超聲波檢測技術(shù)在壩基防滲墻質(zhì)量檢查中的應用

郭曉義

(中國水電基礎局有限公司，天津301700)

0 前言

直孔水電站壩基混凝土防滲墻軸線總長度1 010.5 m，沿土石壩軸線布置，墻厚0.8 m，設計防滲面積47 220 m2，最大墻深79 m，平均墻深為46.73 m。為目前國內(nèi)深度和施工難度最大的防滲墻工程之一。

防滲墻墻體質(zhì)量檢查采用超聲波無損檢測結(jié)合鉆孔取芯檢測的方法。超聲波無損檢測較為全面地反映了墻體混凝土的強度、連續(xù)性和均質(zhì)性，最大限度地避免了鉆孔取芯對墻體的破壞，具有快速、無損、簡便、經(jīng)濟等特點。

1 超聲波無損檢測原理

超聲波無損檢測技術(shù)發(fā)展至今，已可以對混凝土進行多方面的檢測。本工程應用到的是“對測法”檢測混凝土防滲墻的強度、完整性、均勻性和“對測法”、“斜測法”檢測混凝土內(nèi)部缺陷。

混凝土為固相、液相和氣相隨機交織而成的非均質(zhì)、各向異性的多相復合材料。由于聲波的散射以及低頻余振較長，即接收信號的混響時間很長，如果采用反射法(自發(fā)、自收)，必然使缺陷反射信號疊加在發(fā)射信號的余振之中，無法分辨，所以應采用透射法對混凝土進行檢測。檢測方法見圖1。

圖1 超聲波透射法檢測墻體示意圖

本工程無損檢測采用NM-3B型非金屬超聲波檢測設備，配套有井下?lián)Q能器和平面換能器各一對。檢測時，地面儀器通過電纜控制高壓發(fā)射電路，產(chǎn)生受控高壓脈沖，激勵發(fā)射換能器重復發(fā)射超聲波，脈沖在混凝土中傳播，然后由接收換能器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)程控放大與衰減網(wǎng)絡的自動調(diào)整后輸給高速A/D轉(zhuǎn)換采集部分，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后以DMA數(shù)據(jù)傳輸方式送入微機，顯示聲波信號并測記聲時、振幅、頻率、波形等聲學參數(shù)。超聲波透射法工作原理見圖2。

圖2 超聲波透射法工作原理框圖

超聲波在混凝土傳播時能量衰減較大，其原因除了聲能的擴散外，主要是混凝土中存在著許多微粒界面的反射、折射及散射，以及混凝土黏滯性造成的吸收衰減。頻率越高，衰減越大;為了降低衰減，使聲波能傳遞較遠的距離，只能采用低頻率的超聲波。本工程混凝土檢測中采用了頻率低于50 kHz的低頻超聲波。

1.1 超聲波測強

超聲波在混凝土中傳播時，其縱波速度的平方與混凝土的彈性模量成正比，與混凝土密度成正比。而混凝土強度等級的高低又與其密度有關(guān)，因此，根據(jù)超聲波傳播速度即可求出混凝土強度。一般來說，混凝土中的聲速越大，其強度越高。

1.2 超聲波測混凝土內(nèi)部缺陷

當混凝土出現(xiàn)裂縫、夾泥、孔洞、斷墻、密實度差及低強區(qū)等缺陷時，聲波將發(fā)生衰減;部分聲波繞過缺陷前進，傳播時間長，波速減小，產(chǎn)生漫射現(xiàn)象;而遇到有孔洞的空氣界面時要產(chǎn)生反射和散射，使超聲波的波幅衰減，干擾波的連續(xù)性，使波的傳播路徑復雜化，引起波形畸變。在檢測過程中采取措施并對所測數(shù)據(jù)進行分析，可確定缺陷的類型、位置、尺寸和缺陷程度。

