水工混凝土裂縫深度檢測(cè)的能比衰減法研究

范泯進(jìn)，朱燕梅，沙 椿

(四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

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水工混凝土裂縫深度檢測(cè)的能比衰減法研究

范泯進(jìn)，朱燕梅，沙 椿

(四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

水工混凝土裂縫發(fā)育深度一般較大，常規(guī)的超聲波單面平測(cè)法、雙面對(duì)測(cè)法和鉆孔跨孔聲波法等均存在一定的局限性。為提高無損檢測(cè)水工混凝土裂縫深度的能力，以彈性波傳播理論為基礎(chǔ)，通過大量研究和試驗(yàn)提出了裂縫深度無損檢測(cè)的能比衰減法。詳細(xì)介紹了該方法的檢測(cè)原理、設(shè)備、測(cè)線布置方案和數(shù)據(jù)采集、處理流程。結(jié)果表明，能比衰減法與跨孔聲波法在針對(duì)某水電站大壩裂縫進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)中僅相差1.67%。

能比衰減法；混凝土；裂縫；無損檢測(cè)

1 引 言

水工混凝土裂縫深度檢測(cè)常用超聲波單面平測(cè)法、雙面對(duì)測(cè)法和鉆孔跨孔聲波法等，其中單面平測(cè)法、雙面對(duì)測(cè)法是無損檢測(cè)方法[1]。單面平測(cè)法檢測(cè)時(shí)只需一個(gè)測(cè)試表面、易于開展，但有效檢測(cè)深度為50 cm；雙面對(duì)測(cè)法檢測(cè)需兩個(gè)平行測(cè)試表面，受工作現(xiàn)場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重制約，且當(dāng)穿透距離較大時(shí)超聲波能量衰減嚴(yán)重難于判斷裂縫深度；而鉆孔跨孔聲波法檢測(cè)精度高、探測(cè)深度大，但其依賴于在待測(cè)混凝土內(nèi)開鑿鉆孔，其施工周期長(zhǎng)，且對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)存在一定破壞[2-6]。因此，尋求一種探測(cè)精度高、深度大、不對(duì)混凝土造成二次破壞的混凝土裂縫深度無損檢測(cè)方法是國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期以來的研究重點(diǎn)。

基于彈性波在混凝土內(nèi)傳播理論，通過對(duì)檢測(cè)設(shè)備、測(cè)試技術(shù)以及計(jì)算方法的大量研究和試驗(yàn)，總結(jié)出一套水工混凝土裂縫深度檢測(cè)的能比衰減法。該方法具有較高的檢測(cè)精度，易于在水工混凝土表面開展工作，可作為混凝土裂縫深度無損檢測(cè)新的參考手段。

2 基本原理

在混凝土表面錘擊會(huì)產(chǎn)生含有多種成分的彈性波，其中Rayleigh波占有大部分波動(dòng)能量。以Rayleigh波為主的彈性波在混凝土內(nèi)的傳播過程中，如果混凝土結(jié)構(gòu)完整，其能量一般呈現(xiàn)指數(shù)衰減規(guī)律；而當(dāng)遇到裂縫發(fā)育時(shí)，由于傳播收到阻隔，只能通過衍射傳播，導(dǎo)致跨縫接收能量急劇降低[7，8](圖1)。能比衰減法由在混凝土裂縫兩側(cè)布置專用傳感器，通過計(jì)算Rayleigh波在跨縫前和跨縫后能量比衰減變化情況來推定所測(cè)試混凝土裂縫深度。

圖1 Rayleigh波通過混凝土裂縫能量變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of the Rayleigh wave through concrete crack

3 檢測(cè)設(shè)備

3.1 信號(hào)激發(fā)裝置

一般水工混凝土裂縫發(fā)育深度可達(dá)幾米，要使彈性波傳播通過裂縫底部再被表面?zhèn)鞲衅鹘邮眨托枰跏技ぐl(fā)產(chǎn)生的彈性波具有較強(qiáng)能量。此外，為便于對(duì)彈性波跨縫前后能量比進(jìn)行分析，還需要其具有較好的波形形態(tài)、較窄頻譜范圍以及盡量短的子波。通過對(duì)超聲波發(fā)射器、電磁大功率發(fā)射機(jī)以及人工敲擊信號(hào)的大量對(duì)比試驗(yàn)總結(jié)出，以人工敲擊的方式可得到滿足要求的波形，同時(shí)其設(shè)備輕便，利于在復(fù)雜工作面開展作業(yè)。

