聲波穿透在大壩混凝土裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用

徐 波,韓道林,樓加丁

(1.四川省武都水利水電集團(tuán)公司,四川綿陽(yáng),621002;2.貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴陽(yáng),550081)

在水工建筑物中,混凝土所產(chǎn)生的裂縫對(duì)工程安全性及功能性都有較大的影響。大壩壩體裂縫對(duì)大壩的防滲及安全性都存在隱患。為保證混凝土建筑安全、確保工程質(zhì)量,對(duì)所產(chǎn)生的混凝土裂縫一般都需處理。對(duì)非重點(diǎn)部位或較淺的混凝土裂縫,工程中首選表面涂抹、表面貼補(bǔ)法或用修補(bǔ)材料直接填充裂縫。該處理方法簡(jiǎn)單、成本較低、處理速度快;對(duì)重點(diǎn)部位或較深的混凝土裂縫,一般采用普通水泥灌漿、濕磨細(xì)水泥灌漿或化學(xué)灌漿等方法。該類方法不受裂縫深度限制、處理方法成熟及處理后的質(zhì)量可靠。處理前準(zhǔn)確測(cè)定裂縫深度是制定各類處理方案的重要依據(jù),也是保證裂縫處理到達(dá)預(yù)期效果的前提。本文以四川武都水庫(kù)大壩壩體混凝土裂縫的檢測(cè)為例,介紹聲波穿透在混凝土裂縫處理前后檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 檢測(cè)方法

聲波穿透法是采用脈沖波在同等狀態(tài)的混凝土中傳播,測(cè)試聲波在混凝土中的波速、首波振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化,判斷混凝土中的缺陷及其發(fā)育深度。

聲波波速是反映混凝土完整性及強(qiáng)度的最重要參數(shù),它與混凝土的致密程度及骨料的粗細(xì)有較強(qiáng)的相關(guān)性。相同材料組成的混凝土,其內(nèi)部越致密、孔隙越低,則聲波波速越高,強(qiáng)度越大,否則相反。此外,混凝土的聲波波速還受混凝土的澆筑質(zhì)量、配合比、齡期、溫濕度、硬化環(huán)境及施工工藝的綜合影響。

聲波波幅是反映聲波在混凝土中衰減程度的重要指標(biāo)。同等狀態(tài)的混凝土,聲波的幅值越低,表明混凝土對(duì)聲幅的衰減就越大,混凝土質(zhì)量就越差。由于聲波的衰減和散射衰減的增大,使得接收波幅明顯下降,聲波波幅成為判斷微小缺陷的重要參數(shù)。因此,根據(jù)混凝土中聲波衰減的幅值可判斷混凝土中是否存在裂縫、離析區(qū)、夾泥、蜂窩等缺陷。實(shí)際測(cè)試工作也證明,聲波振幅對(duì)混凝土小的缺陷區(qū)反應(yīng)比聲波波速值更為敏感。

聲波脈沖具有寬帶頻波,頻率成份相當(dāng)豐富。聲波脈沖穿過(guò)混凝土后,各頻帶成分的衰減程度不同,通常情況高頻部分比低頻部分衰減嚴(yán)重,并導(dǎo)致接收信號(hào)的主頻向低頻端漂移,其漂移多少取決于混凝土質(zhì)量的好壞程度與混凝土缺陷的類型。因此,聲波頻率也是判斷微小缺陷的一個(gè)重要的參考量。

2 檢測(cè)布置

為了準(zhǔn)確測(cè)定混凝土中裂縫的深度及其產(chǎn)狀的變化情況,一般在裂縫的兩端附近及中間部位分別布置一組鉆孔,每組聲波穿透鉆孔為3個(gè)(如圖1中的ZK1、ZK2、ZK4),必要時(shí)在裂縫上增加一個(gè)鉆孔進(jìn)行鉆孔錄像(如圖1中的ZK3)。3個(gè)聲波穿透孔,可完成2對(duì)聲波穿透。其中,一對(duì)為垂直裂縫走向,另一對(duì)為平行裂縫走向,且兩對(duì)孔間距保持一致,以便對(duì)存在裂縫時(shí)聲波透射的波速、波幅、振動(dòng)頻率進(jìn)行比較。

