脈沖回波法在引水隧洞襯砌質量檢測中的應用

陳釗++楊聃

摘 要：文章闡述了脈沖回波法無損檢測的工作原理及特點。結合工程實例，分析了脈沖回波法在引水隧洞襯砌質量檢測中針對混凝土強度、襯砌厚度、內部缺陷與脫空的檢測效果，體現了它測試精度高、功能強大且操作簡便靈活的特點。

關鍵詞：脈沖回波法；工作原理；引水隧洞；襯砌質量

1 概述

引水系統在水利水電工程中具有極其重要的作用，引水系統能否安全運行關系到整個水電站運行的成敗。引水系統安全運行取決于隧洞襯砌及灌漿質量的好壞，特別是在有壓、高水頭、長隧洞中，襯砌混凝土承受圍巖壓力、內水壓力及其他荷載等作用。混凝土襯砌及灌漿質量的好壞對隧道長期穩定、使用功能的正常發揮以及外觀，均有很大影響。為了確保隧洞的襯砌與質量，對隧洞進行無損檢測是非常重要的環節。目前，對襯砌厚度、缺陷以及空洞的檢測方法很多，比如沖擊回波法、地質雷達法、聲波法等。但是，引水隧洞有自身的特點，根據地質及水壓等條件，有的隧洞設計襯砌混凝土較厚、鋼筋間距小，同時采用雙層鋼筋等特點，限制了許多無損檢測的方法。本研究提出采用脈沖回波法能很好的解決這一問題，其測試參數有襯砌混凝土的強度、混凝土的厚度、內部缺陷及脫空深度，并在渡口壩水電站工程得到了應用。

2 工作原理及儀器特點

2.1 工作原理

脈沖回波法檢測采用SCE-MATS-S混凝土多功能無損測試儀，利用沖擊彈性波技術進行無損探測。本測試儀主要是由激振子系統、采集子系統和數據分析子系統構成。在檢測過程中，先由激振子系統在混凝土襯砌表面施加一瞬時的沖擊，產生應力脈沖波（主要考慮縱波）傳入混凝土襯砌內部，被襯砌內部缺陷表面或底部邊界反射到混凝土襯砌內，反過來，又被襯砌表面反射到襯砌內部，從而再一次被介質內部缺陷表面或底部邊界反射。由采集子系統獲得的時域信號通過快速傅立葉變換法（FFT）轉變為頻域信號，即把位移-時間曲線轉換為振幅-頻率關系曲線，由其多次反射產生瞬態共振條件，數據分析子系統從振幅譜中辨別出共振頻率，可用于確定混凝土襯砌的厚度及其內部缺陷的深度。

2.2 儀器特點

SCE-MATS-S混凝土多功能無損測試儀可對混凝土材料、結構物及巖體的裂縫深度、結構內部強度、內部空洞、表層剝離、表層剛性及結構厚度進行檢測。其測試精度高，功能強大且操作簡便靈活。與市面上的沖擊回波測試混凝土厚度和缺陷的儀器相比，該測試儀采用多種頻譜分析方法和智能機制，自動搜尋最優結果，具有更高的測試精度。它不僅可以測試混凝土面板，還可以測試深達數米的基礎埋深和擋土墻厚度等，具有更廣的測試范圍。

3 工程實例

3.1 工程概況

渡口壩水電站為混合式電站，工程由大壩樞紐、引水建筑物及地面廠房樞紐組成，引水隧洞全長20026.44m，開挖洞徑5.2m，采用雙層鋼筋混凝土襯砌，襯砌后洞徑4.2m，襯砌厚度50cm，鋼筋間距12.5cm～20cm。引水隧洞沿線為深～中切中～低山區，山勢陡峻，溝谷深切，山體總體走向NWW，地形標高一般600～1200m，相對高差400～600m。隧洞埋深一般150～300m，沖溝處埋深10～150m，最小埋深10m，最大埋深約840m。洞線穿越地層為三疊系上統須家河組、侏羅系下統珍珠沖組、中下統自流井組、中統新田溝組、下沙溪廟組、上沙溪廟組及上統遂寧組，巖性為巖屑長石石英砂巖、長石砂巖、粉砂巖、頁巖、泥巖夾薄煤層及煤線。

