脈沖回波法在水電站蝸殼脫空檢測中的應用

熊中博，江玉龍

（1.大唐雅安電力開發有限公司，四川 雅安 625500；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

脈沖回波法在20世紀50年代開始被開發研究，其基本原理是根據彈性波在物件內部產生振動的共振頻率，計算缺陷位置及物體厚度。20世紀80年代末，美國的M.Sansalone和N.J.Carino在頻率域對沖擊反射回波進行分析研究，取得了突破性進展，使該方法進入實用階段。加拿大的馬爾霍察在1984年國際現場混凝土無損檢測會議論文集的綜述中，曾把脈沖回波法列為 “最有發展前途的現場檢測方法之一。我國在20世紀80年代中期，開始了聲波 （又稱應力波）反射法基樁完整性檢測的研究開發與應用，南京水利科學研究院對此項技術進行過一定的研究工作。本文簡要介紹了脈沖回波法在亭子口水電站蝸殼脫空情況檢測中的應用研究工作。

1 亭子口水電站蝸殼脫空檢測目的

亭子口水利樞紐工程設計壩型為混凝土重力壩，主要建筑物由擋水建筑物、泄洪建筑物、發電建筑物、通航建筑物和引水建筑物等組成。水庫正常蓄水位458.00 m，總庫容40.67億m3，最大壩高113 m，壩頂長995.4 m。左岸布置壩后引水式廠房，裝機4臺，裝機容量1100 MW。

為保證蝸殼外包混凝土澆筑飽滿，蝸殼外包混凝土底部首先采用常規的泵送混凝土澆筑，并形成傾向蝸殼中心的斜坡，澆筑至距離蝸殼底部90 cm左右位置，采用坍落度為25～27 cm的高流態自密實混凝土，退管法澆筑，當混凝土與蝸殼底部相接后，采用環向預埋的泵管向座環、蝸殼陰角部位泵送高流態混凝土。對于蝸殼底部確實難以澆筑密實的部位，埋設灌漿管，灌注水泥漿回填密實。

蝸殼部位受力復雜，要求回填混凝土與鋼襯之間必須緊密結合。由于受現場施工條件及混凝土干縮等因素制約，鋼襯混凝土施工過程中形成脫空缺陷難以避免，因此需在鋼襯和混凝土接觸部位預埋回填灌漿管路后期對脫空區域進行回填灌漿。由于鋼襯混凝土脫空缺陷屬隱蔽工程，僅依靠施工、監理單位對施工過程的監督管理及采用傳統的敲擊檢查難以準確掌握脫空范圍及脫空深度情況。為定量掌握蝸殼與外包混凝土間脫空區域的具體情況，判定接觸灌漿完成后其脫空情況是否滿足相關規程規范要求，需對蝸殼與外包混凝土間脫空區域分布范圍、面積及深度等進行檢測。

2 檢測原理及方法

2.1 檢測原理

傳統用于檢測鋼襯混凝土脫空缺陷的錘擊法、中子無損檢測法、內窺鏡法、鉆孔法等均存在一定的不足之處，如錘擊法憑感官經驗，中子無損檢測法需要放射性源，內窺鏡和鉆孔法屬破損檢測方法。沖擊回波法彌補了前三種方法的不足，是一種簡便、準確、有效的鋼襯混凝土管施工質量無損檢測方法。脈沖回波法是基于瞬態應力波的反射原理，能快速檢測混凝土結構構件的厚度以及孔洞、蜂窩、裂縫等缺陷，測量的物理量為縱波速度、面波速度、襯砌振動頻譜。縱波和面波速度反映混凝土強度，波形及頻譜特征則反映襯砌結構的完整性。

采用脈沖回波法測試時用小鋼球或以其他方式敲擊 （沖擊）結構表面，產生短暫的脈沖沖擊力，用以產生脈沖應力波，在應力波向結構內部傳播過程中，當碰到缺陷或波阻抗界面時，會產生反射應力波 （沖擊回波），反射應力波在結構表面與缺陷或底界面間發生多重反射，或引起瞬時共振狀態，通過分析沖擊回波信號的時域和頻域曲線，檢測結構的厚度，或判定結構是否存在缺陷及缺陷所在位置。

鋼襯混凝土檢測的基本原理為:鋼襯表面在沖擊作用下產生多次諧波信號，對于單一頻率的平面諧波，鋼襯表面激振點附近的質點振動速度為

式中，v為質點振動速度，V0為質點振動峰值，ω為角頻率。

單一頻率諧波的波動動能為

單一頻率諧波信號在T時間內的波動總動能為

在鋼襯表面激發應力波，一部分應力波沿鋼襯表面擴散傳播，另一部分能量穿透鋼襯向混凝土傳播，在鋼襯與混凝土界面，或鋼襯與空氣 （或水）界面，應力波將產生不同程度的反射，反射波疊加在直達波之上，使質點的波動能量有所改變。假定接收點的直達波能量為E1，反射波能量為E2，則該點的波動總能量為

在同樣的激發能量與激發條件下，距激發點相同距離的各接收點的直達波能量基本一致，從式（4）可知，接收點波動總能量的差異反映了反射能量的差異，而應力波反射能量的大小主要與鋼襯的結構及是否存在脫空等缺陷有關，因此可以通過檢測鋼襯的沖擊回波波動能量來判定鋼襯的脫空缺陷情況。

