基于噪聲對某箱涵無損檢測技術的研究

周 祥

(云南恒誠建設監理咨詢有限公司，昆明 650000)

0 引 言

污水管涵工程是城市的排污干道。我國城市化建設已經取得了較為豐碩的成果。不少城市早期修建的污水管涵出現了不同程度的破壞現象，已經嚴重影響到城市污水的排放，對居民生活產生影響[1-2]。由于這部分管涵數量極為龐大，采用鉆探等方法加以檢測，其工作量較大，且會對待檢測結構物產生永久性的損傷，同時檢測速度也較慢，在檢測過程中將會影響到城市道路的正常通行。目前，無損檢測技術已經得到了充分的發展，在多個工程實踐中積累了較為豐富的經驗，是一種成熟的技術。目前，管道滲漏常用的無損檢測方法包括：噪音法、沖擊彈性波法等。兩種方法在工程實踐中均取得了較多的成功案例。

1 無損檢測方法

1.1 滲漏噪聲監控法

1.1.1 基本原理

如圖1所示,當輸水管道局部破損產生滲漏時,水在壓力作用下向管外噴出的同時產生哨叫,引起管道振動并在管道內形成渦流。管道動的頻率主要由管道內壓力以及破損點的大小決定[3]。在管內壓力一定的情況下,滲漏越小,震動頻率越高,反之滲漏越大,則振動頻率越低。管道振動的強弱(即振幅大小)由滲漏大小和檢測點到滲漏點的距離決定,當滲漏點一定時,振動大小僅由檢測點到滲漏點的距離決定,離得越近振動就越大。根據這一現象,我們在管內緊貼管壁以一定間隔(一般10-20m)設置許多檢波器(一種能夠感知水下聲音和振動的傳感器),并用儀器連續地測量和記錄各個檢波器的輸出信號,并通過數字濾波等手段消除掉平時的背景噪音,最后根據檢出信號的強弱和頻譜判斷滲漏的嚴重程度[4]。

圖1 滲漏噪聲監控原理

1.1.2 聽漏儀檢漏法

采用聽漏儀進行管道滲漏檢測的基本原理是聲學原理。在管道完整的情況下，流水的聲音主要為低頻、均勻分布的紊流水聲。當管涵發生滲漏時，則可出現3種異常的水聲信號：①漏水與管道管材之間的摩擦聲，該聲一般頻率較高，多在600-3000Hz之間；②撞擊聲。該聲的出現主要是漏水水頭與周邊的管道、管壁之間撞擊而發出的聲音，該聲音頻率較低，多在80-1500Hz之間；③介質的摩擦聲。管道出現滲漏時，則可攜帶污水中的沙粒、泥土等固體顆粒物，顆粒物在移動過程中，將于物體之間摩擦從而發出聲音。根據測試成果可知，漏水聲的能量譜較為集中，主要是沿著管道、管內水流傳播。一般情況下，在管線地面、檢修井等區域均可聽到漏水聲。漏水聲的傳播距離和管道材料、所處的環境關系密切，一般情況下傳播距離可達幾十米甚至是幾百米。借助一些簡易設備，如：聽音棒、聽音筒等，有時可在地面聽到漏水聲，也可為管道滲漏檢測提供參考。聽漏儀結構框圖如圖2所示。

圖2 聽漏儀組成結構圖

1.2 數據采集及處理

采用聽漏儀檢測管道滲漏情況的步驟如下： ①信噪比設置。主要是為了放大電路增益，過濾有害的高頻老板噪音、增大輸入信息與輸出信號的反饋；采取方法如下：在傳感器與放大電路之間設置一級場效應管即可通過電路提高阻抗；②選頻電路。主要通過濾波器來劃分頻段。通過微機設置的判決算法，利用高通、低通濾波器過濾無效頻率；③輸出與顯示。聽漏儀輸出兩種信號。一是通過功放后輸出至耳機的聲音結果，可通過檢測人員的工程經驗實時判斷；二是將系統獲取的各項數據分析、去噪后置于顯示屏上顯示。

聽漏儀數據處理的主要內容如下：①系統增益。傳感器中采集到的信號一般情況下較為微弱，因此，需通過前置放大、功率方法等過程放大采集到的信息。前置放大、功率放大的增益分別為80dB、40 dB；放大后的信號信息變化將更加明顯，易于判斷。②信噪比。將儀器自身噪音折算到輸入端，計算可得到極其自身的信噪比>74dB。③帶通濾波。設置帶通濾波器截止頻率區間為186Hz-813Hz。在頻率為200-400Hz時，提高增益強度，以保證輸出信號具有低頻音質和聲音厚度，400-800Hz時可降低增益強度，避免高頻層次感的缺失[5]。

2 工程應用

2.1 工程概況

某污水管道建成時間較早，在污水的長期沖刷、侵蝕、磨損作用下，各節箱涵出現了不同程度的滲漏現象，這一現象在箱涵間的伸縮縫處最為明顯。加之污水滲漏造成局部箱涵地基下陷，從而造成箱涵出現不同程度的不均勻沉降問題，可能現狀部分伸縮縫已經完全破壞，箱涵排污能力已經受到較為嚴重的影響。根據箱涵設計圖紙和現場調查，箱涵頂板、邊墻均采用混凝土材料，其中頂板厚度為0.5m、邊墻厚度為0.5m、中墻厚度為0.45m。箱涵混凝土材料目前較為均勻，采用聽漏儀檢測滲漏情況較為合理。聽漏儀無損檢測方案見圖3。

圖3 聽漏儀檢測方案

2.2 檢測結果分析

根據現場檢測成果，根據設置的檢測區，數據處理完成后，滲漏檢測結果如下：混凝土箱涵內部結構完整性較好，基本上不存在滲漏現象。在伸縮縫(止水帶)處滲漏噪音較為明顯，部分伸縮縫(止水帶)已經出現了較為嚴重的滲漏現象。伸縮縫(止水帶)處需要采取處理措施，以保證污水箱涵作用的正常發揮。典型檢測時域波形見圖4。

圖4 時域波形圖(示例)

2.3 滲漏原因分析

混凝土箱涵是一種經濟合理的輸水管道,因此,在國內被普遍采用。傳統的平接口形式抗地基不均勻沉降能力很差,為適應地基不均勻沉降和溫度變化的影響,鋼筋混凝土箱涵一般每隔15-20m設置一道伸縮縫,伸縮縫由止水帶、填縫材料和嵌縫密封材料三部分組成,加上箱涵頂部復土及附加荷載的作用。會引起箱涵接口上下嚴重錯位和翹曲變形,造成箱涵接口止水帶的大變形,形成箱涵混凝土與橡膠接口止水帶之間的空隙,嚴重的使止水帶拉裂,止水失效,最終導致滲漏水。混凝土箱涵接口滲漏的另一個原因是由于施工不當所造成的,往往由于止水帶部位混凝土搗固不密實而留下的暗滲漏通道,引起箱涵接口滲漏。此外,由于使用年限較長,混凝土箱涵質量劣化,導致箱涵出現裂縫,引起滲漏。

3 結 論

無損檢測方法在結構物完整性檢測工程已經受到了越來越多的應用。噪音法無損檢測方法主要是利用噪音原理，分析管道的滲漏情況，從而獲取管涵的完整性情況。通過分析聽漏儀的測試原理、數據采集和處理方法，并結合深圳某污水箱涵無損檢測方法的實例應用，詳細介紹了噪音法無損檢測的實際使用方法。經過檢測，某污水箱涵伸縮縫(止水帶)滲漏現象較為嚴重，排污能力受到了較大的影響，亟需采取治理措施。