基于彈性波場理論的水下閘底板脫空檢測方法及應用

李松輝，張 龑，黃錦林，葉合欣，羅日洪

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；3.廣東省水利水電技術中心，廣州 510635)

1 概述

由于水閘大多在軟基或砂基上進行建設，閘基礎在長期運行過程中遭受水流沖擊的影響，極易出現閘底斷裂、不均勻的沉陷及泥沙淘蝕等病害問題[1-2]，導致底板極易產生脫空，且脫空現象在安全檢測時難以辨別，導致水閘無法發揮正常使用功能，結構安全性能降低，對排澇防洪安全帶來各種潛在的安全隱患[3-6]。檢查出閘底板存在的脫空區域及程度，對保障水閘的安全運行意義重大。

國內外目前針對水閘底板脫空問題主要應用地質雷達、鉆孔取芯和沖擊回波等方法進行探測[7]。由于受到水和鋼筋網的影響導致基于電磁波原理的地質雷達法適用性較差[8-9]；聲振法無法定量測出脫空的大小[10]；鉆孔取芯法屬于有損檢測，會導致底板受損[11]；但基于彈性波的方法可以避免上述方法局限性的干擾。同時該方法具有速度快，效率高，不受水和內部鋼筋影響等優點[12]。該方法利用采集在檢測對象表面施加的力所產生的彈性波，通過分析彈性波在介質內部傳播過程中的響應波形及波形變化特征，判斷病害現象。

本文基于力學彈性波方法，檢測某長期運行水閘底板混凝土質量，具體分析了檢測原理、測線布置以及數據處理方法，根據水閘底板的彈性波(橫波)沖擊相應強度分布及脫空缺陷判別標準，推斷底板混凝土與下伏淤泥質粉質黏土的分界線，查明底板混凝土的疏密情況。

2 方法原理及儀器設備

2.1 方法原理

當擊打介質表面時，在介質內部將激發彈性波動場，包括面波、縱波和橫波等。彈性波由激發點在介質內部進行傳播，傳播過程中遇到介質內部缺陷時，波阻抗比的變化，導致能量、波形和頻譜發生改變。介質表面的彈性波動場分布是介質內部結構在其表面的映射。當混凝土底板與地基之間存在脫空時，底板表面的彈性波動場分布特性將發生變化，包括能量特征、波形特征和頻譜特征等。

可以把檢測對象簡化為1個層狀半無限的介質模型，在其內部存在局部的缺陷部位(如圖1所示)。通過理論分析，介質模型中的內部缺陷所形成的強反射界面，經過多次反射疊加后，介質表面所接收到的波形可用下式表述：

圖1 力學彈性波方法基本原理示意

(1)

r(t)=(R,-R2,R3,-R4,…)

(2)

式中：

r(t)——反射系數序列；

R——內部缺陷界面的反射系數；

T0——彈性波在兩界面間的雙程反射時間。

由上述所列式(1)、(2)可知，推測介質內部缺陷情況可由接收得到的彈性波求得，其是由子波褶積和反射系數疊加的結果，如果震源子波已經知道，便可應用反褶積來求得反射系數，定量的推斷反射界面兩側介質的波阻抗差值和介質內部的缺陷深度。在工程實際應用中，震源子波不易獲取到，大多情況下，采用假定的方式來揭示內部構造的變化，從而來推斷結構的內部缺陷特征。

2.2 檢測儀器及其技術指標

力學彈性波方法的現場數據采集系統由數據采集儀、檢波器和激發力錘所組成。本次研究所用儀器是國內DONGHUA公司的DH5981分布式動態信號分析系統、若干個100 Hz速度型垂直分量檢波器和質量為500 g的鋼質沖擊錘組成的水下震源系統。具體參數和儀器設備見表1所列。

