沖擊回波法在水利水電鋼管壓力隧洞脫空檢測中的應用研究

唐如華，高遠貴，黃伯太

(1.四川省水利科學研究院，成都 610072；2.四川升拓檢測技術股份有限公司，成都 610045)

沖擊回波法在水利水電鋼管壓力隧洞脫空檢測中的應用研究

唐如華1，高遠貴1，黃伯太2

(1.四川省水利科學研究院，成都 610072；2.四川升拓檢測技術股份有限公司，成都 610045)

沖擊回波法是主要的無損檢測手段之一。目前對于水利水電鋼管壓力隧洞的脫空檢測研究不多。文章應用現有技術和設備對鋼管壓力隧洞脫空檢測進行應用研究，通過預制與被檢對象結構相似(鋼板厚度、混凝土強度等)的結構，并對該結構進行脫空測試，確定模型脫空閾值，并利用確定的閾值對結構進行脫空檢測，測試結果表明，沖擊回波法能夠有效的對鋼管壓力隧洞的脫空進行檢測。最后綜合分析水工相關規程中的測試方法及流程，進行匯總整理并結合對鋼管壓力隧洞脫空檢測技術，形成了一整套針對鋼管壓力隧洞鋼襯脫空的檢測方案，為有效檢測鋼管壓力隧洞脫空提供了重要的技術支撐。

沖擊回波法；脫空檢測；閾值；鋼管壓力隧洞

引 言

沖擊回波測試方法是目前主要的無損檢測手段之一，主要用于測試混凝土結構的厚度，并能定位缺陷(包括孔洞、裂縫、蜂窩)位置。但應用于水利水電鋼管壓力隧洞的脫空檢測卻研究不多，最新發布的《水工混凝土結構缺陷檢測技術規程》SL713及《水利工程質量檢測技術規程》(SL734)中也沒有提及[1-2]，這與無損檢測技術應用在水利水電行業相對落后有關。

由于壓力管道在設計時，壓力由鋼管和周圍的混凝土襯砌聯合承擔，如鋼管與混凝土襯砌產生較大面積的脫空，使得鋼管單獨承壓，進而造成鋼管的應力惡化以及不均勻變形，嚴重時還可能造成鋼管的破損[3-6]。因此，應用現有的科學技術和先進設備開展水利水電鋼管壓力隧洞脫空檢測的應用研究意義重大。

1 脫空檢測原理和方法

1.1 檢測原理

錘擊結構物表面時會誘發振動，可以用傳感器直接拾取結構物表面的振動信號(如卓越周期、重心周期、持續時間)并對信號進行處理和分析(稱為“振動法”)[5]。通常，在產生脫空的部位振動特性會發生變化：彎曲剛度顯著降低使卓越周期增長，彈性波能量的逸散變緩使振動持續時間變長[7]。

由于振動法測試脫空涉及到多個參數，而且缺乏絕對性閾值。為了歸一化相關參數，引入脫空指數，某點i的脫空指數Si的定義：

(1)

其中，Tk即為第k個參數，在脫空測試的過程中，涉及到的參數包括卓越周期、重心周期、持續時間，上劃線表示均值。當然，脫空指數越大，表明分析區域范圍內相對脫空的可能性越大。

1.2 脫空的判定

在脫空檢測中，是否存在脫空的閾值是關鍵問題之一。在大多數情況下，難以給出閾值的理論計算方法，因此采用統計的方法確定[8]。

根據Li和分位點α，即可判定脫空與否，常用分位點及L值見表1。

表1 常用分位點及L

本文設備系統建議將0.05分位值作為疑似脫空閾值，0.01分位值作為明顯脫空閾值[4]。

2 模型試驗

2.1 模型制作

為模擬鋼管壓力隧洞，采用3.1 m長，1 m寬，8 mm厚鋼襯卷成直徑1 m的鋼管。鋼管立于混凝土地面，外圍制作邊長1.5 m的正方形模板，鋼管外側與模板之間澆筑C20混凝土。為模擬鋼管與混凝土之間的脫空，混凝土澆筑時在鋼管與混凝土之間黏貼柔性PVC材料，如圖1所示。

圖1 模型

2.2 測線測點布置

沿鋼管周長平均布置21條線，間距約15 cm。每條線距離鋼管底邊20 cm向上開始布點，點距10 cm，共7個測點。

2.3 測試參數選擇

(1)激振錘選擇：取決于其對于脫空的敏感性。經過測試D30、D17、D10、D6激振錘，發現直徑越小的激振錘激發的沖擊波的頻率及持續時間的敏感性越高[4]。由于脫空的位置很淺，很小的激振力就會引發很強的波動，在測試時也不需要對信號進行放大。