2 墻體超聲波無損檢測方法

2.1 預埋鋼管的制作與下設

為方便超聲波發(fā)射及接收換能器下設和采集數(shù)據(jù)，本工程采用了預埋鋼管墻內(nèi)成孔的方法。根據(jù)檢測單位提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，頻率低于50 kHz的低頻超聲波在C 20混凝土中透射距離可達10～15 m。為避免傳播過程中過多衰減造成檢測結(jié)果不準，結(jié)合槽段劃分情況，采用兩測點之間的檢測距離為5.6 m，部分為11.2 m，測點(預埋管)布置見圖3。

圖3 超聲波檢測測點(預埋管)布置圖

預埋管采用壁厚3 mm的Φ70 mm鋼管，各節(jié)之間采用焊接方法連接，焊接后每節(jié)長度為12.0 m。采用φ18 mm鋼筋制作保護桁架，保護桁架在預埋管下設前加工完畢，其幾何尺寸為:長60 cm，寬60 cm，高100 cm。預埋管與桁架焊接成整體，兩桁架之間距離8.0 m，見圖4所示。最底部的桁架與預埋管焊接的位置在底管底端以上50 cm處。

預埋管下設前將底管底部用薄鐵皮封死。下設采用吊車起吊，孔口逐節(jié)焊接，直至下至孔底。預埋管高出孔口10～20 cm。下設預埋管和澆筑混凝土的過程中嚴防混凝土和雜物經(jīng)管底、接口、管口進入預埋管。預埋管下設完畢后將孔口外露部分與鉆機道軌焊接在一起，以防澆筑過程中桁架上浮或管體錯位。管口用薄鐵皮焊接封堵，以防雜物落入管內(nèi)。

圖4 預埋管桁架示意圖

2.2 檢測數(shù)據(jù)采集

2.2.1 混凝土試塊數(shù)據(jù)采集

對墻體混凝土試塊進行室內(nèi)抗壓強度、波速、彈性模量測試，目的在于通過直觀強度指標對比，建立強度～波速、強度～彈模之間的關(guān)系，為后續(xù)墻體檢測時確定相關(guān)參數(shù)。具體做法為:試塊在彈模、抗壓強度試驗前先進行超聲波測試，隨后對試塊進行彈模、抗壓強度試驗。

試塊采用平面換能器測試，首先準確測出試塊兩點距離，測點位置見圖5所示。在測點位置涂上較稀的潤滑油作為耦合劑，耦合劑作用是為了使平面換能器的表面與混凝土試塊表面之間保持良好耦合。避免超聲脈沖速度測量受到與混凝土性能無關(guān)因素的影響，造成聲速測量準確度的降低。測試時將發(fā)射換能器壓緊在測點上，接收換能器壓緊在試塊另一平行面的測點上，自動采集讀取聲時和聲速。每組3個試件，每個試件以6個面3組點測得的超聲波速值，計算其算術(shù)平均值作為該組混凝土試件的波速測量結(jié)果。

2.2.2 墻體檢測數(shù)據(jù)采集

檢測前向管內(nèi)加滿清水作為耦合劑，然后將發(fā)射、接收換能器分別放入檢測段兩預埋管底部同一深度，墻體檢測數(shù)據(jù)采集采用由下而上同步對測的方法進行，自動采集各點的聲時和聲速。此種檢測方法應特別注意發(fā)射、接收換能器上、下應同步，否則超聲波在混凝土中的傳播路線就會由水平變?yōu)閮A斜，導致傳播時間延長，波幅衰減量增大，影響對混凝土質(zhì)量的判定。本工程采用在換能器數(shù)據(jù)線上以米為單位標示長度的方法進行控制，檢測時先核對兩端換能器的下入深度再讀數(shù)。測點垂直距離為0.5 m。

圖5 試塊測點布置圖

2.3 墻體質(zhì)量缺陷的現(xiàn)場判定和測量

根據(jù)防滲墻混凝土澆筑方案推測，墻體混凝土中可能存在的質(zhì)量缺陷為夾泥、孔洞、斷墻。上述3種質(zhì)量缺陷在超聲波無損檢測時均表現(xiàn)為超聲波傳播時間延長和波幅衰減量增加。如何現(xiàn)場確定質(zhì)量缺陷類型和缺陷范圍是墻體質(zhì)量超聲波無損檢測的難點。在墻體質(zhì)量超聲波檢測方案的論證階段，結(jié)合類似檢測方案確定了下述可信的質(zhì)量缺陷判定和測量方法。