圖2 專用設(shè)備與普通設(shè)備采集信號(hào)對(duì)比Fig.2 Display diagram of acquisition signal between special equipment and common equipment

然而，不同類型的敲擊錘產(chǎn)生的信號(hào)頻率、脈沖長(zhǎng)度等存在較大差異，通過理論研究和大量試驗(yàn)研制的專用錘擊器能避免多次波疊加，產(chǎn)生的波形信號(hào)形態(tài)好、脈沖短、振幅清晰。

3.2 信號(hào)接收傳感器

能比衰減法檢測(cè)裂縫深度需要同時(shí)采用兩個(gè)信號(hào)接收傳感器，一個(gè)布置于敲擊點(diǎn)附近，另一個(gè)則沿測(cè)線按預(yù)定步長(zhǎng)移動(dòng)。由于Rayleigh波能量大、頻率低，要求接收傳感器具有較好的低頻響應(yīng)特性和較大的振動(dòng)量程；又因?yàn)槟鼙人p法是通過分析兩道傳感器在不同距離接收信號(hào)的能量變化來計(jì)算裂縫深度，進(jìn)而對(duì)信號(hào)傳感器穩(wěn)定性有較高的要求；此外， 由于錘擊器產(chǎn)生能量大，可能導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生寄生震蕩影響信號(hào)采集；為解決上述情況，開發(fā)了專用的高阻尼信號(hào)接收傳感器。圖2為專用信號(hào)錘擊器、接收傳感器與普通設(shè)備采集信號(hào)展示圖。

4 檢測(cè)技術(shù)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)布置

能比衰減法測(cè)線需要垂直于裂縫走向布置(圖3)，測(cè)線長(zhǎng)度一般應(yīng)大于待測(cè)裂縫深度2倍，因此在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況預(yù)估裂縫可能發(fā)育深度范圍。測(cè)線布置時(shí)一般以測(cè)線中點(diǎn)布置于裂縫位置，于測(cè)線一端布置錘擊點(diǎn)，于分別距錘擊點(diǎn)10 cm和20 cm位置布置第1道、第2道信號(hào)采集傳感器。錘擊點(diǎn)和第1道傳感器固定，每錘擊采集一次信號(hào)，第2道傳感器沿測(cè)線以固定步長(zhǎng)(一般為5 cm、10 cm或20 cm)移動(dòng)一次，直至整條測(cè)線測(cè)試結(jié)束。為確保每個(gè)測(cè)點(diǎn)能量測(cè)試的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)每個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)取得3次以上重復(fù)測(cè)試數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)第1道、第2道采集信號(hào)中Rayleigh波成分幅值能量進(jìn)行計(jì)算，并分別記為E1、E2(dB)。然后將同一測(cè)點(diǎn)每次測(cè)得的E2與E1數(shù)值做比，能量比值為En=E2/E1；將每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)采集所得能量比值做算術(shù)平均，并以此作為該測(cè)點(diǎn)能量比值。

圖3 能比衰減法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置Fig.3 Arrangement diagram of measuring line in energy-attenuation method

將測(cè)線中未跨裂縫測(cè)點(diǎn)能量比數(shù)據(jù)按下式擬合，得出常數(shù)A、B值。

En=Be-AX

(1)

其中，A、B為常數(shù)；X為彈性波傳播總路徑長(zhǎng)度(mm)；En為能量比值。

依據(jù)測(cè)線中各測(cè)點(diǎn)計(jì)算所得能量比值數(shù)據(jù)與擬合曲線繪制“能量比隨收發(fā)距變化圖”(圖4)。

圖4 能量比隨收發(fā)距變化Fig.4 Diagram of energy changing with the receiving distance

1)對(duì)跨縫前測(cè)點(diǎn)能量比值按公式(1)進(jìn)行擬合，得出常數(shù)A、B的值。

2)分析“能量比隨收發(fā)距變化圖”，確定跨裂縫后能量比值無明顯變化時(shí)的“能量比穩(wěn)定起點(diǎn)”位置，并將該位置與裂縫距離記為L(zhǎng)2、該處能量比值記為En，將En代入公式(1)計(jì)算X值。