2.2 檢測方法

本次檢測采用HX-SY02A非金屬聲波儀，激振源為高能超磁致伸縮發射源，接收傳感器使用高頻響應良好的加速度計，以黃油作耦合劑。

測試中儀器設置參數及激振源發射電壓保持不變，以保證每次激發輸出的激振能量一致，接收條件一致，使所測信號具有可對比性。

2.2.1 鋼襯應力波速度測試

在鋼襯安裝之前，在鋼襯外表沿軸向進行鋼襯應力波速度測試。若沒有此測試條件，則在現場找其他未安裝鋼襯或已安裝的鋼襯表面進行測試。測試時，將平面聲波發射換能器固定，以10 cm的間距沿直線移動接收換能器，測試各點聲波旅行時間，測試8～12點，根據各點的距離與旅行時間計算鋼襯應力波速度。

2.2.2 混凝土應力波速度測試

在鋼襯模型澆筑充填混凝土時制作3～5塊標準試塊，試塊尺寸為150 cm×150 cm×150 cm，利用平面聲波換能器測試試塊的聲波波速。

2.2.3 應力波反射系數分析

在鋼襯與混凝土緊密結合的情況下 （質量完好），應力波反射界面為鋼襯與混凝土的接觸界面；當在鋼襯與混凝土之間脫空的情況下 （缺陷），應力波反射界面為鋼襯與空氣或鋼襯與水的界面。根據應力波反射原理，可計算出在鋼襯與混凝土接觸界面存在缺陷或無缺陷情況下的應力波反射系數，見表1。

表1 不同反射界面反射系數計算

由表1可知，不同界面的幅值反射系數和能量反射系數差異較大，當鋼襯脫空時，其反射波系數遠大于鋼襯與混凝土緊密接觸 （無脫空）情況，容易形成多次反射，故在鋼襯表面測到的應力波能量將顯著增加。

2.3 脫空評判方法

在鋼襯混凝土沖擊回波檢測時，測點沖擊回波能量不僅與激發能量、偏移距、接收儀器、傳感器以及設置參數有關，而且與鋼襯混凝土結構及是否存在脫空缺陷有關，因此在每次檢測前均應通過試驗確定臨界值。

臨界值測定一般選擇在鋼管的底部，該部位鋼襯與混凝土能夠緊密接觸，在該部位選取3～5個基準測區，設定同樣的激勵電壓、偏移距及接收系統參數，在每個測區檢測20點，經分析統計，以各基準測區所有測點波動能量的平均值加3倍均方差作為臨界值。若改變激發、接收條件，也應通過試驗重新確定臨界值。

將各測段的波動能量水平，與波動能量評判值相比較，根據比較結果判定鋼襯混凝土是否存在脫空缺陷及其程度。評判標準見表2。

表2 鋼襯混凝土沖擊回波檢測脫空缺陷評判標準

3 測線布置

考慮到蝸殼結構的特殊測性，亭子口水電站蝸殼測線布置按蝸殼分塊布置。每個蝸殼共分28塊，編號分別為1-1～1-28。每塊按0.5 m×0.5 m網格狀布置，共布置測線132條，測點1916個，測試長度958 m。對普查后發現的疑似脫空部位按0.25 m×0.25 m網格加密檢測，加密檢測的測點數量和測試長度依各個部位脫空比例的大小而不同。檢測時沿測線方向上布置激發點與接收點，采用單發單收共偏移觀測方式，激發源采用恒定源。為便于現場測試，偏移距離與點距相同。在完成測點的信號采集后，同步移動激發點和接收點，進行下一個測點的測試，直至完成整條測線的測試工作。

4 檢測結果分析

檢測中，先進行基準 （未脫空及脫空）參數測試。資料處理時，需要將所測數據與基準參數及灌前參數進行對比分析來判斷蝸殼脫空情況。

對蝸殼基準參數進行頻譜分析，根據其頻譜特征，蝸殼脫空程度劃分為未脫空、輕微脫空及嚴重脫空 （見圖1）。未脫空的脈沖回波信號的頻率主頻單一，主頻42 kHz附近。輕微脫空的頻率特征是主頻向小的方向移動，出現雙峰或者多峰，其脫空深度一般不大于1 mm，最大不超過3 mm，大多屬于接觸不良或漿液萎縮，相應的可灌性較差；嚴重脫空的頻率特征是主頻比較單一，小于20 kHz附近，其脫空深度一般大于3 mm，大多屬于漿液萎縮嚴重或澆灌質量不好，可進行重灌處理。

圖1 基準參數波形、頻率特征示意

亭子口水電站4臺機組均進行了蝸殼灌前灌后的脫空檢測，其檢測成果見表3。表3中脫空率是指相對回填灌漿面積，灌后脫空情況均達到嚴重脫空面積小于3.7%，且單個面積不 大于0.2 m2。

表3 蝸殼混凝土脫空情況匯總

5 結 語

脈沖回波法應用在電站廠房蝸殼與混凝土脫空檢測中，操作簡單，穩定可靠，檢測速度快，精度高，數據處理方便；該檢測法可將蝸殼鋼板與其外包混凝土間脫空區域分布、面積及深度進行詳細展現，為下一步處理和后續施工提供了科學依據。為防止蝸殼灌漿后，仍有脫空的面積或深度不合格，建議蝸殼在設計制造時，預留接觸灌漿孔，采用堵頭封堵。

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