基于彈性波動理論的北關閘底板脫空檢測分析

尚海龍 田苡菲 黃 濤

(1.北京江河中基工程咨詢有限公司,北京 100073;2.中國水利水電科學研究院,北京 100038)

水閘是為城市防洪、排澇等方面提供服務的重要基礎設施,在經濟社會發展中發揮著重要作用[1]。

根據《水閘安全鑒定管理辦法》(水建管〔2008〕214號),在全國河道、灌排渠系、堤防上依法修建的,由水利部門管理的各類水閘實行定期安全鑒定制度。我國大部分中小型水閘均建設運行多年,具有建設標準偏低、配套設備落后等“先天不足”問題[2-3],依據《水閘安全評價導則》(SL 214—2015)的規定,須定期組織專業人員對水閘進行實地查勘,對水閘工程質量和運行管理情況進行評價,開展水閘安全評價分析工作。

北京市北運河[4]北關閘屬于大(2)型水閘。北關閘于2007年4月23日開工建設,2010年3月8日完工,2010年4月全部工程交付管理單位,投入使用。2021年11月北關攔河閘現場踏勘發現北關攔河閘的閘墩、岸墻、檢修便橋、交通橋及輔橋等部位存在不同程度的結構縫張開和錯位、混凝土裂縫等現象。本文主要采用水下沖擊映像法對北關閘的底板脫空[5]進行檢測分析研究,以確定水閘的安全狀態[6],排除安全隱患。

1 北關閘基本情況

大運河通州段的端點北關攔河閘橋,即是京杭大運河的終點(杭州至北京),也是北運河的起點(通州至天津)。北關攔河閘橋是京杭大運河最北端的“運河源頭第一橋”,建于石壩碼頭舊址,七孔弧形攔河閘采用“橋閘一體”的建筑模式,閘門隱于橋下,橋體的形制和裝飾采用古代式樣。

北關攔河閘屬平原區水閘,工程等別為Ⅱ等,為大(2)型水閘,主要建筑物攔河閘、船閘等為2級建筑物。景觀橋由于與攔河閘融為一整體,其結構的設計安全等級為二級,屬于大橋。

攔河閘采用水閘、橋、船閘一體布置。閘室采用鋼筋混凝土箱涵結構,總凈寬為84.00m,共7孔,每孔凈寬12.00m,上游常水位20.5m,下游常水位18.0m;攔河閘右側設有單級單向船閘,上、下閘首及閘室均采用整體式U形結構,主體由鋼筋混凝土澆筑,凈寬8m,水位落差2.5m,可通行50人左右的游船;在攔河閘墩上建造橫跨攔河閘和船閘的景觀橋,橋長153m,橋面全寬13.10m。攔河閘閘門采用露頂式弧形鋼閘門,閘門尺寸12m×5.0m,船閘采用人字形鋼閘門,啟閉設備均選用液壓啟閉機。

2 水下沖擊映像法

本次北關閘底板脫空檢測分析主要采用水下沖擊映像法[7]。

2.1 沖擊映像法原理

沖擊映像法的理論基礎是彈性波動理論[8-10]。當撞擊到介質表面[11-12]時,介質內部會激發出一個彈性波動場,包括表面波、縱波和橫波。彈性波從激發點向外傳播時,當遇到介質中的一些界面時,由于波阻抗的差異,發生反射、透射和轉換,導致能量衰減、波形特征和頻譜特征的變化。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。當混凝土樓板與地基之間存在脫空時,樓板表面的彈性波動場分布特征會發生變化,包括能量特征、波形特征和頻譜特征。通過逆映射介質表面的漲落場分布,可以推斷出介質的內部結構。該方法具有系統化、標準化和規范化的特點,是一種高效率、高質量的工程無損檢測方法。

2.2 水下沖擊映像實現方法

沖擊映像法的探測對象一般可以抽象為半無限介質模型,探測面為自由界面,即探測面上方沒有介質,介質存在于探測面下方的半無限空間中。但是,水下水工建筑物的檢測,由于檢測面位于水中,不但要面臨檢測設備的防水以及水上作業等問題,還需解決檢測面上有荷載,檢測數據不再是自有界面上的波場分布問題,成果數據分析也必須考慮檢測面以上水層的影響。

在水閘底板無損檢測中,水閘底板結構層厚度一般為1～2m,而彈性波的傳播速度卻高達4km/s以上,其傳播時間非常短。同時,激振時產生的面波、縱波直達波、縱波反射波、橫波-縱波轉換波等各種波相互疊加,特別是在水面與底板頂面之間還會形成混響,對數據形成干擾,無法直觀判斷出有無缺陷以及缺陷程度。因此,需采用更高精度的數據處理與分析方法,對水下沖擊映像法的檢測數據進行高精度處理與分析,以定位和判斷閘底板下缺陷分布狀況。