3)當(dāng)遇到與混凝土表面近似垂向發(fā)育的裂縫，Rayleigh波在混凝內(nèi)將通過衍射穿越裂縫。當(dāng)穿越裂縫后的Rayleigh波能量比值穩(wěn)定時(shí)，裂縫發(fā)育深度同1道、2道傳感器與裂縫之間距離存在一定的三角關(guān)系(圖5)，通過推導(dǎo)即可得出裂縫深度計(jì)算式為：

圖5 能比衰減法混凝土裂縫深度計(jì)算關(guān)系Fig.5 Calculation diagram of concrete crack depth in energy-attenuation method

(2)

其中：H為裂縫深度(mm)；L1為第1道傳感器距混凝土裂縫距離(mm)；L2為測(cè)點(diǎn)能量比穩(wěn)定時(shí)第2道傳感器距混凝土裂縫距離(mm)；X為彈性波在混凝土內(nèi)部總傳播路徑長(zhǎng)度(mm)。

5 研究試驗(yàn)

雅礱江流域某大型水電站大壩左岸1 814 m高程墊座平臺(tái)混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)期間，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)表面有裂縫出露，表面張開寬度約1.6 mm?？紤]到該部位混凝土澆筑厚度超過4 m，常規(guī)無損檢測(cè)方法難以測(cè)定裂縫最大發(fā)育深度，遂采用能比衰減法和鉆孔跨孔聲波法進(jìn)行檢測(cè)。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，布置跨裂縫并垂直于裂縫走向的能比衰減法測(cè)線1條，測(cè)線長(zhǎng)4.0 m；其中，敲擊點(diǎn)布置于0.0 m處，第1道傳感器布置于0.4 m處，裂縫位于測(cè)線2.0 m處。此外，為進(jìn)行跨孔聲波法檢測(cè)，于測(cè)線附近布置鉆孔3個(gè)，孔深3 m，孔向近鉛錘，呈三角形分布，孔間距離1.4～2.3 m不等。具體測(cè)線布置如圖6所示。

5.1 能比衰減法檢測(cè)

能比衰減法測(cè)線上相鄰測(cè)點(diǎn)間距10 cm，每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)采集數(shù)據(jù)3次?？缈p前與跨縫后測(cè)試波形典型曲線見圖7。

圖6 能比衰減法測(cè)線與鉆孔布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of measuring line and drilling hole in energy-attenuation

通過拾取各測(cè)點(diǎn)采集原始波形中Rayleigh波幅值，并計(jì)算各測(cè)點(diǎn)能量比數(shù)據(jù)繪制“能量比隨收發(fā)距變化圖”。通過對(duì)能量比數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖8)，得出擬合公式為：

E=1.17e-0.69X

(3)

其中：E為能量比值；X為彈性波在混凝土內(nèi)總傳播路徑長(zhǎng)度(mm)。

分析數(shù)據(jù)可得，當(dāng)敲擊點(diǎn)與第2道傳感器距離大于300 cm后，能量比值無明顯變化，取此位置能量比值E帶入擬合公式計(jì)算出總路徑長(zhǎng)度X，此后按公式(2)計(jì)算出裂縫深度為：H=236 cm。

5.2 跨孔聲波法檢測(cè)

對(duì)墊座平臺(tái)布置的3個(gè)鉆孔進(jìn)行跨孔聲波法檢測(cè)，其中1#與2#鉆孔之間為不跨縫檢測(cè)，2#與3#鉆孔之間為跨縫檢測(cè)。

