表面波無損檢測技術在五強溪船閘裂縫深度檢測中的應用探討

陳冬勇

（五凌電力有限公司，湖南 長沙410004）

1 工程概況

五強溪水電站位于湖南省沅陵縣境內沅水干流上，是一座以發電為主、兼有防洪、航運等綜合效益的大型水電工程。壩址以上控制流域面積83800km2，正常高水位108m，水庫總庫容42.9億m3，為季調節水庫。電站總裝機1 200 MW。

三級船閘由上游引航道、上游進水口、閘首（4個）、閘室（3個）、下游泄水口和下游引航道等11部分組成，呈直線型布置，全長達1.66 km，其中船閘主體結構長531.0 m。各閘首有效尺寸為130 m×12 m×2.5 m（長×寬×檻上最小水深），設計水頭分別為37.7 m、27.7 m和24.0 m。

運行中發現船閘一閘室開合度超設計值，現場檢查發現閘室地板及輸水廊道出現大量裂縫。目前，混凝土裂縫深度無損檢測手段主要有超聲波平測法和表面波法，其中超聲波平測法有效檢測深度僅為0.5 m，而表面波法有效檢測深度可達數米，且具有受混凝土內鋼筋影響小等優點。為查明船閘混凝土裂縫深度發展性狀，使用RL-2000系列表面波檢測設備，采用表面波法對船閘一、二閘室底板和輸水廊道底板若干裂縫的深度進行檢測。

2 檢測原理

表面波是縱波和垂直極化的橫波的合成波，它包括三種波型的波（R波、Lamb波、Love波）。R波在半無限勻介質彈性體內傳播，它的傳播速度VR與振動頻率f之間關系如下：

其中：VR是表面波的傳播速度；λR是表面波的波長；f是表面波的頻率。

因此在已知介質中，改變振動頻率即能改變表面波的波長。在有衰減的介質中（如混凝土、巖石、砂土），表面波的等效傳播深度D一般為半波長深度，若改變表面波的頻率，表面波的等效傳播深度也隨之改變，因此表面波在非均勻介質中傳播將具有明顯的頻散特性，目前表面波法勘探或無損檢測就是利用表面波的頻散特性。表面波法檢測裂縫深度時，利用穿透裂縫的表面波的頻散特性檢測混凝土中開口裂縫的深度，根據不同頻率表面波的相位差檢測有充填物的裂縫深度，通過分析表面波經過裂縫群形成的散射場檢測其中最深的裂縫深度。見圖1。

圖1 表面波遇縫的傳播機理示意圖Fig.1 Propagation of surface wave as encounter of crack

3 檢測設備

本次裂縫檢測采用RL-2000系列表面波無損檢測儀器，該儀器、由信號發生器、功率放大器、表面波激振器、拾振器、信號處理器、便攜式工控機等組成。用于檢測混凝土裂縫深度時，信號發生器、功率放大器及表面波激振器組成發射系統向混凝土發射不同頻率的表面波信號，由拾振器、信號處理器及微機組成接收系統，對表面波信號進行拾取、放大、A/D轉換以及有用信息的提取、分析計算并輸出結果。現場儀器布置示意圖見圖2。

圖2 儀器的現場布置示意圖Fig.2 Layout of the instruments

4 檢測方法和檢測結果

4.1 檢測方法

現場檢測時，根據現場情況在每個測區布置一條無縫區測線和一條有縫區測線，在每條測線上依次布置一個表面波激振器和兩個拾振器，兩條測線的表面波激振器可共用。測試時，表面波激振器從高頻（20 000 Hz）到低頻（300 Hz）發射表面波信號，利用兩個拾振器檢測傳播到接收點的各頻率表面波信號，逐步調低表面波頻率以加大測試深度，直至有縫區測量的表面波頻散曲線和無縫區測量的表面波頻散曲線相交后結束。

根據船閘現場條件并結合一閘室有限元模擬計算裂縫情況（圖3），選擇27個典型測區檢測裂縫深度。其中一閘室廊道底板布置15個測區（C1～C15，其中C5、C7為裂縫群），一閘室底板布置2個測區（C16、C17）；二閘室廊道底板布置8個測區（C18～C25），二閘室底板布置2個測區（C26、C27）。各測區每條測線上的兩只拾振器間距均為1.0 m。檢測儀器現場情況見圖4。

圖3 一閘室模擬計算裂縫分布圖Fig.3 Simulation of cracks distribution of chamber 1

圖4 檢測儀器現場布置情況Fig.4 Layout of the testing instruments

4.2 檢測結果

一閘室廊道底板C1測區中C0為無縫區的相頻特性曲線，C1為有縫區的相頻特性曲線，表面波振的特征頻率fo為2 000 Hz，表面波在兩拾振器之間的傳播時間Δt為442μs，由此計算得到表面波的傳播速度VR為2 262 m/s。根據表面波檢測裂縫深度的原理計算，該處的裂縫深度為0.56 m。

同理，根據C2～C15及C18～C25測區的檢測結果計算各部位的裂縫深度，計算結果見表1，其中一閘室廊道底板C11、C12測區的相頻特性曲線見圖5。

根據一閘室底板C16、C17測區和二閘室底板C27測區的無縫區相頻特性曲線和有縫區相頻特性曲線，結合閘室底板結構特點和Lamb波在板狀結構物中的傳播原理分析，該三個測區的裂縫均已裂穿閘室底板。

圖5 C11、C12測區表面波相頻特性曲線圖Fig.5 Phase-frequency characteristic of the surface wave in C11and C12detection area

由于二閘室底板C26測區表面附近有兩個臨空面，不能近似看作半無限平面空間，而是一個有兩個面并存在固定邊界的結構面，在此類結構物表面傳播的表面波為Lamb波，其傳播等效深度要根據Lamb中So波振幅特性方程來計算，并由此計算得到該測區的裂縫深度為1.46 m。

表面波無損檢測結果表明一、二閘室底板局部已裂穿，閘室輸水廊道的裂縫深度為0.3～2.4 m，檢測結果與有限元模擬計算成果基本吻合。選取其中13個測區采用超聲平測法或鉆孔法檢驗裂縫深度，與表面波無損檢測結果基本一致（見表1）。

5 結語

本次表面波法應用實例說明，表面波無損檢測技術在檢測復雜條件下的大體積混凝土深裂縫深度方面具有優越性，隨著其應用的不斷深入和推廣，可能成為該領域一種比較有效的檢測手段。

表1 不同方法檢測部分測區的裂縫深度對比分析一覽表Table 1 :Data of crack depth tested by different methods