3.2 測線布置

本工程脈沖回波法無損檢測共布置3條測線。其中拱頂測線布置在隧洞正頂部，左右拱肩測線偏離拱頂測線左右各60°，線距為1～5m，點距為0.1～0.2m。

3.3 檢測成果分析

本工程隧洞長為洞全長20026.44m，由于隧洞較長，不全部分析，文章取K2+400～K2+410段為例來說明檢測情況，該段為Ⅴ類圍巖，直徑為22mm的雙層鋼筋設置，混凝土襯砌厚度為50cm。

3.3.1 混凝土強度測試。在測試系統中，采用沖擊彈性波作為測試媒介，通過測試彈性波的波速，據此計算材料的動彈性模量和推算相應的靜彈模，進而根據靜彈模與抗壓強度的相關關系推算混凝土的抗壓強度。

采用表面波法測試混凝土襯砌的強度，在K2+400～K2+410測試斷面中間的左右側拱腰處各布置2～3個測段，共4～6個測段，每個測段長1m，測試五次，得到測試斷面的混凝土襯砌的詳細數據如表1。

由表1可知，測試斷面襯砌混凝土平均強度為24.1Mpa，基本達到設計要求襯砌混凝土強度C25。通過整個測試數據表明，干燥部位混凝土強度明顯較高，潮濕部位混凝土襯砌的強度明顯偏低。

3.3.2 混凝土襯砌厚度測試。混凝土襯砌結構的厚度測試，主要采用單面反射法。根據尺寸的大小、激振波長和能量的強弱，可以采用單一反射法和重復反射法。經過測試得到K2+400～K2+410段混凝土襯砌拱腰及頂拱處的最大、最小及平均厚度見表2，襯砌混凝土厚度分布見圖1。

由表2，圖1可知，襯砌混凝土無論是左右側腰拱還是頂拱其平均厚度均超過設計厚度40cm。

3.3.3 混凝土襯砌內部缺陷與脫空測試。基于沖擊彈性波的彈性波雷達掃描技術，沿測試對象表面連續激發彈性波信號，信號在遇到空洞等疏松介質時會產生反射。通過抽取該反射信號并進行相應的圖像處理，即可識別結構的內部缺陷。

在產生脫空的部位，當錘擊混凝土襯砌結構表面時，在表面會誘發振動，因此，可以用傳感器直接拾取結構表面的振動信號。

所有測試斷面的缺陷描述及分布分別見表3和圖2，其中表3中，缺陷的特征尺寸描述中，前一個值（或者范圍值）表示沿測線方向上缺陷的長度，后一個值（或者范圍值）表示缺陷在測線法向的大小（缺陷的深度）。

由表3和圖2可知，兩腰拱測線上發現缺陷，頂拱正常，其測試斷面的缺陷尺寸較小，長度與深度范圍主要集中在0.1m～0.2m，且分布較零散不連續。

4 結束語

渡口壩水電站引水隧洞設計采用襯砌鋼筋混凝土，具有鋼筋間距小及雙層鋼筋等特點，雙層鋼筋網對電磁波具有屏蔽作用，致使許多無損檢測效果差。脈沖回波法檢測法測試精度高，功能強大且操作簡便靈活。在本工程中此檢測方法很好的解決了這一工程特點，經試驗檢測效果顯著，為確保襯砌混凝土與灌漿質量提供了有力保障，提高了安全運行水平，有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]程立，祁增云，楊顯文.地質雷達在引水隧洞襯砌與灌漿質量檢測中的應用[J].天津：勘察科學技術，2012.

[2]田北平，吳佳曄，趙強，等.引水隧洞襯砌質量檢測的沖擊彈性波無損檢測技術[J].天津：四川建筑科學研究，2010.

[3]王淑建，楊萬章.混凝土無損檢測技術及其應用[J].四川：四川水力發電，2005.

