沖擊映像法在農村調水工程混凝土立墻內裂縫檢測的運用

摘要：對調水工程建設來說，工程質量意義重大，若出現質量問題，后果難以想象。在農村調水工程中，應力混凝土立墻出現內裂縫問題，將嚴重影響工程結構的安全性和耐久性，需要立即對預應力混凝土立墻的裂縫成因進行嚴格科學的檢測分析。本文運用沖擊映像法對該立墻裂縫分布、損壞區域等進行高密度檢測，同時對裂縫成因進行縝密分析，并結合取芯檢驗，印證裂縫檢測結果與成因分析。在此基礎上采取有效措施，設計、確定除險加固方案，有效解決工程現狀，確保工程質量，充分發揮農村調水工程的運行效益。

關鍵詞：農村調水工程；預應力混凝土立墻；成因分析；裂縫檢測；防治措施

農村調水工程，是解決廣大農村地區村民飲水、農田灌溉、生態需水等需求，跨省域、跨水域興建的水利工程。對解決農村地區水資源匱乏，改善農民生活，促進鄉村振興等有著重要意義。由于預應力混凝土立墻結構物內部鋼筋布設密度大，在不破壞結構物的情況下，本文采用沖擊映像法以及相關儀器測量內部裂縫壞損位置及占比，并進行定位、檢測，取得了較好的檢測效果，可有效檢測混凝土立墻結構物的內部裂縫，縮短了檢測時間，為確定工程除險加固方案提供了重要數據與信息。

1 工程概況

該混凝土立墻是某調水水利設施的一部分，4座均長640 m的預應力混凝土立墻（雙向）構成該工程主體。雙向立墻共有16段，每段厚度達0.7 m，長度達40 m，高度為9.1 m，工程投資超過2億。

2 大型預應力混凝土立墻的特點及應用

2.1 大型預應力混凝土立墻的特點

一般來說，大型預應力混凝土立墻具有以下特點：（1）抗裂性能好，通過施加預應力，可以有效地提高混凝土的抗裂能力，減少裂縫的產生；（2）強度高，預應力混凝土立墻的強度高于普通混凝土，能夠承受更大的荷載；（3）剛度大，預應力混凝土立墻的剛度大，變形小，能夠保證結構的穩定性和安全性；（4）施工方便，預應力混凝土立墻的施工工藝相對簡單，易于操作，因此在當前建筑行業內應用越來越廣泛。

2.2 大型預應力混凝土立墻的應用

在建筑工程中，大型預應力混凝土立墻被廣泛應用于以下場合：（1）高層建筑。高層建筑的豎向荷載大，需要使用高強度、高剛度的建筑材料，預應力混凝土立墻是理想的選擇。（2）橋梁工程。橋梁需要承受車輛等動荷載，同時還要承受風、雨等自然因素的影響，預應力混凝土立墻能夠提供強大的支撐和防護。（3）隧道工程。隧道工程需要承受地下水、地質條件等多種因素的影響，預應力混凝土立墻具有較好的耐久性和穩定性。

3 立墻內裂縫檢測

3.1 檢測原理

檢測原理主要是依據彈性波動理論。若將沖擊力施加于介質表面時，彈性波將產生自介質內部，雖在介質表面呈現，但其分布情況卻與介質內部的具體構造緊密關聯[1]。可以將沖擊力賦予介質的表面，在距離沖擊點的某一點位，用專用儀器記錄下接收到的彈性波。在保持上述點位和相同沖擊力度，轉移到新的檢測位置，并接收記錄的新的彈性波，用以對比。并通過比對不同的檢測點位與相應的彈性波形，判斷介質內部的結構變化，并由結構變化分析介質內部是否存在缺陷，諸如出現空洞或者裂縫等現象。

3.2 彈性波形檢測儀器

波形檢測儀器主要由沖擊震源、檢波器、電源、數據采集儀、筆記本電腦及電纜組成。其中，檢波器的頻率為100 Hz，沖擊震源的鋼錘質量250 g，電源采用12 V車用蓄電池，數據采集儀為24道的寬頻帶地震儀，筆記本電腦為野外專用型。

