沖擊回波技術在水工流道鋼襯砌混凝土質量無損檢測中的應用

【摘要】作為一種快速高效的無損檢測技術，沖擊回波法是目前水電工程鋼襯砌混凝土質量無損檢測的主要方法。本文通過對沖擊回波法的原理、數據處理與解釋的論述，結合工程實例，總結沖擊回波技術在水工流道鋼襯砌混凝土質量無損檢測的應用。

【關鍵詞】沖擊回波；鋼襯砌混凝土；無損檢測；對比；能量

1、概述

水工流道鋼襯混凝土結構型式目前廣泛應用在國內的各水電站中。鋼襯混凝土的襯砌結構型式具有安全性高、節省鋼板、簡化施工工藝、降低工程投資等一系列優點。鋼襯混凝土的工作特點相當于一個多層襯砌的隧洞，鋼襯的功用是承擔部分內水壓力和防止滲透，回填混凝土的功用是將部分內水壓力傳給周圍的介質，因此，回填混凝土與鋼襯之間必須緊密結合，回填混凝土的質量是鋼襯混凝土施工中的一個關鍵。沖擊回波法為近年發展起來的無損檢測技術，目前在水電站水工流道鋼襯砌混凝土質量無損檢測中發揮了重要的作用。

2、沖擊回波法原理

在結構表面施加脈沖應力波，脈沖應力波向結構內部傳播，在應力波傳播過程中遇到結構內部的波阻抗差異界面時，將產生反射應力波（回波），并向結構表面傳播，被埋設在結構表面的傳感器所接收。根據反射波的旅行時間T和混凝土應力波（縱波）波速v即可計算反射界面的深度h，計算公式為：

如果選用適當的激發系統，能產生相應頻率又有足夠能量的沖擊波，接收到信號較強的多次反射波（沖擊回波），使用快速傅立葉變換處理信號獲得頻譜，讀取回波頻率（優勢頻率f），則優勢頻率f與波阻抗差異界面深度h相關：

根據管道鋼襯混凝土結構特點，由于鋼襯較薄，鋼襯與混凝土界面的反射應力波（回波）旅行時間一般不超過50μs，而沖擊應力波信號的主頻一般為2kHz～10kHz，周期為500～100μs，在垂直反射的情況下，直達波與反射波信號的相位差僅為10μs左右，為應力波主信號周期的1/50～1/10，反射波與直達波之間微小的相位差異導致無法有效地將反射波信號分離出來，而且一般反射波能量遠小于直達波能量，故無法利用沖擊回波法在時間域或頻率域進行計算，因此直接拾取沖擊回波的初至或首波進行鋼襯混凝土質量檢測是困難的。

在鋼襯與混凝土緊密結合的情況下（質量完好），鋼襯與混凝土界面的波阻抗差異為33.96Mkg/（m2s），界面應力波反射系數為-0.68；在鋼襯脫空情況下（有缺陷），鋼襯與空氣的波阻抗差異為：42.12Mkg/（m2s），界面應力波反射系數約為-1.0；鋼襯與水的波阻抗差異為：40.62Mkg/（m2s）， 界面應力波反射系數為-0.93。故在鋼襯脫空時的界面應力波反射系數較大，則反射波的幅度及能量均大于正常鋼襯混凝土，而且鋼襯表面為自由界面，經反射波在鋼襯（板）內部形成多次反射，則在鋼襯表面測到的應力波能量增加更為顯著。

鋼襯表面在沖擊作用下產生應力波，對于平面諧波，鋼襯表面激振點附近的質點振動速度方程為：

波動動能方程：

波動總動能公式：

對于同樣的激發能量與激發條件，在激發點周圍相同接收距離的情況下，直達波的能量是基本一致的。

在鋼襯表面激發應力波，一部分應力波沿鋼襯表面擴散傳播，另一部分能量向混凝土傳播，在鋼襯與混凝土界面，或鋼襯與空氣（或水）界面，應力波將產生不同程度的反射波，反射波疊加在直達波之上，使質點的波動能量有所改變。若假定相距激發點200mm處的直達波能量為E0，則反射波能量為： E′=E- E0

通過研究應力波動能量的變化為檢測鋼襯質量及缺陷提供了重要途徑。

3、沖擊回波試驗和工程實例

（1）沖擊回波法試驗

在某工地選取鋼襯混凝土緊密接觸（完好）和脫空兩處進行對比試驗，采用HX-GMM-S80B高能超磁致伸縮震源激發應力波，激勵電壓為800V，以RS—ST01C非金屬聲波檢測儀及SY06加速度傳感器接收應力波信號，偏移距為200mm，測試時，兩處設置采樣參數完全一致，測試波形見圖2和圖3。

試驗表明，正常與缺陷鋼襯混凝土的波形形態差異較大，無論信號主頻、波幅、波動持續時間及總能量具有明顯的差異，其中波動總能量差異尤為明顯，故利用沖擊應力波的能量變化可以分析與判斷鋼襯混凝土脫空缺陷。

（2）某電站沖擊回波法鋼襯砌混凝土質量檢測工程實例

某電站為混凝土雙曲拱壩，由泄水建筑物、引水發電系統等組成，最大壩高110m，壩軸線長472m，壩頂寬6m，總庫容12.17億立m3。引水隧洞全長208.50m，其中上段為鋼筋混凝土襯砌，下段為鋼管混凝土襯砌。壓力鋼管段采用Q390C鋼板制作而成，板厚28～38mm，管外回填厚度800mm的混凝土。

根據檢測要求沖擊回波法鋼襯砌混凝土質量檢測采用HX-GMM-S80B高能超磁致伸縮震源激發應力波，激勵電壓為800V，以RS—ST01C非金屬聲波檢測儀及SY06加速度傳感器接收應力波信號；現場檢測采用間隔為4，采樣點數為1024，偏移距為200mm。

圖4和圖5為該電站鋼襯砌混凝土質量檢測沖擊回波能量曲線圖和沖擊回波列圖。

根據能量計算公式計算該水電站壓力支管每個各測點的沖擊回波波動能量，并通過統計分析確定波動能量臨界值δ，將波動能量臨界值作為判斷鋼襯與混凝土脫空缺陷及程度的依據。經統計分析，本次測區波動能量臨界值為1000，鋼襯混凝土脫空缺陷評判標準見表2。

根據鋼襯混凝土脫空缺陷評判標準，電站壓力支管壓檢測段成果分析評價結果見表3。壓力支管左拱肩和拱頂測線分別有1段和2段波動能量超過臨界值，但低于3倍臨界值，屬于輕微脫空缺陷，缺陷段長度分別為0.8m和1.8m；右拱肩測線各測點波動能量均低于臨界值，鋼襯與混凝土無明顯脫空缺陷。支管檢測段未發現較嚴重的鋼襯與混凝土脫空缺陷。

4、結語

沖擊回波法能夠較準確地檢測出管道鋼襯混凝土的脫空缺陷。沖擊回波能量與發射能量、偏移距離、接收儀器、傳感器以及設置參數有關，在實際工作中，同一結構形式的管道鋼襯混凝土，激發接收等采集參數一般保持不變；不同結構形式的管道鋼襯混凝土，脫空缺陷評判標準應分別建立。

參考文獻：

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