作者簡介：楊聃（1976-），男，漢族，浙江麗水人，高級工程師。endprint

摘 要：文章闡述了脈沖回波法無損檢測的工作原理及特點。結合工程實例，分析了脈沖回波法在引水隧洞襯砌質量檢測中針對混凝土強度、襯砌厚度、內部缺陷與脫空的檢測效果，體現了它測試精度高、功能強大且操作簡便靈活的特點。

關鍵詞：脈沖回波法；工作原理；引水隧洞；襯砌質量

1 概述

引水系統在水利水電工程中具有極其重要的作用，引水系統能否安全運行關系到整個水電站運行的成敗。引水系統安全運行取決于隧洞襯砌及灌漿質量的好壞，特別是在有壓、高水頭、長隧洞中，襯砌混凝土承受圍巖壓力、內水壓力及其他荷載等作用。混凝土襯砌及灌漿質量的好壞對隧道長期穩定、使用功能的正常發揮以及外觀，均有很大影響。為了確保隧洞的襯砌與質量，對隧洞進行無損檢測是非常重要的環節。目前，對襯砌厚度、缺陷以及空洞的檢測方法很多，比如沖擊回波法、地質雷達法、聲波法等。但是，引水隧洞有自身的特點，根據地質及水壓等條件，有的隧洞設計襯砌混凝土較厚、鋼筋間距小，同時采用雙層鋼筋等特點，限制了許多無損檢測的方法。本研究提出采用脈沖回波法能很好的解決這一問題，其測試參數有襯砌混凝土的強度、混凝土的厚度、內部缺陷及脫空深度，并在渡口壩水電站工程得到了應用。

2 工作原理及儀器特點

2.1 工作原理

脈沖回波法檢測采用SCE-MATS-S混凝土多功能無損測試儀，利用沖擊彈性波技術進行無損探測。本測試儀主要是由激振子系統、采集子系統和數據分析子系統構成。在檢測過程中，先由激振子系統在混凝土襯砌表面施加一瞬時的沖擊，產生應力脈沖波（主要考慮縱波）傳入混凝土襯砌內部，被襯砌內部缺陷表面或底部邊界反射到混凝土襯砌內，反過來，又被襯砌表面反射到襯砌內部，從而再一次被介質內部缺陷表面或底部邊界反射。由采集子系統獲得的時域信號通過快速傅立葉變換法（FFT）轉變為頻域信號，即把位移-時間曲線轉換為振幅-頻率關系曲線，由其多次反射產生瞬態共振條件，數據分析子系統從振幅譜中辨別出共振頻率，可用于確定混凝土襯砌的厚度及其內部缺陷的深度。

2.2 儀器特點

SCE-MATS-S混凝土多功能無損測試儀可對混凝土材料、結構物及巖體的裂縫深度、結構內部強度、內部空洞、表層剝離、表層剛性及結構厚度進行檢測。其測試精度高，功能強大且操作簡便靈活。與市面上的沖擊回波測試混凝土厚度和缺陷的儀器相比，該測試儀采用多種頻譜分析方法和智能機制，自動搜尋最優結果，具有更高的測試精度。它不僅可以測試混凝土面板，還可以測試深達數米的基礎埋深和擋土墻厚度等，具有更廣的測試范圍。

3 工程實例

3.1 工程概況

渡口壩水電站為混合式電站，工程由大壩樞紐、引水建筑物及地面廠房樞紐組成，引水隧洞全長20026.44m，開挖洞徑5.2m，采用雙層鋼筋混凝土襯砌，襯砌后洞徑4.2m，襯砌厚度50cm，鋼筋間距12.5cm～20cm。引水隧洞沿線為深～中切中～低山區，山勢陡峻，溝谷深切，山體總體走向NWW，地形標高一般600～1200m，相對高差400～600m。隧洞埋深一般150～300m，沖溝處埋深10～150m，最小埋深10m，最大埋深約840m。洞線穿越地層為三疊系上統須家河組、侏羅系下統珍珠沖組、中下統自流井組、中統新田溝組、下沙溪廟組、上沙溪廟組及上統遂寧組，巖性為巖屑長石石英砂巖、長石砂巖、粉砂巖、頁巖、泥巖夾薄煤層及煤線。

