沖擊映像法在混凝土箱涵無損檢測中的應用

陳炫地

(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036)

1 引言

混凝土箱涵具有結構安全、施工簡便等優勢，但受制于多種因素影響，在使用一定時間后，大多數箱涵均會產生一定的滲漏現象[1]。城市內的箱涵是保證城市排水的重要設施，對城市污水收集、傳輸、治理起著重要作用，城市的平穩運行離不開各種箱涵作用的發揮[2-3]。隨著城鎮化建設的不斷加快，城市箱涵數量也呈現指數增長，但同時，早期修建的箱涵也仍在發揮作用，根據數據統計，我國目前正在運行的箱涵大多修建在10年～30年前，基本已經達到設計使用壽命的中期甚至是后期，城市箱涵在長期的污水沖刷、道路荷載影響下，部分結構、功能已經收到影響，箱涵出現不同程度的滲漏、變形等現象，部分受影響較大的箱涵已經產生結構性破壞，嚴重影響到城市排水工作，對居民生活造成不利影響[4-5]。因此，全面分析箱涵情況，為箱涵養護、管理工作提供依據是十分重要的[6-7]。

2 沖擊映像法檢測方法及原理

2.1 基本原理

在結構表面敲擊時，會在結構內部形成彈性波。沖擊映像法無損檢測主要基于彈性波場理論。彈性波在介質內部的傳輸的過程中，遇到介質界面時會由于波阻抗差異而產生強反射、透射和轉換現象。從而出現能量衰減、波形和頻譜改變等現象。現場采集數據后，利用不同的方法處理反射波，從而分析結構內部的情況。采用該方法，主要是利用結構內部存在缺陷會形成不同的反射波，經過多次反射，可在介質表現接收到的反射波波形可采用下式表示：

A(t)∑[w(t)×r(t-nT0)]

(1)

r(t)=(R,-R2,R3,-R4,…)

(2)

式中：r(t)為反射系數序列；R為內部缺陷反射系數；T0為彈性波在兩界面的雙程反射時間。

從式(1)、式(2)中可以得知，結構表面接收到的反射波是反射系數、子波褶積相疊加的最終波形。因此，可以從以下兩個方面分析、推測結構內部的缺陷情況。若已經得知震源子波，則可以利用反褶積運算獲取反射系數序列，從而通過定量方法計算、分析反射界面兩側介質波阻抗差，同時，也可獲取結構內部缺陷的深度。然而，在實際工程應用中，獲取震源子波的難度較大，該方法在實際工作使用的適宜性較差。因此，通常采用下列方法推測結構內部缺陷。首先假設震源子波沿測線是一致的，根據反射系數的變化推測結構內部的變化，從而推測結構內部缺陷，該方法計算簡單、結果較準確，在工程中的實施性較強，是一種常用方法。

2.2 檢測方法

采用沖擊映像法無損檢測數據采集方法見圖1。沿著測點間隔X距離均勻布置檢波器，在檢測結構表面逐點激發彈性波，并在偏移距離為D的位置設置傳感器，以接收信號。將各點的檢測波羅列，即可通過接收的波形初步分析結構物內部的變化，見圖2。從圖中可知，待檢測結構內部存在缺陷時，強反射界面接收的波形則存在明顯的異常。通過分析平均振幅和卓越頻率等彈性波特征參數，即可推測結構內部的缺陷情況。

圖1 沖擊映像法基本原理

圖2 各檢測點檢測波形

在道路缺陷無損檢測領域，路基結構層厚度一般小于1 m，而彈性波的傳播速度卻高達5 km/s，其傳播時間非常短。同時，激振時產生的面波、縱波直達波、縱波反射波、橫波-縱波轉換波等各種波相互疊加，無法通過直觀判斷將其區別開來。因此，需采用更高精度的數據處理與分析方法，對沖擊映像法的采集數據進行高精度處理與分析，以精確定位、判斷路基結構內部缺陷狀態。