3.3 彈性波數據采集

將7條檢測線設于待檢的立墻上，位置由高向低定義為L6、L5、L4、L3、L2、L1、L0，立墻檢測距離設置為下面在0.3～0.5 m，其余間距均保持1 m，高度零點設在八字墻頂部，7條測線L6～L0的對應高度依次為4.6 m、3.6 m、2.6 m、1.6 m、1.1 m、0.6 m、0.3 m。L6到L0的測線長度皆定40 m，各檢測線上的檢測點間距離定為0.2 m，因檢測立墻為5段，需要檢測面積1.42×104 m2＝5（立墻數量）×2（面量）×

5（段量）×7.1 m（寬度）×4 m（長度），檢測點達到54 600個。

檢測點密度與震源偏移距離均設定為0.2 m。檢測員雙手攥緊檢波器，再先后對準第1和第2檢測點，把檢波器呈90°壓實于墻面，第3檢測點接受200 g鋼錘的重擊，數據保存。之后，前移0.2 m，繼續上次檢測動作，并完成全部點位檢測。

試驗記錄的彈性波形[2]分為兩類，一類呈現為振幅較大，時長較長；二類顯現為振幅較小，時長短。試驗點位大振幅彈性波透出悶沉音，傳出空鼓聲狀況；試驗點位小振幅彈性波呈現清脆音，可判斷為構建物內部結構緊致。

4 彈性波形數據分析

4.1 彈性波形數據分析步驟

分為三個步驟，第一步處理數據；第二步數值模擬；第三步解釋產生的結果。

4.1.1 數據處理

旨在通過采用濾波、編輯、數學變換檢測數據等方法與手段，將數據中的噪聲予以抑（壓）制，體現轉換有價值息按特定。數據處理按流程分為：預處理數據、歸一化數據、處理波形、分離波場，最后根據沖擊響應強度進行計算。

4.1.2 數值模擬

待檢結構物由內部結構建立數學物理模型[3]，再檢測參數與檢測原理，構建檢測法數學模型，并以數值求解給出波動方程，用以分析檢測物內部的裂縫與響應強度之間的關系。并以數值模擬分析混凝土立墻內部結構不密致狀況與空鼓占比。

4.2 數值模擬缺陷判斷指標設定

由于彈性響應波形的分析結果來自數值模擬數值，還要依據鉆孔來驗證并微調判斷標準.為了減少數值模擬邊界效應，應設定以下指標，模型厚度定在0.7 m，長度定在20 m，并設定1條裂縫模型中間區域，裂縫具體深為0.1 m，長為2.0 m，寬為0.01 m。移動間距與激發偏移距均設定0.2 m，密致混凝土立墻縱波波速為5 km/s，輸入波的中心頻率為5 kHz，裂縫混凝土立墻的縱波波速為3 km/s，運用有限元法方程求解待檢構建物沖擊響應強度數值模擬。

經由沖擊響應波形計算得到沖擊響應強度P，在結構密致區域內P≤0.5；在裂縫區域內Ｐ≥2，雙方數值差距超過4倍。根據上述理論數值結果，對照少量取芯結果，去除裂縫區域邊界影響，確定彈性響應波形數值sv模擬缺陷判斷標準：P≥1.74，結構呈空鼓；

P=1～1.74，結構判斷不明確；P≤1，結構密致。

5 結果

5.1 數據分析結果

根據每一檢測點位的沖擊響應強度計算數值[4]，繪制其強度分布圖，這一強度分布局再根據已定的工程解釋標準，轉換為裂縫分布圖。由上述檢測結果形成的裂縫分布圖可知，該立墻中部墻體內存有大片區域的裂縫或空鼓；有一小范圍很小的不明判斷區位于該立墻裂縫區邊緣，因這一區域為裂縫尖滅區，部分裂縫形態呈閉合狀，故其沖擊響應波形呈不明顯狀。

圖1為立墻內部結構密致狀態統計圖。由圖可知，該立墻內部空鼓（裂縫）結構占14.9％，結構密致區域占72.9％，另有12.2％的部分結構難以判明區域。

5.2 取芯試驗結果

以對立墻內部結構物的取芯實驗，證實沖擊響應波形試驗結果正確與否。檢測共計布置取芯點59個，其中在擬定的“結構密致區域”布置11個點，這11點取芯11個，取芯過程沒有接觸到裂縫；在擬定的“結構空鼓（裂縫）區域”布置46個點，取芯44個，2個碰到鋼筋取芯失敗；在擬確定的“結構不明確區域”布置2個點，取芯2個，證實此點位為裂縫區域。