(2)傳感器固定方式：既要考慮操作性和效率，又要考慮對頻響曲線的影響。設備配套的磁性卡座操作性和效率都很好，特別是其通過磁性自動附著在鋼管上，減少了人為因素的影響[9]。

(3)采樣頻率(采樣間隔)：采樣頻率越高(采樣間隔越短)，對模擬信號的重構效果越好。另外，采樣頻率必須滿足奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率必須大于采樣信號頻率的2倍以上，才能保證采樣后的信號不會產生明顯失真。一般實際應用中，保證采樣頻率為信號最高頻率的5至10倍[10]。經測試，最高采樣信號頻率為33.3 kHZ，故采樣頻率采用166.7 kHZ，對應的采樣間隔為6 μs。

(4)采集次數：采集次數越大采集到的波的數量越多，占用的內存越大。經測試，采集次數采用4096，能確保測試的波形能夠全部顯示[10]。

2.4 測試結果

利用分析系統對測試數據進行分析，得到相應的脫空指數，具體結果見表2。對應的測試結果如圖2所示。

圖2 測試結果

表2 脫空指數分析結果一覽表

(1)測試結果分析：初步分析按設備系統建議的常用分位值進行。0.01分位值為2.327，0.05分位值為1.645；大于1.645的測點共57個，占總數39%。

埋設缺陷部位(共24個測點)的脫空指數均較大，24個測點的脫空指數平均值為5.87，最大值13.5，最小值1.58。24個測點只有一個測點偏出(脫空指數接近1.645)，脫空測試的準確率96%。

非埋設缺陷部位共123個測點，34個測點的脫空指數大于1.645，全部集中在模型上部區域，尤其是處于模型最上部的環向測點的第六、第七排。第七至第一排測點的脫空指數平均值分別為：6.09、5.59、2.88、0.96、0.05、0.13、0.19。造成非埋設缺陷部位脫空的主要原因是模型混凝土凝固過程中，由于模板剛度不夠導致模型變形，造成上部混凝土與鋼管脫空。

(2)驗證及閾值的確定：為了準確地確定脫空的閾值，采用直徑為50 mm的磁力鉆對鋼管表面測點位置進行開孔目視，打開后，采用直徑約為0.1 mm的鋼針對開孔周圍插入驗證。

(3)選點：選擇在非埋設缺陷部位的12線第5點。該點滿足脫空指數為1.645的0.05分位值，該點是唯一滿足脫空指數為1.35的條件。打開后，只發現局部軟弱混凝土，其他部位接觸良好。因此可確定脫空指數1.35作為輕微脫空閾值。

為進一步驗證，選擇17線第4點(脫空指數2.32)進行開孔驗證。采用同樣的方法，打開后發現一半的接觸面有脫空(間隙約0.2 mm)。可確定脫空指數2.32作為脫空閾值。

(4)結論：初步分析可以采用常用的分位點脫空指數，通過驗證本模型采用脫空指數1.35作為輕微脫空閾值，脫空指數2.32作為脫空閾值。

3 現場試驗

3.1 工程概況

楊村水電站位于四川省樂山市境內，是官料河干流水電規劃的第六級，裝機容量3×22 MW。閘壩位于大堡鎮聯合村麻子壩索橋上游約300 m處，經有壓引水隧洞、調壓室、壓力管道等水工建筑，引水至楊村鄉上營村廠房發電，尾水入官料河。采用的尾水錐管口徑1.452 m，采用8 mm厚鋼管，與室內模型的鋼襯厚度相同[11]。

3.2 測線測點布置及測試參數選擇

由于場地條件的限制，在鋼管局部區域布置了4×6的網格，最小網格尺寸為0.2 m×0.2 m。測試參數與模型試驗一致。

3.3 測試結果

(1)脫空指數分析

通過對測試數據進行分析，得出測試脫空指數，具體參考表3。對測試數據進行二維等值線表示，如圖3所示。

表3 脫空指數結果一覽表

圖3 測試結果圖

(2)結果分析：按模型試驗給定的脫空閾值進行判斷，測點共計24點，有3個測點為輕微脫空，4個測點為脫空。

(3)驗證：由于鋼管不能進行破壞性試驗驗證，只能采用間接方法，利用高壓灌漿方式從檢修孔對其進行灌漿。灌漿后，對測試部位進行重新檢測，結果顯示，該區域未見明顯脫空。