圖1 裂縫檢測(cè)鉆孔布置

3 判斷方法

3.1 聲波波速在聲波穿透測(cè)試中,聲波聲速反映的是兩個(gè)鉆孔之間混凝土的平均波速。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知,當(dāng)孔間距大于1.5m時(shí),聲波波速對(duì)混凝土裂縫反映不明顯;當(dāng)孔間距小于1.5m時(shí),聲波波速對(duì)混凝土裂縫反映明顯,可作為混凝土裂縫判斷的主要依據(jù)。如圖2,孔間距為1.3m聲波穿透實(shí)測(cè)波速曲線圖,從波速變化情況上判斷該處混凝土裂縫深度為2.3m。圖3,孔間距為2.0m聲波穿透實(shí)測(cè)波速曲線圖,從該圖的波速變化情況,難以準(zhǔn)確判定該處混凝土裂縫深度。

3.2 聲波波幅

由于聲波波幅大小不僅取決于混凝土本身的性能、質(zhì)量,還與換能器(靈敏度、頻率及頻率特性)、儀器等一系列非缺陷因素以及換能器與混凝土的都聲耦合狀態(tài)有關(guān)。為使波幅值能相對(duì)地反映混凝土性質(zhì)、質(zhì)量,在波幅測(cè)量中必須保證測(cè)量系統(tǒng)因素的一致性,以保證波幅的相互可比性。一般在測(cè)試中宜做到以下幾點(diǎn):①保持測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)的一致性;②保持測(cè)試參數(shù)不變;③換能器與混凝土之間的耦合狀況的一致性;④在運(yùn)用波幅作相對(duì)比較時(shí),保持相同孔間距和相同測(cè)試角度。

3.3 聲波頻率

聲波脈沖是復(fù)頻波,具有多種頻率成分。當(dāng)聲波穿過(guò)混凝土后,各頻率成分的衰減程度不同,高頻部分比低頻部分衰減嚴(yán)重,因而導(dǎo)致接收信號(hào)的主頻向低頻端漂移,其漂移多少取決于衰減因素嚴(yán)重程度。可見(jiàn),接收波主頻率實(shí)質(zhì)上是介質(zhì)衰減作用的一個(gè)表征量,當(dāng)遇到裂縫時(shí),由于衰減嚴(yán)重,使接收波主頻率明顯降低。因此,在判斷混凝土裂縫深度時(shí),聲波頻率也是一個(gè)重要的參考量(如圖6所示)。

圖6 完整混凝土的聲波頻譜分布

圖7 有裂縫的混凝土的聲波頻譜分布

綜上所述,在判斷混凝土裂縫深時(shí),應(yīng)綜合分析以上三個(gè)參數(shù)。經(jīng)施工處理混凝土裂縫時(shí)鉆孔揭露出的裂縫證實(shí),混凝土裂縫測(cè)定的深度與鉆孔揭露出的深度相當(dāng)吻合,相對(duì)誤差可控制在±10cm以內(nèi)。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

武都水庫(kù)位于四川省江油市境內(nèi)的涪江干流上,樞紐由碾壓混凝土重力壩與壩后式廠房組成,最大壩高120.14m,壩頂高程660.14m,正常蓄水位658m,總庫(kù)容5.72×108m3,裝機(jī)容量150MW。5.12汶川8.0級(jí)大地震,對(duì)在建的武都水庫(kù)大壩及建基面巖體造成不同程度的影響,出現(xiàn)了91條裂縫,最長(zhǎng)的可達(dá)59.2m。按照國(guó)務(wù)院發(fā)布的汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建條例和水利部支援四川震損水庫(kù)應(yīng)急除險(xiǎn)方案設(shè)計(jì)指導(dǎo)小組專家和水規(guī)總院領(lǐng)導(dǎo)意見(jiàn),須對(duì)大壩混凝土裂縫深度及延伸范圍進(jìn)行檢測(cè),為大壩震后設(shè)計(jì)處理提供資料。

本工程裂縫深度檢測(cè)主要采用聲波透射法,必要時(shí)輔以鉆孔錄像。為了節(jié)約投資,應(yīng)對(duì)裂縫深度進(jìn)行評(píng)估,評(píng)估時(shí)應(yīng)考慮到混凝土澆筑層面厚度、該層與下一層澆筑的時(shí)間差、及以往檢測(cè)同部位時(shí)混凝土的裂縫深度。所布置的鉆孔深度應(yīng)大于估計(jì)裂縫深度,根據(jù)測(cè)試情況調(diào)整孔深。本工程完成了91條裂縫檢測(cè),檢測(cè)出裂縫的最大深度為11.4m。在檢測(cè)時(shí)初步設(shè)計(jì)鉆孔深度為2m～8m,如經(jīng)檢測(cè)裂縫深度大于所鉆孔深度再增加孔深,最大檢測(cè)鉆孔深度達(dá)13.0m;聲波穿透孔間距,一般控制在1.5m～2.0m。本文以18#壩段585m高程層面裂縫檢測(cè)及20#壩段595m高程層面裂縫灌漿處理后質(zhì)量檢測(cè)為例,淺談聲波穿透在裂縫檢測(cè)中的運(yùn)用。

