基于SASW的水工混凝土質量檢測技術研究

傅魁利

(德州市李家岸灌區運行維護中心，山東 德州 251500)

0 引 言

混凝土是水利工程建設中最常用的材料，水工混凝土的施工質量對于結構的運行功能具有重要影響。但是受各種因素影響，水工混凝土的施工質量往往參差不齊，結構是否滿足設計要求成為參建各方關注的焦點，各方都迫切需要一種快速、精準的檢測手段來評價混凝土的強度和施工質量[1-3]。

取芯試驗最能反映混凝土的施工質量，但是取芯僅能代表被檢測點部位的質量，同時取芯還受到各方面的限制，不僅花費大量的人力物力，而且還可能對結構造成不可恢復的損傷，因此取芯試驗逐漸被無損檢測所取代。其中回彈法檢測是目前比較常用的水工混凝土質量檢測手段，通過混凝土表面硬度來推測混凝土的抗壓強度，但該方法只適用于均質混凝土的質量檢測，且測強齡期一般為4～1 000 d，而水工混凝土的服役年限一般都在幾十年甚至上百年，因此該方法并不能適用于混凝土質量的長期檢測。另外，超聲波法也是目前水利工程中的一種無損檢測技術，但是相關研究表明，超聲波波速與混凝土強度之間相關性并不高，因而限制了其在水工混凝土質量檢測中的應用[4-7]。

針對現有檢測技術存在的缺陷，本文基于表面波頻譜法，對引水隧洞襯砌混凝土質量進行檢測，探討該方法在水工混凝土質量檢測中的可行性和合理性，以期能為實現水工混凝土的快速準確檢測提供方法借鑒。

1 SASW法工作原理

1.1 沖擊彈性波

在無損檢測工作中，最常用的為沖擊彈性波、電磁波、超聲波或者放射線等幾類，其中電磁波和沖擊波的激振能量更大，具有傳播距離遠、傳播范圍廣、現場操作簡便、檢測結果易于進行頻譜分析等特點，在工程材料損傷檢測中應用比較實用[8]。沖擊彈性波根據傳播方向與粒子振動方向之間的相互關系，可將其劃分為P波(縱波、疏密波)、S波(橫波、剪切波)、R波(瑞利波)、L波(板波)以及其他波。在多種彈性波中，P波的傳播速度最快，主要依存于彈性模量E；S波和R波分別僅為P波波速的60%和55%，主要依存于剪切模量G；L波的波速隨頻率變化范圍較大，主要依存于彈性模量E和G。各類沖擊彈性波特點對比見表1。

表1 不同種類沖擊彈性波特點對比

1.2 基本原理

表面波頻譜分析法(SASW法)最先由Nazarian和Stoke于20世紀80年代末提出，SASW法屬于地震波檢測法[7]，其原理是利用兩道傳感器接收到的沖擊錘激振產生的彈性波(R波)信號，對頻率進行分析，再通過頻率信號的相位差循環來獲得檢測對象的R波頻散曲線，從而通過頻散曲線特征來對檢測對象的現有狀態進行質量評估。SASW法最先應用于巖土工程或者路面的剪切波性能檢測，經過多年發展，目前在混凝土質量檢測中也逐漸普及開來。

SASW法的基本操作步驟為：①采集檢測數據；②建立兩道傳感器R波數字信號的互相關函數；③利用頻率域快速傅里葉變換，得到兩道信號的互功率譜；④將兩道互功率譜相位沿頻率軸展開，得到兩道信號的互相關函數相位譜；⑤利用相位譜計算得到不同頻率下的相位差；⑥通過相位差和兩道信號的傳播時差，計算得到波速和波長，從而繪制出最終的頻散曲線。SASW法原理見圖1。

圖1 SASW法工作原理示意

1.3 適用性

SASW法屬于兩道信號互相關的一維頻率域的表面波檢測方法，適用于相對均質、分層特性不明顯的混凝土結構的質量檢測。在檢測過程中，兩道傳感器間距宜選擇被檢測對象厚度的1～1.5倍，在此間距下最有利于層間結合狀態的判斷；接觸時間越短，檢測得到的相位譜循環越好。因此，當檢測對象的厚度較小時，宜首選小錘對檢測對象進行快速敲擊，從而獲得良好的相位譜循環。

2 案例應用

2.1 工程概況

某引水隧洞二標段總長3.75 km，設計引水流量為20 m3/s，隧洞主要以Ⅲ～Ⅴ類圍巖為主，隧洞襯砌設計均采用C25鋼筋混凝土，其中Ⅲ類圍巖的襯砌厚度為30 cm，Ⅳ類圍巖的襯砌厚度為35 cm，Ⅴ類圍巖的襯砌厚度為40 cm。通過初期地質雷達檢測發現，隧洞襯砌質量存在如下問題：頂拱附近脫空、鋼筋間距不符合設計規范、部分位置配筋缺失、部分洞段混凝土強度不達標。為了了解目前隧洞襯砌的質量現狀，對隧洞當前安全狀況進行精確評估，及時采取合理有效的補救加固措施，利用SASW法對隧道襯砌混凝土展開質量檢測試驗。

