余信江，張宏杰，劉 源，鄧 楊，黎建洲

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北 武漢 430010；2.水利部 水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010；3.水利部 國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010；4.水利部 小浪底水利樞紐管理中心，河南 鄭州 450000)

1 引 言

沖擊回波法是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的一種針對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷、混凝土早期強(qiáng)度測(cè)試、厚度測(cè)試的非常有效的檢測(cè)手段，沖擊彈性波用錘或其他激振裝置沖擊產(chǎn)生，能夠直接反映材料的力學(xué)特性，具有激振能量大、操作簡(jiǎn)單、便于頻譜分析等特點(diǎn)，特別對(duì)于混凝土內(nèi)部存在密集、復(fù)雜的鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由于沖擊回波法相比其他方法具有頻率更低、波長(zhǎng)更長(zhǎng)的特點(diǎn)，幾乎可以避免鋼筋網(wǎng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的不利影響，是一種非常合適無(wú)損檢測(cè)的方法，目前國(guó)內(nèi)外很多專家對(duì)沖擊回波法應(yīng)用于混凝土進(jìn)行了多方面研究。傅翔(2006)[1]、全朝紅等(2010)[2]、范泯進(jìn)等(2013)[3]、(2018)宋敏芳等[4]、方曉正等(2019)[5]、曹慧珺等(2017)[6]通過(guò)工程應(yīng)用科學(xué)闡述了沖擊回波法判斷混凝土襯砌厚度和缺陷深度的方法與機(jī)制，最終應(yīng)用結(jié)果表明沖擊回波法在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的有效性；崔德密等(2018)[7]采用沖擊回波法研究不同齡期、不同厚度的素混凝土試件和鋼筋混凝土試件試驗(yàn)下，不同激振裝置、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、混凝土齡期、鋼筋配置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，提出了沖擊回波法評(píng)價(jià)混凝土厚度的數(shù)學(xué)模型和評(píng)價(jià)方法；張景奎等(2018)[8]應(yīng)用沖擊回波法對(duì)不同類型和性質(zhì)缺陷以及無(wú)缺陷的混凝土模型試件進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，深入研究了沖擊回波方法所激發(fā)的低頻應(yīng)力波在混凝土介質(zhì)中傳播的基本特性及影響因素，并對(duì)沖擊回波法檢測(cè)混凝土厚度和內(nèi)部缺陷的檢測(cè)識(shí)別方法以及檢測(cè)適用范圍進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。趙仲杰等(2018)[9]運(yùn)用Comsol Multiphysics有限元軟件對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)單層管片、管片背部黏結(jié)注漿層、管片背部砂土三種結(jié)構(gòu)的模擬，并通過(guò)分析不同情況下的沖擊響應(yīng)頻譜圖像與結(jié)構(gòu)質(zhì)量問(wèn)題，表明沖擊回波法是檢測(cè)隧道襯砌結(jié)構(gòu)完整性的一個(gè)有效測(cè)試手段。因此，根據(jù)前人的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用沖擊回波法對(duì)大壩混凝土面板質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)同樣具有可行性。

2 沖擊回波法原理介紹

2.1 沖擊回波的產(chǎn)生

產(chǎn)生沖擊彈性波的本質(zhì)為振源產(chǎn)生的擾動(dòng)，以波動(dòng)的形式向遠(yuǎn)方向傳播，在波動(dòng)范圍內(nèi)的各粒子都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。沖擊彈性波的產(chǎn)生一般有兩種方法，即外力擊打產(chǎn)生和由物體內(nèi)部破損產(chǎn)生，其中沖擊錘打擊或剛球落下是最常用的激振方式。

圖1 外力擊打產(chǎn)生沖擊回波示意圖Fig.1 Impact echo generated by external force

改變沖擊錘的大小可以產(chǎn)生不同頻率特性的沖擊彈性波。一般來(lái)講，小的硬質(zhì)錘可產(chǎn)生高頻的彈性波，相反大的硬質(zhì)錘可產(chǎn)生低頻的彈性波，即與錘和打擊對(duì)象的接觸時(shí)間有明顯的關(guān)系。剛球打擊時(shí)，剛球和測(cè)試對(duì)象的接觸時(shí)間Ts可以表示為[10]：