4.2 檢測(cè)成果

4.2.1 灌前裂縫深度檢測(cè)

本工程18#壩段高程585m層面新增3條裂縫。其中,1條編號(hào)為18XF1(見(jiàn)圖8),共布3組檢測(cè)孔,共12個(gè)鉆孔對(duì)該裂縫進(jìn)行檢測(cè)。其中,(18-X11)～(18-X12)為跨縫穿透,(18-X9)～(18-X12)為背景孔穿透,實(shí)測(cè)波形圖見(jiàn)圖9、圖10(3.0m以上部分);波幅及波速變化見(jiàn)圖11、圖12;波幅及波速分段統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。從波形圖、波幅及波速變化情況綜合分析可知,在孔深1.6m以上,波幅明顯變低,由于孔間距為2.0m且裂縫寬度較細(xì),聲波波速反映不明顯,綜合判斷該處裂縫的深度為1.6m。通過(guò)對(duì)該裂縫所布置的3組鉆孔檢測(cè),分別得出每組跨縫對(duì)穿孔間的裂縫深度,結(jié)合3處裂縫深度可推測(cè)該裂縫的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖13)。

表1 聲波穿透裂縫檢測(cè)聲波穿透平均振幅、波速統(tǒng)計(jì)

圖13 裂縫深度變化趨勢(shì)示意

通過(guò)對(duì)聲波穿透綜合分析所得出裂縫深度,與裂縫處理時(shí)所鉆一排φ275mm大孔揭露的裂縫深度進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出,由于裂縫處理孔與檢測(cè)點(diǎn)的位置不同,與測(cè)點(diǎn)附近的鉆孔對(duì)比,裂縫的深度有誤差。因此,綜合利用聲波的波速、波幅、頻率綜合判斷裂縫的深度精度是相當(dāng)高的。

表2 聲波穿透檢測(cè)裂縫深度與鉆孔取芯揭露深度對(duì)比

4.2.2 灌后裂縫深度檢測(cè)

為正確評(píng)價(jià)混凝土裂縫,采用CW化學(xué)灌漿處理后的效果,對(duì)本工程20#壩段LV裂縫灌后質(zhì)量做了檢測(cè)。檢測(cè)方法采用裂縫上取芯,同時(shí)對(duì)原跨縫檢測(cè)聲波穿透孔進(jìn)行了原位測(cè)試。裂縫灌后鉆孔取芯芯樣見(jiàn)圖14。從圖14上可見(jiàn),采用CW化學(xué)灌漿后,混凝土裂縫充滿了漿液,膠結(jié)密實(shí)。聲波穿透測(cè)試以LVZK 13-15為例,灌前裂縫深度為7.3m,灌前、灌后波速、波幅對(duì)比見(jiàn)圖15。從圖15波速曲線上看,灌后波速值略有提高,平均值接近完整混凝土波速值;從振幅曲線上看,孔深0.0m～5.4m,波幅值接近完整混凝土值,反映灌漿效果優(yōu)良;孔深5.4m～7.3m,波幅值提高后與完整混凝土的波幅值有小的差距,反映該段灌漿效果不如孔深0.0m～5.4m段好。

圖14 灌后裂縫取芯照片

圖15 聲波穿透灌前、灌后對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

用聲波穿透法檢測(cè)混凝土裂縫,能準(zhǔn)確測(cè)出混凝土裂縫的深度,具有精度高、工期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著工程建設(shè)中混凝土的大量運(yùn)用,受各種因素的影響,裂縫的產(chǎn)生是難以避免的,在進(jìn)行工程安全的評(píng)價(jià)及混凝土裂縫處理前,準(zhǔn)確測(cè)定混凝土裂縫深度顯得非常必要。因此,聲波穿透測(cè)試必將發(fā)揮更大的作用。

〔1〕陳 凡等.基樁質(zhì)量檢測(cè)技術(shù).中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

〔2〕崔春林.單平面法在大體積混凝土裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),2004.

〔3〕龔召然.水工混凝土溫控與防裂.北京,中國(guó)水利水電出版社,1999.

〔4〕中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法(GB/T50081-2002).中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.