本項目檢測時采用水下沖擊映像法檢測儀Smart Rod-I進行數據采集,其工作模式見圖1。檢測時,從船上把檢測桿連同傳感器放置于水下,使水下激發錘頭位于檢測點,檢測桿垂直于檢測面,然后用激發錘擊打砧臺,由傳力桿把沖擊力傳遞給水下激發錘頭完成激發,激發信號同時傳給控制/測量組件,并通過水下傳感器陣列完成數據采集,數據最后傳回至計算機進行記錄。

圖1 SmartRod-I水下沖擊映像儀

3 數據處理及展示

3.1 數據處理方法

數據處理主要包括數據預處理、數據歸一化、波形處理、波場分離以及生成響應強度指數分布圖等。

a.數據預處理。數據預處理就是對野外采集的原始數據進行格式轉換和添加坐標信息,使其適合于處理軟件進行高效處理。原始數據是根據野外數據采集作業的特點和儀器結構等確定的數據格式記錄的,必須經過格式轉換才能適合于專業軟件高速處理。除此以外,野外數據采集時,檢測數據是由儀器記錄的,但數據的位置信息是由操作人員記錄在現場筆記上的,在數據預處理階段必須把這兩種數據結合在一起,合并成一個文件,才有利于專業軟件高速處理。

b.數據歸一化。由于激發力度直接影響彈性波動場的強弱,因此,數據處理時需要用激發錘上傳感器采集的沖擊加速度數據,對檢測數據進行歸一化處理,以去除敲擊力度不一致的影響,確保激發強度相同。

c.波形處理。波形處理包括非正常數據處理、時窗切除、濾波和波場分離。首先,對原始數據逐一檢視,如果發現個別數據在某一時間段存在干擾,就需要設計一個特殊的時窗函數,用該時窗函數對噪聲進行切除;如果發現某一道數據存在特殊噪聲,就需要將其刪除并用相鄰數據道進行內插。其次,對所有數據進行頻譜分析,分析不同波場的頻譜特性,據此設計濾波器并對數據進行濾波以壓制噪聲,提高信噪比。最后,根據掌握的檢測結構物的幾何形狀及材料物性參數,從理論上分析各種波場的特性,與實際數據進行對比,根據其時間域和頻率域的特性,提取出反映結構物內部缺陷的波場分量,即提取結構物對激發震源的響應仔波。

d.計算沖擊響應強度。對經過各種處理得到的沖擊響應仔波計算其能量,得到沖擊響應強度。

e.計算沖擊響應強度指數。由于沖擊響應強度與介質內部結構密切相關,特別是底板厚度以及混凝土彈性模量都會影響沖擊響應強度的大小,要把沖擊響應強度解釋為工程意義,必須消除結構屬性對沖擊響應強度的影響。為此,需要通過數值仿真,計算出結構物的理論沖擊響應強度,或通過鉆孔等手段,對沖擊響應強度進行率定。率定后的沖擊響應強度稱為標準化沖擊響應強度或沖擊相應強度指數,是一個無量綱的量,能在最大程度上反映結構物內部的密實狀況。

根據在國內已開展的10余座水閘底板脫空水下沖擊映像法檢測驗證結果,按沖擊響應強度值將水閘底板脫空分為密實、疏松、輕度脫空和脫空四個級別,不同級別的沖擊響應值區分如下:?密實:沖擊響應強度值不超過1.5;?疏松:沖擊響應強度值介于1.5～2.0之間;?輕度脫空:沖擊響應強度值介于2.0～2.5之間;?脫空:沖擊響應強度值大于2.5。根據缺陷分布特征和缺陷面積大小,判定水閘底板脫空的危害程度。

3.2 結果解釋與可視化展示

沖擊映像法的結果一般可表示為缺陷平面分布圖和缺陷面積占比圖。

缺陷平面分布圖示例見圖2,根據工程需要把標準化沖擊響應強度分為幾個等級,然后用色階表示其數值大小,并賦予各等級以工程意義,得到標準化沖擊響應強度(缺陷)平面分布云圖或等值線圖。

圖2 國內某水閘缺陷分布圖示例

缺陷面積占比圖示例見圖3,根據缺陷平面分布圖計算不同缺陷類型的面積,生成面積占比圖。

圖3 國內某水閘缺陷面積占比圖示例

4 檢測過程

4.1 測線及測點布置

4.1.1 測線及測點定義

為實現對北關水閘上下游閘室底板進行全面檢測,測線與測點密度嚴格按照檢測方案布置,并結合現場實施條件對側線方向做了調整。對于上游閘室,由于水流較小,嚴格按照檢測方案布置測線,測線方向垂直于河流方向;對于下游閘室,由于水流較大,難以保持作業船垂直于河流方向,因此,測線方向調整為順水流方向。無論是上游閘室還是下游閘室,測點密度保持0.5m×1.0m不變,總檢測點數不變。