(1)

(2)

激振信號(hào)和引起的自由振動(dòng)頻率fs的關(guān)系如下[11]：

(3)

其中，fs為自由振動(dòng)頻率，單位：Hz。

通過(guò)上式可以看出，對(duì)于落下高度H的影響為H0.1，在通常的打擊高度0.2～1 m的范圍內(nèi)，其對(duì)接觸時(shí)間的影響僅有15 %。

表1是不同激振錘在0.6 m高度落在各種標(biāo)號(hào)混凝土表面引起的彈性波的頻率。

表1 典型條件下激振彈性波自由振動(dòng)的頻率(kHz)

2.2 沖擊回波的傳播

當(dāng)通過(guò)外力產(chǎn)生沖擊彈性波后，根據(jù)波動(dòng)的傳播方向與粒子的振動(dòng)方向的關(guān)系可以形成多種形態(tài)的波，主要有體波(P波和S波)、表面波(Rayleigh波、Love波、Lame波等)，在結(jié)構(gòu)表面激發(fā)的沖擊彈性波以P波和S波的形式傳播到結(jié)構(gòu)深部，而R波則沿結(jié)構(gòu)的表面向外傳播，P波和S波在遇到內(nèi)部缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，而當(dāng)傳感器與激發(fā)點(diǎn)位置較近時(shí)，P波占據(jù)了回波的主要成分，根據(jù)反射底端的深度和P波的傳播時(shí)間，即可得到回波的傳播時(shí)間[11]。

(4)

其中：Δt為波的傳播時(shí)間，單位：s；T為波的傳播深度，單位：m；CPP為結(jié)構(gòu)中沿厚度方向傳播的P波的波速，單位：m/s。

2.3 沖擊回波的數(shù)據(jù)處理分析

通常接收到的沖擊回波反射信號(hào)是具有多個(gè)單獨(dú)頻率和初始相位的單純波的疊加結(jié)果，因此為準(zhǔn)確得到反射信號(hào)位置及反射時(shí)間信息，目前比較常見(jiàn)的主要有傅立葉變換(Fourier Transform)、快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform，簡(jiǎn)稱FFT)、小波變換(Wavelet Transform)、最大熵法(Maximum Entropy Method，簡(jiǎn)稱MEM)并行處理的方法以提高分析精度和能力。而最大熵法是一種以數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代譜估計(jì)技術(shù)，與普通的FFT譜相比，具有譜線平滑、頻譜分辨力高、輸出信噪比較大、適用于短數(shù)列等優(yōu)勢(shì)，可以從強(qiáng)噪聲背景中提取有用信號(hào)，因此筆者采用該方法對(duì)采集波形進(jìn)行頻譜分析處理。

3 實(shí)際模型測(cè)試

3.1 實(shí)際模型1

為測(cè)試沖擊回波法對(duì)缺陷形狀的敏感程度，故設(shè)置2個(gè)不同類型、內(nèi)部不同形狀缺陷的混凝土模型。

3.1.1 實(shí)際模型1(a)

實(shí)際模型1(a)為C50強(qiáng)度混凝土試塊，長(zhǎng)2 m，寬1.5 m，高0.3 m。內(nèi)部設(shè)置缺陷1：橢圓形缺陷，缺陷高度0.1 m；缺陷2：直徑約0.3 m圓形缺陷，缺陷高度0.05 m，缺陷內(nèi)部?jī)?nèi)部無(wú)填充。實(shí)際模型1(a)的示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)際模型1(a)示意圖Fig.2 Schematic diagram of actual model 1 (a)

3.1.2 實(shí)際模型1(b)

實(shí)際模型1(b)為C30強(qiáng)度混凝土試塊，長(zhǎng)1 m,寬1 m,高0.3 m。內(nèi)部設(shè)置缺陷1：0.3 m×0.3 m正方形缺陷；缺陷2：直徑約0.1 m圓形缺陷；缺陷3：不規(guī)則缺陷；缺陷內(nèi)部均無(wú)填充。實(shí)際模型1(b)的示意圖如圖3所示。