圖9所示為2#與3#鉆孔跨孔實(shí)測(cè)波形。通過與不跨縫波形對(duì)比可以得出，在孔深0～2.4 m之間，波形振幅較低，表示當(dāng)前孔段聲波能量衰減較大；而在孔深2.4 m以后，波形振幅明顯變大，且后續(xù)深度波形振幅強(qiáng)度一致，未出現(xiàn)明顯能量衰減情況。依據(jù)跨孔聲波法判斷裂縫深度標(biāo)準(zhǔn)，該處裂縫發(fā)育深度為2.4 m。

圖7 能比衰減法測(cè)試原始波形典型圖Fig.7 The typical diagram of measuring original wave form in energy-attenuation method

圖8 能量比隨收發(fā)距變化Fig.8 Diagram of energy changing with the receiving distance

圖9 2#與3#鉆孔跨孔聲波實(shí)測(cè)波形Fig.9 Waveform diagram of measuring the sonic wave of drilling hole and cross-hole between 2# and 3#

經(jīng)對(duì)同一部位混凝土裂縫發(fā)育深度分別采用能比衰減法和跨孔聲波法檢測(cè)，前者檢測(cè)結(jié)果為2.36 m，后者檢測(cè)結(jié)果為2.4 m，兩者相差僅為1.67%。該結(jié)果顯示能比衰減法檢測(cè)混凝土裂縫深度具有較高準(zhǔn)確性，且探測(cè)深度可達(dá)2.0 m以上。

6 結(jié) 語

混凝土裂縫深度檢測(cè)能比衰減法具有設(shè)備輕便、探測(cè)深度大、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，特別適用于與測(cè)試平面近似垂向，且僅具有單一測(cè)試平面的大體積水工混凝土裂縫。在工程應(yīng)用中，對(duì)能比衰減法跨縫后“能量比穩(wěn)定起點(diǎn)”位置的確定應(yīng)重視，該位置將直接影響裂縫深度計(jì)算精度。此外，由于受骨料不均勻性和施工條件影響，混凝土表面一般不平整，測(cè)試時(shí)需要將能比衰減法測(cè)線所經(jīng)過部位打磨平整，并可根據(jù)需要在傳感器和測(cè)試平面之間涂抹適量耦合劑。

[1]林維正.土木工程質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2008.

[2]DL/T5299-2013，大壩混凝土聲波檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社,2014.

[3]朱金穎.混凝土彈性波測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)性研究[D].杭州：浙江大學(xué),1997.

[4]姚德兀,李春生,沙椿.跨孔聲波在檢測(cè)混凝土裂縫深度中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2009,6(S1):103-105.

[5]沈建中,李宗津,張之勇.土木工程中的無損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[J].無損檢測(cè),2000,22(11):497-500.

[6]吳永斌.淺析水工混凝土裂縫原因及應(yīng)對(duì)措施[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2013(4):75-77.

[7]劉江平,陳超,許順芳.垂直裂縫的波場(chǎng)特征及實(shí)例[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2004,1(1):55-59.

[8]牛永田,吳子平,陳永彰,等.混凝土壩裂縫成因機(jī)理分析[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2004,12(3):40-42.

The Research of Energy-Attenuation Method on Depth Detection of Hydraulic Concrete Crack

Fan Minjin，Zhu Yanmei，Sha Chun

(SichuanHydropowerEngineeringInvestigationCo,Ltd,ChengduSichuan610072,China)

The developing depth of hydraulic concrete cracks is generally larger,and there are some limitations in conventional detection methods,such as the method of ultrasonic wave in single flat,double-faced test,acoustic wave from drilling hole or cross-hole. In order to improve the ability of nondestructive testing of concrete crack depth,energy-attenuation method,based on the theory of elastic wave propagation and having passed through a large number of studies and tests,is put forward. This paper introduces the detection principle,equipment,the scheme of line layout and data collection,processing flow. It turns out that the energy-attenuation method only differs by 1.67 percent from cross-hole sonic method in the comparison test of dam cracks in a hydropower station.

energy-attenuation method; concrete; crack; nondestructive test

1672—7940(2016)06—0799—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.018

范泯進(jìn)(1985-)，男，工程師，主要從事水電水利工程物探勘測(cè)及檢測(cè)方法技術(shù)研究與應(yīng)用工作。E-mail：86675518@qq.com

P631.5

A

2016-04-14