抽水蓄能電站廊道裂縫檢測與評估

李秀琳，呂小彬，劉 巖，趙 磊，劉 泱，楊 述

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051)

1 概 述

內(nèi)蒙古某瀝青混凝土防滲面板抽水蓄能電站，上水庫廊道外斷面為倒梯形、內(nèi)斷面為標(biāo)準(zhǔn)城門洞型，洞內(nèi)寬 1.5 m、高2.0 m，襯砌厚不小于60 cm，廊道分縫間距一般為10 m[1]。2015年巡檢在廊道b0+013處發(fā)現(xiàn)裂縫，2019年再次巡檢時發(fā)現(xiàn)裂縫有發(fā)展，表現(xiàn)為裂縫呈剪切扭動破壞的形式張開，個別裂縫較2015年的記錄有所延伸，重點(diǎn)監(jiān)測的裂縫局部出現(xiàn)破壞、有掉塊風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)該處裂縫有13條，集中分布于挖填分界b0+013～b0+016區(qū)間，廊道裂縫及其編號見圖1。11#，13#兩條裂縫靠近b0+016沿廊道環(huán)向發(fā)展，13#裂縫最大寬度將近1 cm并伴有錯動，初步判定為貫穿性裂縫。12#縫位于11#和13#之間大壩側(cè)邊墻頂部弧段；其余裂縫分布于庫盆側(cè)邊墻頂部的弧段。結(jié)合裂縫分布情況、廊道結(jié)構(gòu)形式，通過裂縫深度檢測查看裂縫是否貫通，提出缺陷修補(bǔ)方案。

廊道襯砌混凝土典型裂縫深度檢測，首先采用規(guī)范推薦的表面波法和超聲波法兩種無損法。在裂縫發(fā)展最嚴(yán)重的b0+013～b0+016段選取3條寬度最大的裂縫，采用表面波法進(jìn)行檢測。為對比兩種方法檢測結(jié)果的差別，在b0+013～b0+016段又選取了4條裂縫，用常規(guī)的超聲波法進(jìn)行檢測。另外，在b1+066～b1+076段選取4條典型的溫度裂縫，采用常規(guī)的超聲波法進(jìn)行檢測。最后在邊墻縫寬較大處騎縫取芯，驗(yàn)證無損檢測結(jié)果。

圖1 廊道裂縫示意圖

2 瑞利波平測法

2.1 平測法原理

瑞利波由在媒體邊界面上的壓縮波P波和剪切波S波相互作用而生成。沖擊媒體表面所產(chǎn)生的彈性波中瑞利波能量最大，主要集中在距表面深度1倍波長范圍內(nèi)，信號容易被采集。瑞利波利用其衰減特性測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度，受縫內(nèi)填充物、含水量以及鋼筋影響很小，非常適合較深裂縫檢測[2]。瑞利波在完整連續(xù)介質(zhì)中傳播，所發(fā)生的材料衰減、幾何衰減可通過系統(tǒng)補(bǔ)正可保持瑞利波振幅不變，一旦遇到裂縫，波的能量減少和振幅減小[3]。見圖2，通過測試裂縫前后瑞利波振幅變化得出振幅比，即可推算裂縫深度。

圖2 面波法的概念

在半無限空間中瑞利波的上下方向的相對位移(即與表面位移比)w(z)沿深度方向的分布為：

(1)

其中：VR，VP，VS分別為瑞利波、P波和S波的傳播速度；ζ為瑞利波的波數(shù)，有ζ=2π/λR。

由于瑞利波的上下方向變形(亦被測對象)與深度呈指數(shù)關(guān)系，可以想到裂縫深度H與裂縫前后振幅比x的關(guān)系可以假設(shè)為：

H=C·ln(x)

(2)

顯然，C還應(yīng)與瑞利波的波長λR相關(guān)，為此利用大型混凝土試塊進(jìn)行試驗(yàn)。在進(jìn)行相關(guān)修正(如距離、材料等)后，得到圖3所示的關(guān)系。

圖3 C與λR的關(guān)系

基于最小二乘法可得：

C=-0.742 9λR

(3)

2.2 平測法結(jié)果

檢測中傳感器間距d取40 cm，采用雙向激振的方式進(jìn)行4次激振測試后，保持傳感器位置不變，將沖擊錘移動至原敲擊位置的另一側(cè)，再進(jìn)行4次激振測試。每條裂縫共計(jì)進(jìn)行8次激振測試。

在剪扭裂縫發(fā)展最嚴(yán)重的b0+013～b0+016段選取3條寬度最大的裂縫，靠近庫盆的左側(cè)墻11#和13#兩條裂縫，靠近壩體的右側(cè)墻1條進(jìn)行平測法測縫深，見圖4。裂縫典型的傳感器信號見圖5。