2.3.1 墻段接縫夾泥的判定

墻段接縫夾泥的判定較為簡單，如在檢測時出現(xiàn)9～20個測點(檢測高度4～10 m)或更大范圍內(nèi)均出現(xiàn)超聲波傳播時間和波幅衰減量大于正常值且偏差值不大，可判定為該墻段接縫夾泥。判定依據(jù)如下:①超聲波在泥中的傳播速度小于在混凝土中的傳播速度;②超聲波將在混凝土與泥的交界面上發(fā)生散射導致衰減值增大;③墻段間泥皮厚度很小，超聲波傳播時間和波幅衰減量受泥皮影響產(chǎn)生的變化量不大;④墻體其他類型的質(zhì)量缺陷導致的超聲波傳播時間和波幅衰減量大于正常值不可能在如此大的范圍內(nèi)(4～10 m)發(fā)生。

2.3.2 孔洞的判定和測量

墻體混凝土內(nèi)的孔洞判定采用以下方法進行，檢測時發(fā)現(xiàn)超聲波傳播時間和波幅衰減量大于正常值時即加密測點;若異常范圍較小且聲時和波幅衰減量較大，即可判定該處有孔洞。

孔洞的位置和范圍采用加密測點和斜測法取得基礎數(shù)據(jù)用幾何方法即可算出。測量和計算方法見圖6所示。首先，將發(fā)射、接受換能器置于一條貫穿于孔洞的水平線AB上，固定A點移動B至B＇，根據(jù)勾股定律可算出AB'的長度，參照正常混凝土中超聲波傳播速度v可算出在正常混凝土中超聲波穿透A、B'兩點之間的混凝土所需的時間t0，將t0與實測時間t相比，如t＞t0，說明直線AB'仍穿過孔洞，移動B'點移動至t=t0時，說明直線AB'處于與空洞邊緣相切的AB1、AB2位置，然后固定B點移動A點確定A1B、A2B兩條切線，則孔洞為四邊形AaBb的內(nèi)切不規(guī)則幾何平面，由切點即可大致確定孔洞位置及形狀，移動AB直線位置確定數(shù)組切點即可相對準確地繪出孔洞的幾何形狀。

圖6 孔洞測量方法示意圖

2.3.3 斷墻的判定和測量

防滲墻中的斷墻現(xiàn)象是由于澆筑過程中因計算錯誤或其他原因澆筑導管全部拔脫，形成的墻體中部全斷面混漿和裹泥。當超聲波測量至某斷面時超聲波波速遠小于正常值;波幅衰減量遠大于正常值，通過測量空洞的方法始終無法找到切線，即可判定該處為斷墻。斷墻的測量采用微移法，即發(fā)射和接受換能器在斷墻位置以2～5 cm的距離同步移動，當超聲波透射速度與混凝土正常混凝土中透射速度一致時，可認為該處為斷墻部分的邊緣線，上下邊緣線確定后即可計算出斷墻的位置和尺寸。

本工程檢測中未發(fā)現(xiàn)上述質(zhì)量缺陷，故無法與實際情況相對照，驗證上述判定和測量方法的準確性。建議以后通過無損檢測發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷時，即在計算出的缺陷位置進行鉆孔取芯檢查，做到有的放矢。

3 超聲波無損檢測數(shù)據(jù)處理

3.1 墻體質(zhì)量判定標準

由超聲波無損檢測數(shù)據(jù)對墻體混凝土質(zhì)量進行判定，主要依據(jù)現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)繪制的聲時—深度曲線和波幅(衰減)—深度曲線進行。墻體完整性、強度參照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 1006—2003)第10章第10.4節(jié)中有關(guān)規(guī)定進行統(tǒng)計分析、計算和判定。混凝土均質(zhì)性按聲速離差系數(shù)Cv所處區(qū)間來作為墻體混凝土均質(zhì)性判定標準。