3.2 測線布置

本工程脈沖回波法無損檢測共布置3條測線。其中拱頂測線布置在隧洞正頂部，左右拱肩測線偏離拱頂測線左右各60°，線距為1～5m，點距為0.1～0.2m。

3.3 檢測成果分析

本工程隧洞長為洞全長20026.44m，由于隧洞較長，不全部分析，文章取K2+400～K2+410段為例來說明檢測情況，該段為Ⅴ類圍巖，直徑為22mm的雙層鋼筋設置，混凝土襯砌厚度為50cm。

3.3.1 混凝土強度測試。在測試系統中，采用沖擊彈性波作為測試媒介，通過測試彈性波的波速，據此計算材料的動彈性模量和推算相應的靜彈模，進而根據靜彈模與抗壓強度的相關關系推算混凝土的抗壓強度。

采用表面波法測試混凝土襯砌的強度，在K2+400～K2+410測試斷面中間的左右側拱腰處各布置2～3個測段，共4～6個測段，每個測段長1m，測試五次，得到測試斷面的混凝土襯砌的詳細數據如表1。

由表1可知，測試斷面襯砌混凝土平均強度為24.1Mpa，基本達到設計要求襯砌混凝土強度C25。通過整個測試數據表明，干燥部位混凝土強度明顯較高，潮濕部位混凝土襯砌的強度明顯偏低。

3.3.2 混凝土襯砌厚度測試。混凝土襯砌結構的厚度測試，主要采用單面反射法。根據尺寸的大小、激振波長和能量的強弱，可以采用單一反射法和重復反射法。經過測試得到K2+400～K2+410段混凝土襯砌拱腰及頂拱處的最大、最小及平均厚度見表2，襯砌混凝土厚度分布見圖1。

由表2，圖1可知，襯砌混凝土無論是左右側腰拱還是頂拱其平均厚度均超過設計厚度40cm。

3.3.3 混凝土襯砌內部缺陷與脫空測試。基于沖擊彈性波的彈性波雷達掃描技術，沿測試對象表面連續激發彈性波信號，信號在遇到空洞等疏松介質時會產生反射。通過抽取該反射信號并進行相應的圖像處理，即可識別結構的內部缺陷。

在產生脫空的部位，當錘擊混凝土襯砌結構表面時，在表面會誘發振動，因此，可以用傳感器直接拾取結構表面的振動信號。

所有測試斷面的缺陷描述及分布分別見表3和圖2，其中表3中，缺陷的特征尺寸描述中，前一個值（或者范圍值）表示沿測線方向上缺陷的長度，后一個值（或者范圍值）表示缺陷在測線法向的大小（缺陷的深度）。

由表3和圖2可知，兩腰拱測線上發現缺陷，頂拱正常，其測試斷面的缺陷尺寸較小，長度與深度范圍主要集中在0.1m～0.2m，且分布較零散不連續。

4 結束語

渡口壩水電站引水隧洞設計采用襯砌鋼筋混凝土，具有鋼筋間距小及雙層鋼筋等特點，雙層鋼筋網對電磁波具有屏蔽作用，致使許多無損檢測效果差。脈沖回波法檢測法測試精度高，功能強大且操作簡便靈活。在本工程中此檢測方法很好的解決了這一工程特點，經試驗檢測效果顯著，為確保襯砌混凝土與灌漿質量提供了有力保障，提高了安全運行水平，有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]程立，祁增云，楊顯文.地質雷達在引水隧洞襯砌與灌漿質量檢測中的應用[J].天津：勘察科學技術，2012.

[2]田北平，吳佳曄，趙強，等.引水隧洞襯砌質量檢測的沖擊彈性波無損檢測技術[J].天津：四川建筑科學研究，2010.

[3]王淑建，楊萬章.混凝土無損檢測技術及其應用[J].四川：四川水力發電，2005.

