基于無損檢測(cè)法的混凝土面板堆石壩健康檢測(cè)

歐陽(yáng)晉平

(婺源縣水利水電建筑工程有限公司,江西 上饒 333200)

1 概 述

混凝土的破壞和開裂將造成嚴(yán)重的損害,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢查和評(píng)估尤為重要[1]。與其他類型的大壩相比,混凝土面板堆石壩施工相對(duì)容易、管理經(jīng)濟(jì)、受天氣和地震影響較小[2]。混凝土面板可用作防滲結(jié)構(gòu),在混凝土面板后面空腔中發(fā)生的損壞,可能導(dǎo)致壩體變形和倒塌;在混凝土板下方出現(xiàn)空腔,則可能由于液壓或靜載荷而產(chǎn)生裂縫[3-4]。

混凝土面板的脆弱性對(duì)混凝土面板堆石壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,應(yīng)用于混凝土面板堆石壩的混凝土面板的核心功能是具有機(jī)械性能,以防止外力引起的開裂或瞬間產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力[5]。無損檢測(cè)方法和計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù),是廣泛使用于混凝土面板安全檢查和評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)狀況的重要方法[6]。通過無損檢測(cè)方法,可以一定程度上避免由混凝土面板引起的穩(wěn)定性問題。

利用脈沖響應(yīng)法和電阻率層析成像法進(jìn)行混凝土面板堆石壩的安全檢查和質(zhì)量控制。脈沖響應(yīng)法廣泛用于混凝土面板下方的空腔檢查,并用于基于動(dòng)態(tài)剛度和平均遷移率研究混凝土面板的條件。本文開發(fā)使用無損電極的電阻率層析成像法,以降低混凝土的接觸電阻,防止破壞研究對(duì)象,并通過二維(2D)電阻率截面來研究混凝土面板的條件。因此,通過對(duì)兩種方法之間相關(guān)性的分析,對(duì)混凝土面板的無損檢測(cè)進(jìn)行研究。

2 材料與方法

2.1 研究對(duì)象

本文所研究的混凝土面板堆石壩高度125m,波峰長(zhǎng)度601m,最大水庫(kù)容量26.3×108m3,上游坡度與下游坡度之比1∶1.5。大壩的第1步在1989年完成,第2步在2006年完成。頂部混凝土面板厚度0.3m,鋼加強(qiáng)件的設(shè)計(jì)采用0.4%～0.5%的鋼比,并以200～300mm間隔布置,以有效應(yīng)對(duì)裂紋。

研究對(duì)象的IR和ERT測(cè)量線示意圖見圖1。混凝土面板均位于中心,上游寬度15m。IR調(diào)查在步驟1和步驟2中進(jìn)行,ERT調(diào)查在步驟2中的CF-13和CF-19中進(jìn)行。通過IR調(diào)查,在步驟2中獲得21個(gè)站點(diǎn),長(zhǎng)度79m;在步驟1中獲得23個(gè)站點(diǎn),長(zhǎng)度80m。ERT調(diào)查采用32條通道電纜,在考慮混凝土面板厚度和鋼筋厚度的情況下,電極間距和線路長(zhǎng)度分別設(shè)置為1和31m。

圖1 脈沖響應(yīng)法(IR)與電阻率層析成像法(ERT)示意圖

2.2 無損檢測(cè)方法的應(yīng)用

IR是一種通過基于彈性波對(duì)混凝土表面施加機(jī)械沖擊來檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的方法,其示意圖見圖2。在IR測(cè)量期間,通過無線保真(wi-fi)模式,實(shí)現(xiàn)DAQ和筆記本電腦之間的通信,并以無線方式保存數(shù)據(jù)。IR方法從附著在沖擊錘上的稱重傳感器中測(cè)得的沖擊力,以及使用地震檢波器測(cè)量的彎曲運(yùn)動(dòng)速度,獲得傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)定義為速度譜與力譜之比,稱為遷移率。在0～800Hz頻率范圍內(nèi)的遷移率還包括基于具體研究對(duì)象的條件和完整性的參數(shù)信息。動(dòng)態(tài)剛度定義為在小于80Hz的頻率下斜率的倒數(shù),其中遷移率在遷移率-頻率圖中線性增加。動(dòng)態(tài)剛度表示測(cè)量點(diǎn)周圍的靈活性,并取決于研究對(duì)象的質(zhì)量、板的厚度和板的支撐狀態(tài)。平均遷移率定義為100～800Hz頻率范圍內(nèi)遷移率的算術(shù)平均值。由施加的沖擊源引起的彈性波因板的固有剛度而衰減。在100～800Hz范圍內(nèi)的平均遷移率與板的密度和厚度直接相關(guān)。當(dāng)板的厚度變薄或試樣的兩層之間的距離減小時(shí),平均遷移率增加。