6 立墻內部結構裂縫成因分析

6.1 立墻內部裂縫成因分析

造成劈裂成因有多種：可能材料方面，諸如水泥品種，骨料質量，外加劑等因素；也可能是施工工藝方面，諸如模板安裝不規范、鋼筋綁扎不牢固、混凝土澆筑不密實等因素[5]；還有可能是結構設計方面，存在支撐體系布置不當、荷載分布不均等因素；也不排除環境影響方面，存在溫度變化、濕度變化，或者化學腐蝕等因素。但經過一一排查，問題可能出現在溫度變化方面。因為，該內墻墻體已養護較長時間，關鍵性能保持較好。過冬前沒有出現不良現狀，越冬后裂縫呈現。在檢測波紋管時發現管內存有大量積水，采取鉆孔措施排水時水流呈射狀，故此判斷因波紋管灌漿不充實，在嚴冬時節，立墻內部的積水結冰膨脹產生了裂縫。同時，鑒于波紋管的塑性材質，耐低溫不易凍壞，進入春季，冰化為水，仍存于管中，沒有減少。

6.2 數值驗證

為了驗證上述推斷，建立立墻內部結構三維超模型，由數值計算，分析墻體內部的應力分布在波紋管內的貯水凍脹作用下所致的破壞狀態，逐一比對實際檢測結果，取一5 m長墻體作為有限元計算模型.計算模型包括波紋管、墻體、錨頭及灌漿體、預應力錨索及鋼筋等預應力體系構件，結合實體單元建模，合計形成135 360個六面體實體單元。

運用非線性有限元結合帶預設縫單元的方法進行數值模擬，以精準計算模擬內墻結構產生裂縫、裂縫延伸、形成貫通產生破壞的全過程，并據此計算結果推測立墻內結構物裂縫空鼓的演化過程。施加裂縫單元抗剪強度、抗拉強度，在墻內結構縫面應力達不到縫面強度時，此時縫的狀態是黏接，縫的傳力機制呈臨界狀態，與無裂縫是一致的；當縫表面的應力大于破壞強度后，縫面呈現被拉壞、剪壞狀態。

6.3 數值模擬分析結果

模擬結果顯示，在多孔隙同時被凍脹時，凍脹≥0.06%，結構物兩端裂縫開裂；當凍脹≥0.28%，結構物兩端裂縫貫通，中部裂縫延伸；凍脹≥0.4%，結構物兩端與中間裂縫貫穿，內部裂縫串連成片，匯成區域空鼓裂縫。由此推斷，立墻內部結構劈裂的主因，是冬季波紋管內積水經凍脹體積膨大。

7 結論

針對某農村調水工程的雙向混凝土立墻內部出現劈裂，運用沖擊映像法檢測原理，進行數據采集與檢測，據此結合帶預設縫單元有限元模擬結果，分析立墻構建物裂縫成因，結論如下：

（1）經鉆芯取樣驗證結果表明，沖擊映像法檢測技術有明顯優勢：不受混凝土鋼筋網與波紋管復雜構造與厚度的影響，在檢測預應力混凝土構筑物內部結構密致度缺陷等方面，易操作，精確率高，出結果快，分辨率明晰，檢測結果可靠。

（2）其缺點是需結合數值模擬計算，并借助少量取芯標定結果的基礎上予以檢評，后續需要制定由沖擊響應強度判斷內部缺陷的標準。

（3）裂縫成因表明，波紋管注漿密度不達標，波紋管內積水遇冬季低溫凍脹是立墻內部結構劈裂的主因。

該工程的施工者與管理者，應強化安全意識，嚴控波紋管注漿質量，杜絕管水積水發生，有必要對防波紋進行二次灌漿作業。

參考文獻

[1] 胡慶國，朱建偉.地震映像法在水運工程地質勘察中的應用[J].中國水運（下半月），2019，19（11）：267-268.

[2] 萬里，韓曉健，汪博，等.沖擊回波法識別混凝土缺陷試驗研究[J].混凝土，2012（2）：8-10.

[3] 龔衛鋒，馮少孔.沖擊映像法在混凝土無損檢測中的應用方法研究[J].水利與建筑工程學報，2018，16（2）：205-209.

[4] 馮少孔，黃濤，李海楓.大型預應力混凝土立墻內裂縫檢測與成因淺析[J].上海交通大學學報，2015，49（7）：977-982.

[5] 童廣偉，林大明，劉康和，等.地震映像法和瑞雷波法在某隧洞塌腔勘察中的應用[J].勘察科學技術，2021（4）：54-56+64.