基于彈性波法的輸水隧洞襯砌脫空檢測方法試驗研究

呂守航

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春130012)

1 概述

隧洞襯砌經(jīng)常遇到脫空及襯砌后回填不密實等情況，致使隧洞存在安全隱患[1，2]。彈性波法，作為探測脫空的新方法，具有檢測快速，數(shù)據(jù)處理簡單等優(yōu)點。檢測時通過敲擊震源產(chǎn)生彈性波，利用檢波器接收彈性波，彈性波在途徑脫空區(qū)域時會發(fā)生繞射、反射，繞射波和反射波疊加和振幅增大的現(xiàn)象[3]，通過對波形記錄進(jìn)行處理和解釋，分析波的變化就可以判斷脫空區(qū)的位置。

2 構(gòu)建模型

2.1 彈性波場數(shù)值模擬原理

彈性波場正演方法主要有射線法和波動方程法[4]，射線法可以準(zhǔn)確的計算彈性波的傳播路徑和旅行時間等運(yùn)動學(xué)特征，波動方程模擬法主要考慮彈性波動力學(xué)特征，能夠更真實地模擬地層的彈性波場特征[5]。本次數(shù)值模擬研究采用基于有限差分法的二維全波場數(shù)值方法進(jìn)行模擬。

2.2 彈性波場數(shù)值模擬分析

為研究彈性波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，進(jìn)行彈性波場的數(shù)值模擬分析，彈性波震源為雷克子波，主頻為100HZ, 波速為2500m/s，波場數(shù)值模擬結(jié)果如圖1 所示：

圖1 含有異常體的波場快照圖

分析可知，在有脫空的部位，彈性波在傳播過程中，在脫空界面產(chǎn)生反射、繞射、疊加的現(xiàn)象。

2.3 數(shù)值模型的構(gòu)建

為研究檢測過程中有脫空所體現(xiàn)的檢測結(jié)果，構(gòu)建數(shù)值模型進(jìn)行模擬，本次數(shù)值模擬模型長20m,深度2m。模型分2 層，第一層模擬襯砌，第二層模擬巖石，低速異常體模擬脫空，異常體長0.5m,高0.2m。模擬過程采用波動方程有限差分法進(jìn)行數(shù)值模擬，采樣率為0.1 ms，采樣時間為0.2s。震源采用雷克子波，子波主頻為100Hz。對模擬結(jié)果進(jìn)行處理，并分別對有脫空和無脫空處的單道波形記錄進(jìn)行時頻分析，波形記錄如圖2 所示，時頻分析如圖3 所示：

圖2 襯砌脫空的正演模擬波形記錄

通過異常體正演模擬波形記錄可知，在具有異常體的位置波形發(fā)生繞射、反射、繞射波和反射波疊加和振幅增大的現(xiàn)象。彈性波的震蕩周期延長，且出現(xiàn)高頻成分。

通過時頻分析圖可知，在無脫空的介質(zhì)中，彈性波高頻持續(xù)時間較短，頻率相對較低。當(dāng)脫空存在時，出現(xiàn)長時間的高頻震蕩現(xiàn)象，主頻振幅增大，瞬時能量較強(qiáng)。波場是多種頻率彈性波疊加狀態(tài)，波場較復(fù)雜。根據(jù)這種現(xiàn)象可知，在實際襯砌檢測過程中，可以通過分析彈性波的波形記錄和單道波形時頻分析中頻率變化判定襯砌是否有脫空。

3 襯砌脫空物理模型檢測

為驗證此依據(jù)的可靠性，建立襯砌脫空物理模型。模型分2層，采用不同強(qiáng)度的混凝土分別模仿襯砌和巖石。在兩層模型層面位置預(yù)留脫空區(qū)域模擬脫空。檢測以手錘為震源，采樣率為0.1ms，采樣時間為0.1s，道間距為0.1m，共采集23 道。波形記錄如圖4 所示，時頻分析如圖5 所示。

在異常體物理模型波形記錄中，在有脫空區(qū)的位置，波形比正常位置多出兩條同相軸，波形發(fā)生繞射、反射、繞射波和反射波疊加和振幅增大的現(xiàn)象，這一檢測結(jié)果與數(shù)值模型中模擬結(jié)果相符合，對單道波形記錄進(jìn)行時頻分析，當(dāng)脫空區(qū)域，單道波形出現(xiàn)持續(xù)的高頻震蕩，主頻振幅增加，瞬間能量提高，說明此時波場是多種頻率彈性波疊加狀態(tài)，波場較復(fù)雜，因此，在實際襯砌檢測過程中，可以依據(jù)彈性波波形記錄和時頻分析中頻率變化判定襯砌是否存在脫空現(xiàn)象。

圖5 波形記錄時頻分析圖

4 結(jié)論

4.1 通過對彈性波場的數(shù)值模擬分析可知，彈性波在傳播過程中，在低速異常體界面產(chǎn)生反射、繞射、疊加的現(xiàn)象。

4.2 通過數(shù)值模型研究可知，在脫空區(qū)域，波形記錄中波形發(fā)生反射、繞射、疊加現(xiàn)象，單道記錄時頻分析出現(xiàn)高頻震蕩現(xiàn)象，主頻振幅增大，瞬時能量較強(qiáng)。

4.3 通過數(shù)值模擬與物理模型實際檢測對比分析可知，彈性波法通過波形記錄和單道記錄時頻分析能夠快速有效的識別襯砌脫空。