圖2 脈沖響應(yīng)法(IR)測(cè)試示意圖

ERT調(diào)查通常應(yīng)用于地下勘探,是一種地球物理勘探技術(shù),用于通過測(cè)量由電流電極流過的電流引起的電極之間的電位差,來調(diào)查地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地面狀況。本研究使用偶極-偶極陣列的ERT方法,來獲得電阻率分布的2D截面。使用無損電極是因?yàn)镋RT調(diào)查中使用的不銹鋼電極可能會(huì)導(dǎo)致研究對(duì)象的破壞。圖3為使用偶極-偶極陣列的ERT調(diào)查示意圖。

圖3 典型電阻率層析成像法(ERT)勘測(cè)的偶極-偶極陣列

電勢(shì)差(ΔV)通過在ERT調(diào)查期間流動(dòng)電流(I)來測(cè)量,表征如下:

(1)

k=πn(n+1)(n+2)a

(2)

式中:ρa(bǔ)為地下介質(zhì)的視電阻率;k為幾何因子;a為電極間距;n為電極分離指數(shù)。

為審查ERT混凝土勘測(cè)的適用性而構(gòu)建的混凝土模型見圖4。該模型尺寸為2.4×6.0×1.0m3。鋼筋以0.2m的間隔布置在混凝土左側(cè)中心,具有直徑25mm的網(wǎng)孔。空腔位于混凝土底部中心,尺寸為2.4×2.0×0.3m3。沙子、礫石和黏土用于支撐空腔左側(cè)和右側(cè)的混凝土,同時(shí)減少由于固結(jié)而導(dǎo)致的空腔高度變化。

圖4 無損電極進(jìn)行ERT勘測(cè)的混凝土模型示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 脈沖響應(yīng)結(jié)果

由于每個(gè)步驟的施工時(shí)間和混凝土厚度不同,因此無法絕對(duì)評(píng)估動(dòng)態(tài)剛度和平均遷移率。隨著板厚度的減小,IR方法的參數(shù)顯示出平均遷移率的差異。此外,動(dòng)態(tài)剛度隨著反射層厚度的減小而減小。圖5為每個(gè)步驟的動(dòng)態(tài)剛度和平均遷移率圖。

圖5 步驟1、步驟2中CF-9、CF-13、CF-19和CF-23處混凝土面板的動(dòng)態(tài)剛度和平均遷移率

動(dòng)態(tài)剛度與平均遷移率之間呈反比關(guān)系,總體動(dòng)態(tài)剛度從上到下(IR點(diǎn)1-19)下降,然后在底部(IR點(diǎn)20和21)趨于急劇增加。特別是在IR點(diǎn)12-19處,整個(gè)混凝土面板顯示出相對(duì)較低的動(dòng)態(tài)剛度和高平均遷移率(紅色虛線框)。在該框所示的整個(gè)混凝土面板中,預(yù)計(jì)CF-23將是最脆弱的。在步驟1和步驟2中,混凝土面板顯示出在動(dòng)態(tài)剛度和平均遷移率方面保持相對(duì)恒定的趨勢(shì)。與其他點(diǎn)相比,IR點(diǎn)4、22和23顯示出較低的動(dòng)態(tài)剛度和較差的混凝土質(zhì)量。特別地,CF-23的IR點(diǎn)4傾向于具有低動(dòng)態(tài)剛度和高平均遷移率,這些點(diǎn)在支撐混凝土面板和預(yù)測(cè)潛在空腔方面相對(duì)較弱。

3.2 電阻率層析成像結(jié)果

圖6為使用GPR的CF-13和CF-19的ERT勘測(cè)結(jié)果以及空腔估計(jì)區(qū)。總體ERT結(jié)果顯示,深達(dá)2m的電阻率范圍較低,其原因是鋼筋的影響較大。考慮到鋼筋的影響,位于空腔估計(jì)區(qū)域中的CF-13在深度2m內(nèi)具有非均勻的高電阻效應(yīng),見圖6(a)。此外,通過GPR證實(shí),高阻區(qū)與空腔估計(jì)區(qū)重合。然而,沒有空腔估計(jì)區(qū)的CF-19在水平方向上表現(xiàn)出均勻的低電阻率效應(yīng),直至深度約2m,見圖6(b)。因此,根據(jù)ERT勘測(cè),在深度2m內(nèi)的高電阻率影響可以解釋為可能存在空腔。