表1 儀器設備一覽

2.3 方法有效性驗證

圖2所示為中山市某水閘底板脫空檢測鉆孔取芯結果與本文檢測方法結果的對比，圖2中4個鉆孔都揭示不同程度脫空。

a 鉆孔取芯斷面

ZK1脫空0.36 m，與之相鄰的閘室2外河側有大片脫空區域(紅色區域)，可推測該處脫空與閘室2外河一側的脫空區域相連，與之相鄰的閘室1內外河兩側以及閘室2內河一側底板都存在較厚的淤泥，影響了檢測結果，可合理推測，這些部分地板下亦存在疏松—輕微脫空；ZK3脫空0.40 m，與之相鄰的閘室3和閘室4的底板顯示為疏松—輕微脫空，由于鉆孔附近缺少檢測數據，因此，該處鉆孔揭示的脫空與底板脫空區的關系不明；ZK5脫空0.26 m，與之相鄰的閘室6和閘室7的底板檢測結果皆顯示外河側地板下疏松—輕微脫空，因此可以推斷，外河側的疏松—輕微脫空區域延伸至6號閘墩底部，但內河一側相鄰部分的底板顯示較密實，因此，推斷該脫空病害未進一步向內河方向發展；ZK7脫空高度0.5 m，與之相鄰的閘室8和閘室9的底板都顯示大面積較嚴重脫空，兩者對應良好。

3 工程概況

某水閘位于廣東省佛山市，該水閘于2001年重建，工程等別按Ⅳ等設計，工程完成后片區內汛期易澇的局面得到顯著改善，項目具有明顯的社會效益和經濟效益。水閘設計洪水位為6.33 m，相應內水位為1.0 m，設計水位差為5.33 m，堤頂高程為7.83 m，涵洞底面板高程為-1.0 m，防洪閘門采用平面鋼板型，啟閉機采用固定式QPQ形式，地基采用Ф400預制砼管樁，水閘共設6孔涵洞，單孔凈寬為4 m，孔高為4 m，涵洞段總長度為37.5 m，底板厚為500 mm，底部設100 mm的C10砼墊層(見圖3)。

圖3 廣東省佛山市某水閘鳥瞰示意

4 檢測過程及數據分析

4.1 測線布設

待檢測水閘共設6孔相同尺寸涵洞，單孔凈寬為4 m，總寬為26.9 m，長為37.5 m。為實現水閘底板全面檢測，檢測測線及測點布置見圖4。以水閘涵洞①靠近外河側右岸底角作為坐標原點，定義垂直閘門方向為X軸，沿外河至內河方向為X軸正向，平行閘門方向為Y軸，水閘涵洞①～涵洞⑥方向為Y軸正向。沿X軸共布設41條測線，除靠近內外消力池的四條測線間距為0.5 m外，其余測線間距為1.0 m，第1條測線L1的橫坐標為0.5 m，第2條測線L2的橫坐標為1.0 m，依次類推，第41條測線L41的橫坐標為37.0 m。每條測線設置48個檢測點，檢測點間距0.5 m。第1個檢測點的縱坐標為0.25 m，第2個檢測點的縱坐標為0.75 m，考慮閘墩的厚度后，依次類推，第48個檢測點的縱坐標為26.65 m。

圖4 測線與測點布置示意

4.2 采集參數

數據采集參數設定見表2。

表2 數據采集參數

4.3 數據采集步驟

待測線標記完成，連接好儀器設備后，力學彈性波方法沿布置測線采用機械方式擊打檢檢測物件表面，以在檢測物件內部產生彈性波動場。采用500 g圓頂鐵錘進行信號激發，震源偏移距0.5 m處用檢波器接收檢測物件表面的彈性波動，然后保持偏移距、擊打方向和擊打力度不變，將激發檢波系統移至下1個檢波點，每1個檢測點采集工作完成后，移動檢測系統至下1個檢測點，上述操作重復進行至單條測線數據采集完成(如圖5所示)。

圖5 測線標記與數據采集示意

4.4 數據分析處理方法

數據分析處理的流程見圖6，其具體步驟可分為對采集數據進行編輯、濾波及轉換，并將相關信息按特定形式進行表現，主要分為數據預處理、歸一化、波形處理、波場分離機生成缺陷相應分布平面圖等。