Cv≤0.05 A級 混凝土質(zhì)量均勻

0.05 ＜Cv≤0.1 B級 混凝土質(zhì)量基本均勻

0.1 ＜Cv≤0.15 C級 混凝土質(zhì)量不均勻

Cv＞0.15 D級 混凝土質(zhì)量嚴重不均勻

3.2 曲線繪制

本工程無損檢測采用的NM-3B型非金屬超聲波檢測設備可在檢測完成后，將各測點檢測數(shù)據(jù)直接繪出聲時—深度曲線和波幅(衰減)—深度曲線。直觀地反映墻體各位置聲速V與V0、波幅A與A0之間的關(guān)系并用數(shù)理統(tǒng)計的方法計算聲速離差系數(shù)Cv，直接判定墻體混凝土質(zhì)量。曲線形式見圖7所示。

圖7 潑速～深度、潑幅～深度曲線圖

4.3 檢測結(jié)論

本工程從2004年6月30日開始第一次現(xiàn)場檢測，至2005年11月17日完成了全部墻體的超聲波無損檢測。現(xiàn)場檢測墻體15個斷面共計5 700 m2，達總成墻面積的11.73%，超聲波測混凝土試塊5組。檢測結(jié)論如下:

防滲墻混凝土試塊實測軸心抗壓強度24.8～26.5 MPa，強度滿足C20設計要求，室內(nèi)試塊聲波波速Vs=4 043～4 412 m/s，與現(xiàn)場相應檢測槽段波速基本一致;彈性模量2.8×104～3.1×104MPa，符合設計2.4×104～3.2×104MPa范圍要求。防滲墻墻體各分部檢測結(jié)果見表1。

表1 防滲墻墻體各分部檢測結(jié)果匯總表

5 結(jié)語

超聲波無損檢測技術(shù)在直孔水電站壩基防滲墻工程墻體質(zhì)量檢測中的成功應用，較為全面地反映了墻體質(zhì)量，給工程質(zhì)量的最終評定提供了翔實的數(shù)據(jù)，為以后同類型工程的墻體質(zhì)量檢測提供了借鑒和參考。結(jié)合方案制定和數(shù)據(jù)采集處理過程中出現(xiàn)的各種情況，采用超聲波無損檢測進行墻體質(zhì)量檢測時有以下幾方面問題需要注意:

1)超聲波無損檢測中波速和衰減量計算均假定發(fā)射和接受換能器之間的距離等于理論距離。實際施工中，由于桁架定位、混凝土沖擊等各種因素影響，檢測斷面兩端的預埋鋼管會出現(xiàn)位移、彎曲，影響測量精度。所以做好聲測管的預埋、定位會給后續(xù)的檢測工作提供良好的基礎。

2)由于超聲波在鋼材中的傳播速度大于混凝土中的速度，所以在下設鋼筋籠的防滲墻內(nèi)進行無損檢測需按照《水工混凝土試驗規(guī)程》有關(guān)規(guī)定對測量結(jié)果進行修正。

3)防滲墻混凝土中的質(zhì)量缺陷的形成原因與明澆混凝土中的質(zhì)量缺陷不同，其形狀、缺陷介質(zhì)聲速等也不能和明澆混凝土簡單類比。所以直接采用《水工混凝土試驗規(guī)程》有關(guān)缺陷尺寸估計的方法進行墻體質(zhì)量缺陷尺寸計算時結(jié)果不準。本文所提到的平測、斜測相結(jié)合確定缺陷位置及尺寸的方法值得推薦。

4)超聲波無損檢測雖然有各種優(yōu)點，但此種檢測方法無法直觀判斷混凝土質(zhì)量，無法通過壓水試驗準確測量墻體的滲透系數(shù)。所以本工程采用了無損檢測和半破損檢測(鉆孔取芯)相結(jié)合的方案進行墻體混凝土質(zhì)量檢查，取得了良好的效果。

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