超聲波技術在水工建筑滲漏點探測中的應用

摘要：水工建筑滲漏的隱患對建筑物穩定性和安全性存在嚴重影響，對建筑物定期檢測，準確了解其滲漏狀況，有利于水工建筑的長久運營?；诖?，以土谷塘航電樞紐工程為研究對象，根據航電樞紐的實際情況，采用超聲波技術對發電廠房混凝土結構裂縫開展檢測工作。采用超聲波對測法監測不同裂縫寬度試件的灌漿修復效果，并對灌漿修復前后波形變化、灌漿修復過程中和灌漿修復后的波幅及波形特征值進行分析。研究表明，通過超聲波實時監測和聲波波幅變化，能夠獲得注漿深度的動態變化及漿液的分布情況。

關鍵詞：水工建筑；超聲波技術；滲透點；灌漿修復

基金號：湖南省交通科項目201917

0 引言

水工結構工程的滲漏不僅會導致結構的損壞，影響其使用壽命，還將引發土壤侵蝕、基礎沉降，污染周邊環境等問題[1]。結構性裂縫會削弱水工結構的整體強度和剛性，使其在荷載作用下承受能力下降，結構的密封性能降低，導致水工結構發生滲漏。

及早準確地發現并定位滲漏點，對于確保水工建筑物的安全和穩定運行至關重要。而防控工作的第一步是對水工結構進行定期的檢測和監測，及時發現裂縫和變形等異常情況，在裂縫發展至關鍵點時，采取支護措施，以防止結構性裂縫的形成[2-3]。

超聲波技術利用聲波在不同材料中的傳播特性，通過波的反射、折射、散射等現象來對材料的內部結構和缺陷進行檢測[4]。超聲波技術具有較高的探測靈敏度和分辨率，且不會對水工建筑造成二次破壞和高效快速[5-6]，不僅能夠準確快速地檢測出滲漏點和隱蔽缺陷，還能夠提供必要的數據支持，為滲漏點的修復和水工建筑的安全維護提供科學依據。

本文以土谷塘航電樞紐工程為研究對象，展開超聲波技術在水工建筑滲漏點探測中的應用研究，研究結果可為水工建筑滲漏的檢測與修復提供有益參考和借鑒。

1 工程概況

本項目的依托工程為土谷塘航電樞紐工程。土谷塘航電樞紐工程位于湖南省衡陽市境內。該工程以航運為主，結合航電，同時兼具交通、灌溉、供水與養殖等多種綜合利用功能。壩址位于湘江中游河段，位于衡南縣云集鎮濱合村。其距離近尾洲水電站壩址約50km，距離衡陽市城區約38km，距離大源渡樞紐壩址約100km。主要組成部分包括船閘、電站、泄水閘以及壩頂公路橋。工程的庫區正常蓄水位為58.0m，庫容達1.97億m3，電站裝機容量為90萬kW，設計通航船舶為1000t級。

湘江土谷塘航電樞紐工程在建設期，就十分重視航電樞紐后期的滲漏水的預防工作，在混凝土工程質量管理上采取了很多措施，但是土谷塘航電樞紐工程滲漏水問題仍然在一定程度上存在。本文根據土谷塘航電樞紐發電廠房的特點，制定其滲漏病害的檢測方案，為滲漏問題的檢測和處治提供基礎。

2 試驗方法

2.1 試件制作

本文采用設置有寬度為0.3mm、0.6mm、0.9mm裂縫的混凝土試件進行研究，并將其編號為S-0.3、S-0.6及S-0.9。試件長600mm、寬600mm、高1000mm，試件的拌合水為自來水，混凝土強度等級及配合比如表1所示。

在相同的灌漿壓力、灌漿時間、砂漿流量和裂縫寬度條件下，裂縫的傾角和混凝土界面的形狀會影響灌漿擴散半徑。傳統的預置插片法通常是通過在混凝土漿料中，預先插入一些特定材料或片段，然后澆筑成混凝土，以模擬裂縫。然而，這種方法產生的裂縫在形狀和表面特征上與真實裂縫相比往往有較大偏差，無法準確地反映實際工程中的裂縫情況。

2.2 新方案優勢及流程

為了解決上述問題，本文提出了一種能在混凝土中產生真實裂縫的方法和裝置。具體方法包括以下步驟：

首先，將試件放置在測試機的加載裝置下方，在試件的中央位置施加垂直向下的力，使試件斷裂。其次，在試件斷裂部位澆筑混凝土重新形成完整試件，采用外骨架裝置使新舊混凝土粘結面被撐開，通過調整螺桿的位移改變裂縫寬度。再次，在裂縫的界面處進行灌漿修復，將修補材料注入裂縫中，使其充分填充并與周圍混凝土牢固結合。最后在灌漿修復后，再次利用外骨架裝置撐開新舊混凝土的結合面，以檢驗灌漿修復效果。

2.3 超聲波對測法

在試件兩側與裂縫平行的平面上繪制5cm×5cm的網格作為檢測點，用于后續的超聲波測試。通過超聲波分析儀，非破壞性地對混凝土內部進行聲波傳播測試，采集聲波數據。由于灌漿過程較短，無法對全部測點進行同步測量。為了解決上述問題，在裂隙中心距離填筑表面20cm的位置處，對裂隙進行連續的聲波觀測，持續地獲取聲波傳播數據，并對其進行定點追蹤監測。