圖3 實(shí)際模型1(b)示意圖Fig.3 Schematic diagram of actual model 1 (b)

采用四川陸通檢測(cè)科技有限公司自主研發(fā)的“混凝土缺陷及尺寸無(wú)損檢測(cè)儀”LT-CQST，采用17錘(直徑0.17 m)激發(fā)、RC50傳感器接收信號(hào)，在試塊上表面依次均勻布置多條縱向二維測(cè)線，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)采用最大熵法進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 實(shí)際模型1(a)回波法綜合云圖Fig.4 Comprehensive cloud map of actual model 1 (a) by echo method

圖5 實(shí)際模型1(b)回波法綜合云圖Fig.5 Comprehensive cloud map of actual model 1 (b) by echo method

采用沖擊回波法對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷測(cè)試分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在厚度一定范圍內(nèi)針對(duì)圓形缺陷和不規(guī)則缺陷、正方形缺陷，在缺陷內(nèi)部無(wú)填充物時(shí)，沖擊回波法均能較準(zhǔn)確測(cè)試出缺陷深度、延伸范圍，且缺陷越明顯，綜合云圖越明顯。

3.2 實(shí)際模型2

為測(cè)試混凝土內(nèi)部脫空、內(nèi)部介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)對(duì)判定結(jié)果的影響，故設(shè)計(jì)如下混凝土實(shí)際模型，內(nèi)部設(shè)置不同缺陷類型。

實(shí)際模型2為強(qiáng)度C50的混凝土試塊，長(zhǎng)1 m，寬0.5 m，高0.3 m。內(nèi)部設(shè)置缺陷1：混凝土高度方向0.15 m位置處，通過(guò)低強(qiáng)混凝土(強(qiáng)度C10)將上下層緊密連接(未脫空)；缺陷2：混凝土高度方向0.15 m位置處上、下層完全脫開(kāi)，脫開(kāi)高度0.05 m。實(shí)際模型2的示意圖如圖6所示。

圖6 實(shí)際模型2示意圖Fig.6 Schematic diagram of actual model 2

圖7 實(shí)際模型2回波法綜合云圖Fig.7 Comprehensive cloud map of actual model 2 by echo method

實(shí)際模型2回波法綜合云圖見(jiàn)圖7，結(jié)果表明，在混凝土無(wú)任何內(nèi)部缺陷或介質(zhì)變化時(shí)，回波法能準(zhǔn)確檢測(cè)到底部界面位置和深度，當(dāng)混凝土中存在低強(qiáng)混凝土?xí)r，低強(qiáng)混凝土位置處有微弱反射，最終底部反射信號(hào)較正常底部反射信號(hào)延遲，當(dāng)混凝土中存在完全脫開(kāi)缺陷時(shí)，信號(hào)在脫開(kāi)位置處反射。該實(shí)際模型對(duì)于沖擊回波法應(yīng)用于實(shí)際工程中混凝土脫空情況檢測(cè)具有重要意義。

3.3 實(shí)際模型3

為測(cè)試缺陷內(nèi)部不同填充物對(duì)最終判定結(jié)果的影響大小，故設(shè)計(jì)混凝土實(shí)際模型。

實(shí)際模型3為強(qiáng)度C50的混凝土試塊，長(zhǎng)3 m，寬2 m，高0.3 m。內(nèi)部設(shè)置缺陷1：缺陷內(nèi)部填滿沙石；缺陷2：缺陷設(shè)置為三角形木塊；缺陷3用塑料容器填滿水；缺陷4用泥土和碎石填滿；缺陷5為全空，無(wú)任何填充。實(shí)際模型3的示意圖如圖8所示：

圖8 實(shí)際模型3示意圖Fig.8 Schematic diagram of actual model 3

實(shí)際模型3回波法綜合云圖見(jiàn)圖9，結(jié)果表明，混凝土模型中預(yù)設(shè)缺陷都基本被測(cè)試出，紅色區(qū)域代表信號(hào)反射位置，顏色越紅表明缺陷越明顯，混凝土中存在水、沙石、碎石、泥土、木塊、全空狀態(tài)等缺陷均能被測(cè)試出。