圖6 力學彈性波方法數據處理流程示意

4.5 缺陷判別標準

嚴格來講，沖擊響應強度劃分標準的設定應結合數值模擬和鉆孔取芯結果來劃定，由于本項目未開展鉆孔取芯工作，因此只通過理論計算來獲取沖擊響應強度與缺陷范圍的對應關系。

本次檢測結果通過缺陷平面分布圖來表示，圖像通過彩虹色來表示底板脫空嚴重程度，顏色越深，表示病害程度越嚴重，顏色越淺，表示病害程度越低。底板的標準化沖擊響應強度分為1.0～1.5、1.5～2.0、2.0～2.5和2.5以上4個等級，對應底板下密實狀態分別為“密實”、“疏松”、“輕微脫空”和“脫空”。本文對檢測結果位置的描述采用(縱坐標區間，橫坐標區間)的形式，坐標原點及測線測點移動方向見4.1節。

4.6 檢測成果分析

檢測結果由沖擊響應強度平面分布圖反映底板下脫空情況(如圖7所示)，根據各孔水閘底板的彈性波(橫波)沖擊響應強度分布以及4.5節給定的脫空缺陷判別標準，可準確推斷各水閘底板下的脫空狀況。

圖7 水閘底板下密實狀況平面分布示意

從圖7中可以看出：

1)涵洞①閘門外河一側底板整體顯示為主體密實和部分疏松的狀態，閘門內河一側夾雜小部分的輕微脫空和脫空區域，其中內河后半段情況較前半段嚴重，另外，部分脫空點位(如10 m處)與相鄰涵洞形成貫通。

2)涵洞②閘門外河一側底板整體顯示為密實和疏松狀態，閘門內河一側底板密實區域最大，疏松區域次之，并夾雜小部分的輕微脫空和脫空區域，內河后半段情況較前半段嚴重。另外，部分點位與相鄰涵洞形成貫通。

3)涵洞③較其他涵洞疏松區域更多，靠近兩側墻體和中間位置底板出現部分顯示為脫空區域，并由該區域向外延伸擴散為輕微脫空和疏松狀態。

4)涵洞④整體質量較好，閘門外河一側底板整體顯示為密實狀態，閘門內河一側整體顯示為密實和疏松狀態，并夾雜小部分的脫空區域，并由該區域向外延伸擴散為輕微脫空和疏通狀態。

5)涵洞⑤整體質量較好，閘門外河一側底板整體顯示為密實狀態，閘門內河一側整體顯示為密實和疏松狀態，并夾雜小部分的脫空區域，并由該區域向外延伸擴散為輕微脫空和疏通狀態。

6)涵洞⑥在靠近兩側墻體位置底板出現部分顯示為脫空和輕微脫空狀態，并由該區域向外延伸擴散為疏松狀態，內河后半段情況較前半段嚴重。圖8給出了底板各缺陷等級百分比：脫空區域占2.74%，疑似脫空區域占6.04%，疏松區域占20.99%，密實區域占70.23%，可以看出脫空區域和疑似脫空區域占比達到8.78%。

圖8 水閘底板下缺陷統計示意

5 結論及建議

采用力學彈性波方法對水閘底板的脫空進行探測，通過檢測數據處理得出以下檢測結論。

1)本文提出的力學彈性波方法，它能夠克服混凝土內部多層鋼筋網和水的影響，準確的反應水閘底板地基脫空區域及程度。

2)檢測結果表明，通過頻譜處理、波形可視化處理和沖擊響應能量及相結合的方法，采用力學彈性波方法能夠很好地掌握缺陷病害的分布狀況。

3)檢測結果顯示水閘6孔涵洞的脫空呈現3種規律，涵洞④和涵洞⑤的疏松區域、輕微脫空區域和脫空區域沿河零散分布；涵洞①、涵洞②和涵洞⑥內河后半段情況較前半段嚴重；涵洞③靠近兩側墻體和中間位置底板出現部分顯示為脫空和輕微脫空的區域。從混凝土質量來看，涵洞③底板病害最為嚴重，脫空占比最高；涵洞①、涵洞②、涵洞④、涵洞⑤、涵洞⑥底板整體存在疏松狀態，并零散分布脫空區域，需要引起注意。