体积混凝土检测方面遇到的难题，但由于种种原因，这一技术仍未获得较大范围的推广应用，主要原因是仪器产业化程度不高，技术推广力度不够，但就检测系统本身而言，也存在有以下几个方面的问题:(1)检测深度的精度仅在质量较好的混凝土中较高，因为在质量较好的混凝土中，有效检测深度可直接通过λ/2换算得到，但在有较多缺陷的混凝土中，表面波的传播路径较复杂，有效检测深度会减小，需通过大量的检测试验来确定修正因子。(2)在检测数据处理中，如果接收端波形畸变较大，在进行互相关计算时会出现传播时间计算误差增大，从而影响检测精度。(3)在数据采集过程中，对激振器和拾震器的安装精度要求较高。针对这些问题，下一步需开展以下方面的研究。(1)目前仅能通过纵波的传播时间计算波速，对混凝土的其他特性参数如弹性模量可通过相位差的计算得到，这是下一步需要继续深入研究的课题。(2)目前数据采集系统中，采用的是模拟带通滤波器，滤波器的相位差，下一步可通过研制零相位差的数字滤波器，来计算混凝土的弹性模量等其他特性参数。

4结语

根据在上述几种混凝土结构检测中的应用，结果表明利用稳态表面波技术可以解决目前混凝土检测中的一些难题，特别是大体积的混凝土检测，包括质量检测和裂缝深度检测等。相对瞬态表面波，稳态表面波技术具有振源场稳定，抗干扰能力强，检测准确度高等优点。但在实际应用过程中，也存在一些问题，如振源的功率和能量直接决定检测深度，不同的检测深度需要不同型号的振源;现场检测时，大体积的振源不易安装，对拾振器现场布设准确度要求较高。随着振源技术的不断进步，会出现更加便携、且用途多样的稳态震源出现，稳态表面波检测技术在大体积混凝土结构无损检测方面的研究将更趋成熟，应用亦将越来越广泛。

作者：邓中俊 姚成林 贾永梅 杨玉波 张贵宾 单位：中国地质大学 中国水利水电科学研究院