4 檢測方案

總結以上試驗成果并結合現有的規程規范提出鋼管壓力隧洞脫空檢測方案[12]。

4.1 檢測項目資料收集

收集檢測項目的設計圖紙、設計變更、施工記錄、工程驗收等資料。

4.2 設備選擇

主要檢測儀器和設備應包括：沖擊器、傳感器、數據采樣分析系統。數據采樣分析系統應具有信號觸發、數據采集、濾波、快速傅里葉變換功能；采集系統應具有預觸發功能，觸發信號到達前應能采集不少于100個數據記錄；接收器與數據采集儀的連接電纜應無電噪聲干擾；應選頻帶寬、靈敏度高、頻譜分析功能強儀器；傳感器與鋼村耦合良好，高頻激振。

4.3 模型試驗

(1)模型制作：鋼管：直徑按比例縮小，但不小于1 m；長度不小于1 m；材質及厚度與檢測項目一致。混凝土：強度及厚度與項目接近；應保證混凝土與鋼管接觸緊密。

(2)測線測點布置：測線沿鋼管長度方向布置，間距不宜大于0.2 m；測點間距不宜大于0.2 m。

(3)參數選擇：包括沖擊器、傳感器、采樣頻率及次數、預觸發記錄數等。

沖擊器：通過測試確定最優選擇。傳感器：宜采用磁性附著方式，減少人為方式的影響[12]。采樣頻率及次數：采樣頻率必須滿足奈奎斯特采樣定理，一般實際應用中采樣頻率宜為信號最高頻率的5至10倍；采集次數的大小影響采集到的波的數量，應確保測試的波形在顯示范圍。

(4)測試及分析：每測點建議采集3次，波形應基本相同。分析時，對比分析實測波形及回波主頻率，分析各測點脫空指數，初步確定是否脫空，繪制脫空范圍圖和脫空位置列表。

(5)驗證：采用開孔的方法進行驗證，驗證判斷脫空的依據(本測試系統的脫空指數閾值)。

4.4 現場檢測

(1)測線測點布置：測線應布置在鋼管的頂、腰及底部，頂部測線宜布置3～5條；測點間距宜為0.2 m～0.5 m。

(2)參數選擇：與模型試驗一致。

(3)測試及分析：每一點應測2次，波形應基本相同。結合模型試驗積累的數據，對比分析實測波形及回波主頻率，采用類似本測試系統時計算脫空指數，確定是否脫空；繪制脫空范圍圖和脫空位置列表。

(4)驗證：必要時采用開孔或其他方法進行驗證。

5 結束語

通過模型試驗進行驗證并在現場采用模型試驗參數實施檢測，試驗成果表明沖擊回波法在水利水電鋼管壓力隧洞脫空檢測中的應用是可行的。利用預制模型確定脫空閾值的方式為有效檢測鋼管壓力隧洞脫空提供了可行且準確的依據，避免相對脫空對結構帶來誤判。

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[6] 李國斌,中空錨桿無損檢測方法的研究及應用[J].四川理工學院學報:自然科學版,2016,29(4):55-58.

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Application of Impact Echo Method in Deformation Detection of Pressure Tunnel of Water Conservancy and Hydropower

TANGRuhua1,GAOYuangui1,HUANGBotai2

(1.Sichuan Water Conservancy Research Institute, Chengdu 610072, China; 2.Sichuan Central Inspection Technology Inc., Chengdu 610045, China)

Impact echo method is one of the main non-destructive testing methods, but researches for the water conservancy and hydropower pipe pressure tunnel void detection is insufficient. In this paper, the existing technology and advanced equipment are used to study the void detection of steel pipe pressure tunnel. The structure of the steel pipe is similar to that of the object to be tested (steel plate thickness, concrete strength, etc.), and the structure is tested by void test. The results show that the impact echo method can effectively detect the voids of the steel pipe pressure tunnel. Finally, a comprehensive analysis of the relevant test methods and processes in the relevant regulations of hydraulic engineering is carried out. Combined with the analysis of the steel pipe pressure tunnel hollowing out technology, a set of testing scheme for steel liner voiding of steel pipe pressure tunnel is formed, which provides a important technical support to effectively detect steel pipe pressure tunnel Void.

impact echo method; void detection; threshold; steel pipe pressure tunnel

2017-06-07

唐如華(1964-)，男，湖北天門人，高級工程師，主要從事水利水電工程質量檢測和相關技術方面的研究，(E-mail) luoxyspring@163.com; 高遠貴(1963-)，男，四川成都人，工程師，主要從事水利水電工程質量檢測和相關技術推廣方面的研究，(E-mail)44325704@qq.com

1673-1549(2017)04-0053-05

10.11863/j.suse.2017.04.10

TU132

A