考慮到折射波的形成條件和傳播特征，觀測折射波時需要避開波場盲區，同時，盡量將接收部分置于待檢測結構折射波范圍內。在水平結構滿足折射要求的情況下，選取一個固定的激發點，沿著測線由遠及近進行觀測，則可獲取建筑物各層的彈性波信號。根據彈性波特征，可推測各層介質的動力學參數。數據采集方法見圖3。

圖3 數據采集方法

3 實例應用

3.1 工程概況

深圳某污水箱涵，頂板、邊墻厚度為50 cm，中墻厚度為45 cm，采用C30混凝土澆筑。由于工程建設時間較早，在污水的沖刷、腐蝕作用下，箱涵出現不同程度的破損，尤其是伸縮縫處損毀最為嚴重。各箱涵節之間出現了不均勻沉降現象，伸縮縫可能已產生破壞，將對污水箱涵的排污能力造成一定影響。由于箱涵頂板厚度均勻采用沖擊映像法檢測較為合理。

3.2 檢測方案布置

3.2.1 平面方案布置

根據道路現場條件，沖擊映像法布置于兩管道中心上方，見圖4。沖擊映像法信號激發與采集：設定采樣間隔為0.125 ms，記錄時長1.0 s，采樣個數8192個，采用18磅鐵錘敲擊，震源偏移距分別為1 m、2 m、3 m、4 m，完成1次激發后，整體移動采集系統，移動步長為1 m，重復激發至完成整條測線數據采集。

圖4 檢測方案布置

3.2.2 數據處理

數據處理的目的是對檢測數據進行編輯、濾波和數學變換等，去除或壓制噪音，并把有用信息按特定的表現形式表現出來，主要包括數據預處理、數據歸一化、波形處理、波場分離以及生成響應強度分布圖等，見圖5。數據歸一化：將沖擊錘上傳感器記錄的沖擊加速度數據，對數據進行歸一化處理，以去除敲擊力度不一致的影響，確保激發強度相同。波形處理：包括非正常數據處理、時窗切除和濾波。首先，對存在異道號的數據，則將數據異常部分切除，并用相鄰數據進行內插。其次，對干擾信號與檢測信號的時間段不一致的數據，設計合適的時間窗口，切除時間窗口以外的數據。最后，設計各種頻率濾波器(低通、高通、帶阻等)，在頻率域對噪音數據進行壓制。

數據處理工作流程如下：初至時間拾取→時距曲線繪制→地震解釋→高程輸入→折射界面繪制→地質解釋→剖面輸出初至時間拾取時，注意折射波的識別和對比。

折射波的識別、對比需要按照以下原則進行。(1)波形、振幅、振動延續度相似特征對比；(2)相位一致性、同相軸延續長度特征對比；(3)追逐炮記錄同相軸的平行性特征。

圖5 沖擊響應分布強度

3.3 檢測結果分析

在箱涵頂板共設置16個檢測區，現場檢測數據處理完成后，結果表明：在伸縮縫(止水帶)外側布置的測線處，輸入波速為VP，Plate=3800 m/s的沖擊波，同時在距離伸縮縫(止水帶)距離為0.5 m、0.75 m各布置一條掃描測線，檢測厚度均小于50 cm(箱涵實際厚度)，表明彈性波在箱涵混凝土中的傳播速度大于3800 m/s，這表明混凝土結構較為完整，混凝土結構完整性較好，不存在明顯缺陷問題。根據距離伸縮縫(止水帶)0.25 m處的側線與其他測線相比，具有明顯的不規則現象，表明該處混凝土質量有所下降，需采取治理措施。

4 結語

沖擊映像法是一種極為常用的無損檢測方法，詳細分析了其檢測原理和數據采集、處理方法，并結合深圳某污水箱涵無損檢測工程對該方法在工程中的實際應用進行分析。使用該方法可較好地識別混凝土結構的明顯缺陷，檢測速度快、結果準確，且無需對原有結構進行破壞，可在工程中加以應用。