坐標原點按以下原則確定:?面向河流下游,每孔水閘以左側閘墩墻面為橫坐標0點,由左向右坐標依次遞增;?以閘底板上閘槽中心線為縱坐標0點,向下游方向坐標為正并依次遞增,向上游方向坐標為負并依次遞減。由于難以確定弧形閘門水下閘槽的精確位置,實際測量時,首先由設計圖得到牛腿在測線上的投影距離,然后,由牛腿向上游方向5.5m即為閘槽中心線位置,由牛腿向上游3.1m即為每條側線第1個檢測點的位置。

4.1.2 測線與測點布置

各閘室按圖4布置測線和測點。

圖4 各閘室測線與測點布置

在上游閘室布置6條測線,由下游向上游方向依次為Line-01、Line-02、Line-03、Line-04、Line-05和Line-06。第1條測線(Line-01)距離閘槽中線1.6m,測線間距為1.0m。

每條測線的第1個檢測點距離左側閘墩墻面0.5m,最后1個檢測點距離左側閘墩墻面11.5m(距離右側閘墩墻面0.5m),檢測點間距約0.5m,檢測點完整覆蓋上游閘室底板。

在下游閘室順水流方向布置10條測線,由左向右依次為Line-01、Line-02、Line-03、…、Line-10。第1條測線(Line-01)距離左側閘墩墻面1.5m,最后1條測線(Line-10)距離左側閘墩墻面10.5m(距離右側閘墩墻面1.5m),測線間距1.0m。

每條側線的第1個檢測點距離閘槽中線2.4m(距離牛腿位置3.1m),檢測點間距0.5m,測線長度7.0m,檢測點完整覆蓋下游閘室底板。

4.2 數據采集系統及參數設置

水下沖擊映像采集系統主要由筆記本電腦、數據采集模塊、換能器列陣和電纜組成。本次檢測數據采集參數設置如下:

通道數:8通道(通道8為力傳感器信號);

采樣間隔:0.00002s;

記錄長度:8192個數據(0.16384s)。

4.3 數據采集過程

下游閘室數據采集:由2～3人站在閘后步行橋上,用繩子牽住小船,通過繩子控制小船使每一個檢測點落到設計的檢測點上。數據采集由下游向上游方向進行,通過繩子上的標記控制小船每次的移動距離(0.5m)。

上游閘室數據采集:由于閘前沒有步行橋,由2～3人在船上通過撐桿和鉤桿等控制小船,使每一個檢測點落到設計的檢測點位置上。上游無水流,測線沿垂直于河道方向由左到右移動依次檢測。為了進一步壓制因水流引起的定位誤差等隨機因素對數據的影響,每孔閘室都重復進行2次數據采集,相當于檢測點密度增加了1倍。

4.4 檢測結果

1～7號閘底板沖擊響應強度指數均不超過2.0,未達到輕微脫空標準;部分水閘底板沖擊響應強度指數超過1.5,處于脫空前的疏松狀況。疏松缺陷較為嚴重的是7號閘上下游閘底板、6號閘下游閘底板,缺陷面積均超過20%;1號閘下游底板缺陷面積超過10%,其余閘室底板疏松缺陷面積均小于10%,且呈點狀分布。檢測結果見表1。

表1 北關水閘底板沖擊映像法脫空檢測結果

各閘室底板脫空的具體情況如下:

a.1號閘室下游底板疏松區域7.1m2,占檢測面積的10.1%,疏松區域主要集中在右半部分,呈點狀分布。

b.2號閘室上游底板疏松區域4.6m2,占檢測面積的8.3%,疏松區域靠近閘板一側呈片狀分布。

c.6號閘室下游底板疏松區域15.3m2,占檢測面積的21.9%,疏松區域呈片狀分布。

d.7號閘室上游底板疏松區域11.7m2,占檢測面積的21.2%,疏松區域集中在閘室右側,呈復雜片狀分布。

e.7號閘室下游底板疏松區域23.9m2,占檢測面積的34.2%,疏松區域成復雜的片狀,分布于整個下游閘室。

其余閘室底板疏松區域占比均小于5%,且呈點狀分布。

限于篇幅,本次只列舉脫空現象最嚴重的7號閘室底板密實情況,見圖5和圖6。

圖5 7號閘室上游底板密實狀況

圖6 7號閘室下游底板密實狀況

5 結 論

北關攔河閘1～7號閘底板水下沖擊映像法檢測結果表明:

a.1～7號水閘底板沖擊響應強度均不超過2.0,未達到輕微脫空標準;部分水閘底板沖擊響應強度超過1.5,處于脫空前的疏松狀況。

b.疏松缺陷較為嚴重的是7號閘上下游閘底板、6號閘下游閘底板,缺陷面積均超過20%;1號閘下游底板缺陷面積超過10%,其余閘室底板疏松缺陷面積均小于10%,且呈點狀分布。

從而得出結論:北關攔河閘1～7號閘底板檢測均未發現明顯脫空病害缺陷,部分水閘底板存在疏松缺缺陷,進一步發展將形成閘底板脫空,推測與縫墩結構縫張開有關,建議下次檢測宜選擇在低水頭工況下進行,6號和7號閘底板脫空檢測將是北關攔河閘結構安全檢測的重點。