2.2 檢測點布置

隨機選取6個檢測斷面，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖各兩個，每個檢測斷面共檢測5個檢測點，分別位于頂拱中央、頂拱左右兩側以及左右兩側墻各一個，見圖2。在檢測過程中，兩道傳感器的間距為40～60 cm，具體視現場情況而定。

圖2 檢測點布設示意

2.3 現場取芯

在利用SASW法對襯砌混凝土質量進行檢測之前，需要建立R波速度與混凝土強度之間的相關關系。具體過程為：隨機對襯砌混凝土進行鉆孔取芯，取芯長度185～270 cm，利用沖擊回波法測試混凝土試件的一維P波速度(Vp1=2×L×f，其中L為試件長度，m；f為卓越頻率，Hz)，通過一維P波速度可換算成三維P波速度(Vp1=Vp3×0.949)，然后再由三維P波速度推導得到R波波速(Vp3=1.79×VR)，測完波速后，將試件加工，對其進行抗壓強度試驗，最終得到R波波速與襯砌混凝土強度之間的關系曲線。

試驗得到的混凝土強度隨R波波速的變化曲線見圖3。從圖3中可以看到，隨著R波波速的增大，襯砌混凝土的強度呈逐漸遞增的相關內容關系，且R波波速與單軸抗壓強度之間呈較好的指數型函數關系。因此通過現場取芯試驗，可得：

圖3 R波波速VR與強度S的關系曲線

S=1.179×e0.001 7VR

(1)

式中：S為混凝土強度，MPa，VR為R波波速，m/s。

通過式(1)可以得出，當SASW法所測的R波波速大于1 800 m/s后，襯砌混凝土強度就能達到C25的強度要求，因此將1 800 m/s確定為SASW法在該隧洞襯砌混凝土中評定質量是否合格的閾值。另外，頻散曲線也是判別混凝土質量的一個重要指標。頻散曲線如果變化連續、平緩，說明混凝土與基巖結合良好，無脫空現象；如果出現明顯間斷，就說明混凝土存在脫空現象，同時通過頻散曲線還可初步判斷混凝土襯砌厚度。

2.4 SASW法檢測結果

對6個檢測斷面30個檢測點的R波波速進行統計，結果見表2。從表2中可知，對于襯砌混凝土強度，VR值均高于1 800 m/s，均滿足設計強度C25的要求；襯砌混凝土與圍巖結合方面，Ⅲ類-1左邊墻，Ⅳ類-1頂拱、頂拱右，Ⅳ類-2頂拱、頂拱右，以及Ⅴ類-1頂拱、頂拱左、頂拱右，Ⅴ類-2頂拱、頂拱左、頂拱右、右邊墻存在與基巖脫空現象，這說明該洞段特別是頂拱處襯砌混凝土與圍巖脫空現象普遍存在，這與地質雷達檢測結果基本相符，因而需要在后期采取注漿加固措施；襯砌厚度方面，Ⅲ類、Ⅳ類圍巖的襯砌混凝土厚度基本滿足設計要求，但Ⅴ類圍巖襯砌厚度有4處低于40 cm，表明在本洞段，Ⅴ類圍巖的襯砌混凝土是質量問題出現最為集中的位置，在之后的加固處理中應重點對這些區域進行整治。

表2 SASW法檢測質量評定結果

3 討 論

從上文分析可知，雖然SASW法檢測速度比不上地質雷達，但檢測過程中也不會遇到地質雷達檢測中電磁波受鋼筋“趨膚效應”影響所導致的測量誤差，因此SASW法能夠實現對水工混凝土質量的精準檢測。另外，SASW法不僅可以實現混凝土強度的檢測，而且還能同時實現襯砌與圍巖接觸情況的判斷，這是地質雷達檢測法所無法比擬的。因此，將SASW法應用到水工建筑物的質量檢測中更加科學合理[8]。

4 結 語

本文對SASW法的檢測原理進行了詳細分析，并將其應用到水工襯砌混凝土的質量檢測中，結論如下：

1) SASW法適用于相對均質、分層特性不明顯的混凝土結構的質量檢測，兩道傳感器的距離宜為監測混凝土厚度的1～1.5倍，當混凝土厚度較小時，宜采用小錘對檢測對象進行快速敲擊以獲得最佳的相位譜循環。

2) 將SASW法應用到新疆某引水隧洞襯砌混凝土的質量檢測中，檢測結果表明，該洞段襯砌混凝土強度基本滿足設計要求，但脫空現象普遍存在，Ⅴ類圍巖的襯砌厚度多處不滿足設計要求厚度。

3) SASW法檢測精度高，檢測速度稍比地質雷達慢，但可同時實現強度、襯砌與圍巖接觸情況的檢測。