作者簡介：楊聃（1976-），男，漢族，浙江麗水人，高級工程師。endprint

摘 要：文章闡述了脈沖回波法無損檢測的工作原理及特點。結合工程實例，分析了脈沖回波法在引水隧洞襯砌質量檢測中針對混凝土強度、襯砌厚度、內部缺陷與脫空的檢測效果，體現了它測試精度高、功能強大且操作簡便靈活的特點。

關鍵詞：脈沖回波法；工作原理；引水隧洞；襯砌質量

1 概述

引水系統在水利水電工程中具有極其重要的作用，引水系統能否安全運行關系到整個水電站運行的成敗。引水系統安全運行取決于隧洞襯砌及灌漿質量的好壞，特別是在有壓、高水頭、長隧洞中，襯砌混凝土承受圍巖壓力、內水壓力及其他荷載等作用。混凝土襯砌及灌漿質量的好壞對隧道長期穩定、使用功能的正常發揮以及外觀，均有很大影響。為了確保隧洞的襯砌與質量，對隧洞進行無損檢測是非常重要的環節。目前，對襯砌厚度、缺陷以及空洞的檢測方法很多，比如沖擊回波法、地質雷達法、聲波法等。但是，引水隧洞有自身的特點，根據地質及水壓等條件，有的隧洞設計襯砌混凝土較厚、鋼筋間距小，同時采用雙層鋼筋等特點，限制了許多無損檢測的方法。本研究提出采用脈沖回波法能很好的解決這一問題，其測試參數有襯砌混凝土的強度、混凝土的厚度、內部缺陷及脫空深度，并在渡口壩水電站工程得到了應用。

2 工作原理及儀器特點

2.1 工作原理

脈沖回波法檢測采用SCE-MATS-S混凝土多功能無損測試儀，利用沖擊彈性波技術進行無損探測。本測試儀主要是由激振子系統、采集子系統和數據分析子系統構成。在檢測過程中，先由激振子系統在混凝土襯砌表面施加一瞬時的沖擊，產生應力脈沖波（主要考慮縱波）傳入混凝土襯砌內部，被襯砌內部缺陷表面或底部邊界反射到混凝土襯砌內，反過來，又被襯砌表面反射到襯砌內部，從而再一次被介質內部缺陷表面或底部邊界反射。由采集子系統獲得的時域信號通過快速傅立葉變換法（FFT）轉變為頻域信號，即把位移-時間曲線轉換為振幅-頻率關系曲線，由其多次反射產生瞬態共振條件，數據分析子系統從振幅譜中辨別出共振頻率，可用于確定混凝土襯砌的厚度及其內部缺陷的深度。

2.2 儀器特點

SCE-MATS-S混凝土多功能無損測試儀可對混凝土材料、結構物及巖體的裂縫深度、結構內部強度、內部空洞、表層剝離、表層剛性及結構厚度進行檢測。其測試精度高，功能強大且操作簡便靈活。與市面上的沖擊回波測試混凝土厚度和缺陷的儀器相比，該測試儀采用多種頻譜分析方法和智能機制，自動搜尋最優結果，具有更高的測試精度。它不僅可以測試混凝土面板，還可以測試深達數米的基礎埋深和擋土墻厚度等，具有更廣的測試范圍。

3 工程實例

3.1 工程概況

渡口壩水電站為混合式電站，工程由大壩樞紐、引水建筑物及地面廠房樞紐組成，引水隧洞全長20026.44m，開挖洞徑5.2m，采用雙層鋼筋混凝土襯砌，襯砌后洞徑4.2m，襯砌厚度50cm，鋼筋間距12.5cm～20cm。引水隧洞沿線為深～中切中～低山區，山勢陡峻，溝谷深切，山體總體走向NWW，地形標高一般600～1200m，相對高差400～600m。隧洞埋深一般150～300m，沖溝處埋深10～150m，最小埋深10m，最大埋深約840m。洞線穿越地層為三疊系上統須家河組、侏羅系下統珍珠沖組、中下統自流井組、中統新田溝組、下沙溪廟組、上沙溪廟組及上統遂寧組，巖性為巖屑長石石英砂巖、長石砂巖、粉砂巖、頁巖、泥巖夾薄煤層及煤線。