3 超聲波檢測實驗結果分析

3.1 灌漿修復效果

經過灌漿后72h，張開試件上的裂縫，對比灌漿修復效果。根據不同裂縫寬度下的漿液覆蓋情況，編號為S-03、S-06的混凝土試件漿液覆蓋區域的深度分別為24～52cm、40～52cm，而S-09試件則被完全覆蓋。這表明隨著裂縫寬度的增加，漿液在裂縫中的擴散半徑也隨之變大，覆蓋的范圍也相應增加。

分析認為，由于漿液在裂縫內部的擴散過程中，與混凝土充分接觸并發生了較好的粘結，使得覆蓋區域的混凝土得到有效修復。而裂縫兩側的混凝土由于沒有直接與漿液接觸，粘結效果相對較弱，顏色相對較淺。不同裂縫寬度下漿液深度的差異源于漿液在裂縫中的擴散半徑直接取決于裂縫的寬度。裂縫越寬，漿液在其中的自由擴散距離越大，漿液的摩擦阻力減小，因此覆蓋面積也隨之增加。相反，對于較窄的裂縫，漿液的擴散受到限制，覆蓋深度相應減小。

3.2 灌漿修復前后波形變化特征

在漿液覆蓋區和未覆蓋區各選取一測點，進行超聲波測試，并繪制了圖1和圖2展示波形變化。由圖1、圖2可知，在漿液覆蓋區域，首波聲時縮短了23.7%，波幅增加了83.6%，后續波形變得更加完整。這說明在漿液覆蓋的區域，裂縫被充分填充，漿液與混凝土形成較好的粘結，從而導致超聲波在傳播過程中受到的阻礙減少，聲波傳播路徑變得更加連續和穩定，波形得到了明顯的改善。注漿前后，未被漿液覆蓋的區域測量點的聲時和波幅均無明顯變化。

對比圖1和圖2發現，在注漿前位于漿液覆蓋區的測點首波聲時較大，波幅較小，整體波形多處變形。注漿前試件存在裂縫，導致聲波在傳播過程中遇到障礙，產生了斷層和反射現象，使得聲波的傳播路徑不連續，波幅減小，聲時增加，整體波形出現扭曲和變形。

注漿修復后，裂縫空腔被漿液填充，使得聲波的傳播路徑變得連續，波幅損失減少，聲時縮短，波形得到明顯改善。根據波形特征分析，有無漿料覆蓋的區域超聲波波形的變化存在顯著差異，超聲波形狀特征的變化可以有效判斷澆注后漿料的覆蓋情況。

3.3 灌漿修復過程波幅特征值

裂縫表面波幅變化分布如圖3所示。根據測得的超聲波波幅可知，注漿前試件中存在裂隙，使得超聲波在傳播過程中受到較大阻礙，導致整體波幅相對較小分布在30～50dB范圍內。隨著灌漿的進行，漿液充分填充了試件中的裂縫，超聲波在混凝土中的傳播路徑變得更為連續和穩定，不同試件的超聲波波幅表現出不同程度的上升趨勢。此外，由于各試件修復面積的不同，波幅的上升幅度也會有所差異

圖3a至圖3c中，由于超聲波檢測在試件邊緣處存在邊緣效應，為了保證分析的準確性，界面最外邊緣的數據被去除。從0～35dB波幅變化由從紫色到紅色的顏色變化表示。

從圖3a至圖3c還可以看出，在漿液覆蓋的區域，波幅上升幅度較大，最大增加量約為30.62dB，提升了約90%。漿液未覆蓋區域存在裂縫，導致聲波的傳播受到極大阻礙，因此波幅上升幅度較小，最大僅提升4dB。在超聲波圖像上，將波幅增加幅度為4dB的位置使用紅色線條標出，將其作為真實漿液填充輪廓線。結果表明，4dB波幅變化邊界線與實際漿液輪廓線高度吻合，從而驗證了通過波幅變化可以獲取混凝土內部漿液分布情況的可靠性。圖3c中由于裂縫被漿液完全覆蓋，因此整個裂縫面即為漿液輪廓。

3.3 灌漿修復后波形特征值分析

圖4顯示了固定測點S-03在注漿過程中，聲波波形隨注漿時間的變化。從圖4可以看出，在注漿開始4min內，整體波形沒有明顯變化，聲時和波幅有輕微起伏。灌漿6～10min，漿液覆蓋了固定測點S-03所在的區域，填充了裂縫，使得波形完整性大大提高，聲時明顯減少，波幅上升。

從注漿完成到固化72h后，波幅增大，聲時減小，波形變得更為完整。這是由于在混凝土固化過程中，漿液逐漸填充混凝土中的空隙，使得混凝土的密實性增加，密實的混凝土結構減少了聲波在傳播過程中的散射和衰減。上述結果表明，在注漿過程中通過實時超聲波監測，可以獲得注漿深度的動態變化過程。

4 結束語

本文對灌漿修復前后波形變化、灌漿修復過程中和灌漿修復后的波幅及波形特征值進行了研究，得出如下結論：有無漿料覆蓋的區域超聲波波形的變化存在顯著差異，超聲波形狀特征的變化可以有效判斷澆注后漿料的覆蓋情況。將波幅增幅為4dB的位置，作為分界線與真實漿液輪廓線高度吻合，通過波幅變化可以獲取混凝土內部漿液分布情況。通過超聲波實時監測可以獲得注漿深度的動態變化過程，漿液未覆蓋測點時，其整體波形沒有明顯變化，聲時和波幅數據略有波動，漿液覆蓋該測點后，波形完整性大大提高，聲時明顯減少，波幅上升。

參考文獻

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