圖6 步驟1中CF-13、CF-19的電阻率層析成像(ERT)勘測(cè)結(jié)果

3.3 脈沖響應(yīng)與電阻率層析成像結(jié)果的相關(guān)性

基于2D截面的電阻率分布、動(dòng)態(tài)剛度和平均遷移率,分析IR和ERT結(jié)果之間的相關(guān)性。圖7為CF-13和CF-19的IR和ERT調(diào)查結(jié)果。在圖7(a)中,基于GPR的空腔估計(jì)區(qū)域位于IR點(diǎn)1-3和6-12處。然而,當(dāng)包括空腔估計(jì)區(qū)域的IR和ERT結(jié)果時(shí),IR點(diǎn)為6-12。由于對(duì)IR點(diǎn)6-12進(jìn)行了ERT測(cè)量,因此有可能在深度2m內(nèi)識(shí)別出具有高電阻率效應(yīng)的異常區(qū)。在圖7(b)中,沒有出現(xiàn)空腔估計(jì)區(qū),并且顯示了相對(duì)穩(wěn)定的參數(shù)。為了比較IR和ERT結(jié)果,對(duì)IR點(diǎn)4-14進(jìn)行分析。根據(jù)ERT調(diào)查結(jié)果所示,在深度2m內(nèi)的低電阻率效應(yīng)趨于均勻。但在某些點(diǎn)上,動(dòng)態(tài)剛度較低(IR點(diǎn)9),平均遷移率較高(IR點(diǎn)6),但混凝土質(zhì)量不差。因此,與CF-13相比,可以從IR和ERT調(diào)查的結(jié)果中確認(rèn)CF-19是高質(zhì)量混凝土的位置。

圖7 步驟1中CF-13、CF-19的測(cè)量結(jié)果

圖8為在步驟1中CF-13具有最低動(dòng)態(tài)剛度時(shí)的IR點(diǎn)4的一致性分析。結(jié)果顯示,相干因子顯示出高可靠性,最大值0.99,平均值0.96以上。然而,當(dāng)頻率高于300Hz時(shí),相干因子降低至約0.2,可靠性降低。由圖8可知,動(dòng)態(tài)剛度非常低,但平均遷移率沒有顯示出這樣的異常。因此,預(yù)計(jì)平均遷移率實(shí)際上會(huì)更高,預(yù)計(jì)混凝土質(zhì)量較差。

圖8 步驟1中CF-13的脈沖響應(yīng)(IR)點(diǎn)4的一致性分析結(jié)果

4 結(jié) 論

1)與傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法不同,ERT調(diào)查可以通過可視化目標(biāo)對(duì)象的電阻率分布來評(píng)估預(yù)期有空腔的區(qū)域,還可以結(jié)合IR調(diào)查來分析混凝土的脆弱性,且不會(huì)破壞研究對(duì)象。

2)ERT測(cè)量?jī)H應(yīng)用于步驟1,結(jié)果表明在深度2m內(nèi)存在高電阻率效應(yīng)的異常。預(yù)計(jì)該效應(yīng)來自混凝土面板和下層之間的空腔,且僅在CF-13中得到證實(shí)。此外,它與通過GPR確定的空腔估計(jì)區(qū)重合。因此,ERT調(diào)查被認(rèn)為適合調(diào)查空腔的存在。

3)根據(jù)IR和ERT調(diào)查的結(jié)果顯示,由于動(dòng)態(tài)剛度低且高電阻率區(qū)域的平均遷移率高,因此兩種調(diào)查類型之間的空腔估計(jì)區(qū)域之間存在高度相關(guān)性。因此,可以預(yù)期在IR和ERT方法中,可以研究混凝土面板的開裂和破壞以及下支撐層的損失。

4)在混凝土面板上應(yīng)用無損檢測(cè)方法,可以為調(diào)查混凝土的狀態(tài)和存在的任何空腔提供有用的信息,并且預(yù)期無損檢測(cè)方法可以用作各種類型混凝土結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和穩(wěn)定性評(píng)估方法。