3.2 測線布置

本工程脈沖回波法無損檢測共布置3條測線。其中拱頂測線布置在隧洞正頂部，左右拱肩測線偏離拱頂測線左右各60°，線距為1～5m，點距為0.1～0.2m。

3.3 檢測成果分析

本工程隧洞長為洞全長20026.44m，由于隧洞較長，不全部分析，文章取K2+400～K2+410段為例來說明檢測情況，該段為Ⅴ類圍巖，直徑為22mm的雙層鋼筋設置，混凝土襯砌厚度為50cm。

3.3.1 混凝土強度測試。在測試系統中，采用沖擊彈性波作為測試媒介，通過測試彈性波的波速，據此計算材料的動彈性模量和推算相應的靜彈模，進而根據靜彈模與抗壓強度的相關關系推算混凝土的抗壓強度。

采用表面波法測試混凝土襯砌的強度，在K2+400～K2+410測試斷面中間的左右側拱腰處各布置2～3個測段，共4～6個測段，每個測段長1m，測試五次，得到測試斷面的混凝土襯砌的詳細數據如表1。

由表1可知，測試斷面襯砌混凝土平均強度為24.1Mpa，基本達到設計要求襯砌混凝土強度C25。通過整個測試數據表明，干燥部位混凝土強度明顯較高，潮濕部位混凝土襯砌的強度明顯偏低。

3.3.2 混凝土襯砌厚度測試。混凝土襯砌結構的厚度測試，主要采用單面反射法。根據尺寸的大小、激振波長和能量的強弱，可以采用單一反射法和重復反射法。經過測試得到K2+400～K2+410段混凝土襯砌拱腰及頂拱處的最大、最小及平均厚度見表2，襯砌混凝土厚度分布見圖1。

由表2，圖1可知，襯砌混凝土無論是左右側腰拱還是頂拱其平均厚度均超過設計厚度40cm。

3.3.3 混凝土襯砌內部缺陷與脫空測試。基于沖擊彈性波的彈性波雷達掃描技術，沿測試對象表面連續激發彈性波信號，信號在遇到空洞等疏松介質時會產生反射。通過抽取該反射信號并進行相應的圖像處理，即可識別結構的內部缺陷。

在產生脫空的部位，當錘擊混凝土襯砌結構表面時，在表面會誘發振動，因此，可以用傳感器直接拾取結構表面的振動信號。

所有測試斷面的缺陷描述及分布分別見表3和圖2，其中表3中，缺陷的特征尺寸描述中，前一個值（或者范圍值）表示沿測線方向上缺陷的長度，后一個值（或者范圍值）表示缺陷在測線法向的大小（缺陷的深度）。

由表3和圖2可知，兩腰拱測線上發現缺陷，頂拱正常，其測試斷面的缺陷尺寸較小，長度與深度范圍主要集中在0.1m～0.2m，且分布較零散不連續。

4 結束語

渡口壩水電站引水隧洞設計采用襯砌鋼筋混凝土，具有鋼筋間距小及雙層鋼筋等特點，雙層鋼筋網對電磁波具有屏蔽作用，致使許多無損檢測效果差。脈沖回波法檢測法測試精度高，功能強大且操作簡便靈活。在本工程中此檢測方法很好的解決了這一工程特點，經試驗檢測效果顯著，為確保襯砌混凝土與灌漿質量提供了有力保障，提高了安全運行水平，有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]程立，祁增云，楊顯文.地質雷達在引水隧洞襯砌與灌漿質量檢測中的應用[J].天津：勘察科學技術，2012.

[2]田北平，吳佳曄，趙強，等.引水隧洞襯砌質量檢測的沖擊彈性波無損檢測技術[J].天津：四川建筑科學研究，2010.

[3]王淑建，楊萬章.混凝土無損檢測技術及其應用[J].四川：四川水力發電，2005.

作者簡介：楊聃（1976-），男，漢族，浙江麗水人，高級工程師。endprint