這3條嚴(yán)重的剪扭裂縫在表面波檢測時的一個共同特征是近端傳感器(與激振錘在裂縫的同一側(cè))接收到的彈性波信號的電壓幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)端傳感器(在裂縫的另一側(cè))：3條裂縫在兩端激振情況下近端傳感器的電壓幅值一般在8 V左右，而遠(yuǎn)端傳感器的電壓幅值只有不到0.2 V，相差近40倍，也就是說雖然兩個傳感器的間距只有40 cm，但表面波信號基本無法跨縫傳播(圖2)。按照式(2)計(jì)算，3條裂縫的深度都超過1 m，因此判斷這3條裂縫已經(jīng)貫穿整個廊道襯砌厚度。

圖4 平測法檢測的剪扭裂縫之一(b0+014.7靠近庫盆側(cè))

圖5 平測法檢測兩道傳感器典型信號

3 超聲波

3.1 超聲波法原理

超聲波檢測混凝土裂縫深度的原理是：利用脈沖波在混凝土中傳播的時間(或速度)及接收波的振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的變化來檢測混凝土中的缺陷[4]。混凝土中的裂縫破壞了混凝土的整體性，超聲波只能繞過裂縫(或空洞)傳播到接收換能口，因此傳播路徑增大，測得的聲時必然延長或?qū)е聜鞑ニ俣冉档汀Ｓ绊懗暡z測混凝土裂縫深度的精度的因素主要有兩個：一個是裂縫內(nèi)充有水或其它雜質(zhì)，裂縫基本處于閉合狀態(tài)；另一因素是縫內(nèi)有鋼筋穿過。這樣脈沖波經(jīng)縫內(nèi)雜質(zhì)或鋼筋耦合后直接穿過裂縫到達(dá)接收換能口，因此采用超聲波法測量具有這兩種情況的裂縫深度時其結(jié)果會有一定偏差。

3.2 超聲波法檢測結(jié)果

選取的典型裂縫的超聲波法深度檢測結(jié)果見表1。

表1 超聲波法檢測裂縫深度結(jié)果

從表1中看出，b0+011 ～ b0+021段中幾條剪扭裂縫采用超聲波法測試裂縫深度的結(jié)果都比較淺，最深的只有37 cm。根據(jù)表面波法檢測的結(jié)果以及這些剪扭裂縫產(chǎn)生的原因分析，判斷這些剪扭裂縫都應(yīng)該是貫穿整個廊道襯砌厚度的。造成檢測誤差較大的主要原因是超聲波測縫深只適用于比較規(guī)則的垂直向下發(fā)展的裂縫，而b0+011 ～ b0+021段中的剪扭裂縫則不同。

對于b1+066 ～ b1+076段中的幾條典型疑似溫度裂縫，采用超聲波法檢測縫深的結(jié)果普遍都比較小，最深不超過20 cm。但需要指出的是，實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明，超聲波法檢測裂縫的深度一般比實(shí)際情況要淺，這主要是由于超聲波采用P波檢測的原理造成的。

4 取芯法

左邊墻取芯法測廊道與填筑體之間是否脫空，芯樣騎縫穿過b0+016周邊長度最長、寬度最大的裂縫。芯樣顯示裂縫為斜縫，不是想象中垂直貫廊道立面，裂縫發(fā)展方向與立面傾角約45°，典型斜截面剪應(yīng)力最大造成的剪切破壞，見圖6。

圖6 量尺寸推斷裂縫傾角

5 結(jié) 論

內(nèi)蒙古某抽水蓄能電站廊道裂縫深度檢測，表面波法檢測b0+013～b0+016段3條發(fā)育最嚴(yán)重的剪扭裂縫時，由于表面波信號基本無法跨縫傳播，導(dǎo)致遠(yuǎn)端傳感器接收到的電壓幅值非常微弱。經(jīng)計(jì)算分析，判斷這3條嚴(yán)重的剪扭裂縫均已貫穿整個廊道襯砌厚度。采用超聲波法檢測b1+066～b1+076段中的幾條典型疑似溫度裂縫時，縫深的結(jié)果普遍都比較小，最深不超過20 cm。但由于超聲波法檢測縫深原理的限制，測試的縫深可能比實(shí)際的要淺。取芯檢測結(jié)果表明，b0+013～b0+016段的裂縫沿與襯砌表面大約呈45°向襯砌內(nèi)部發(fā)展，符合混凝土在受扭轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生剪切裂縫的特征。綜上所述，由于該廊道一端嵌固在開挖的基巖中，另一端澆筑在堆石填方上，整個澆筑段在填方側(cè)產(chǎn)生非常大的扭矩，導(dǎo)致該段廊道襯砌混凝土在基巖嵌固端出現(xiàn)比較嚴(yán)重的剪扭裂縫。