圖9 實(shí)際模型3回波法綜合云圖Fig.9 Comprehensive cloud map of Actual model 3 by echo method

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

龍背灣水電站工程位于湖北省堵河流域支流官渡河中下游，為堵河流域第一級(jí)電站、龍頭水庫(kù)，Ⅱ等大(2)型工程，大壩為1級(jí)建筑物，溢洪道、發(fā)電引水隧洞、廠房為2級(jí)建筑物。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程524.30 m，壩軸線長(zhǎng)456.00 m，壩高158.30 m?；炷撩姘鍓纹?∶1.4，厚度t=0.3+0.003 5H，頂部最小厚度30 cm，面板厚度根據(jù)高程從高向低緩慢增大，本次檢測(cè)水面以上區(qū)域的面板厚度大致可近似為30 cm。面板采用C30混凝土澆筑，布設(shè)雙層雙向鋼筋，鋼筋的水平平面間距約為20 cm，鋼筋保護(hù)層厚度約為8 cm，上下層鋼筋間距約為14 cm，面板與墊層料之間為擠壓式邊墻，見(jiàn)圖10。

圖10 龍背灣水電站面板示意圖Fig.10 Schematic diagram of the panel of Longbeiwan hydropower station

4.2 檢測(cè)方案

按照龍背灣水電站面板分塊結(jié)構(gòu)布置圖，自大壩左側(cè)開(kāi)始至右岸，依次將面板劃分編號(hào)為1～39，沖擊回波法布置多條縱向測(cè)線(垂直于水面)，測(cè)線長(zhǎng)度15 m，測(cè)線方向均沿著面板表面向下(小高程)延伸，每條測(cè)線起點(diǎn)位置均在現(xiàn)場(chǎng)做好標(biāo)記、編號(hào)，采用帶有刻度的測(cè)繩依次按照設(shè)定的測(cè)點(diǎn)間距進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 沖擊回波法縱向測(cè)線1現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成果Fig.11 Field test results of longitudinal survey line 1 by shock echo method

圖12 沖擊回波法縱向測(cè)線2現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成果Fig.12 Field test results of longitudinal survey line 2 by shock echo method

根據(jù)圖11、圖12典型成果圖表明：

1)面板內(nèi)復(fù)雜的鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊回波法幾乎無(wú)影響，主要是由于其具有激振能量大、頻率較低、波長(zhǎng)更長(zhǎng)、采用MEM進(jìn)行頻譜分析等優(yōu)勢(shì)。

2)測(cè)線1基本無(wú)脫空現(xiàn)象，但其中有3處存在混凝土內(nèi)部不密實(shí)的情況；測(cè)線2中0.5～2.5 m處存在脫空，因此后續(xù)需關(guān)注該處脫空情況，經(jīng)常觀測(cè)表面是否有裂縫、空鼓情況。

5 結(jié) 論

通過(guò)不同類型缺陷模型的測(cè)試研究以及混凝土質(zhì)量實(shí)際工程應(yīng)用表明：

1)在混凝土內(nèi)部無(wú)任何缺陷或介質(zhì)變化時(shí)，沖擊回波法能準(zhǔn)確檢測(cè)到底部界面位置和深度；當(dāng)內(nèi)部存在各種不規(guī)則缺陷以及缺陷內(nèi)存在各種填充物時(shí)，沖擊回波法基本能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出缺陷分布范圍及缺陷深度，對(duì)缺陷類型識(shí)別準(zhǔn)確、效率高。

2)對(duì)于只具備單一檢測(cè)面的混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)，沖擊回波法是目前最為有效的無(wú)損檢測(cè)方法，在其適用范圍內(nèi)能夠得到較好的檢測(cè)結(jié)果。

3)沖擊回波法成功應(yīng)用于龍背灣水電站面板混凝土質(zhì)量及脫空情況檢測(cè)項(xiàng)目，為指導(dǎo)大壩安全運(yùn)行和缺陷修復(fù)處理提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，可以為同類工程提供借鑒。