脉冲回波法在水电站蜗壳脱空检测中的应用

熊中博，江玉龙

（1.大唐雅安电力开发有限公司，四川 雅安 625500；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

脉冲回波法在20世纪50年代开始被开发研究，其基本原理是根据弹性波在物件内部产生振动的共振频率，计算缺陷位置及物体厚度。20世纪80年代末，美国的M.Sansalone和N.J.Carino在频率域对冲击反射回波进行分析研究，取得了突破性进展，使该方法进入实用阶段。加拿大的马尔霍察在1984年国际现场混凝土无损检测会议论文集的综述中，曾把脉冲回波法列为 “最有发展前途的现场检测方法之一。我国在20世纪80年代中期，开始了声波 （又称应力波）反射法基桩完整性检测的研究开发与应用，南京水利科学研究院对此项技术进行过一定的研究工作。本文简要介绍了脉冲回波法在亭子口水电站蜗壳脱空情况检测中的应用研究工作。

1 亭子口水电站蜗壳脱空检测目的

亭子口水利枢纽工程设计坝型为混凝土重力坝，主要建筑物由挡水建筑物、泄洪建筑物、发电建筑物、通航建筑物和引水建筑物等组成。水库正常蓄水位458.00 m，总库容40.67亿m3，最大坝高113 m，坝顶长995.4 m。左岸布置坝后引水式厂房，装机4台，装机容量1100 MW。

为保证蜗壳外包混凝土浇筑饱满，蜗壳外包混凝土底部首先采用常规的泵送混凝土浇筑，并形成倾向蜗壳中心的斜坡，浇筑至距离蜗壳底部90 cm左右位置，采用坍落度为25～27 cm的高流态自密实混凝土，退管法浇筑，当混凝土与蜗壳底部相接后，采用环向预埋的泵管向座环、蜗壳阴角部位泵送高流态混凝土。对于蜗壳底部确实难以浇筑密实的部位，埋设灌浆管，灌注水泥浆回填密实。

蜗壳部位受力复杂，要求回填混凝土与钢衬之间必须紧密结合。由于受现场施工条件及混凝土干缩等因素制约，钢衬混凝土施工过程中形成脱空缺陷难以避免，因此需在钢衬和混凝土接触部位预埋回填灌浆管路后期对脱空区域进行回填灌浆。由于钢衬混凝土脱空缺陷属隐蔽工程，仅依靠施工、监理单位对施工过程的监督管理及采用传统的敲击检查难以准确掌握脱空范围及脱空深度情况。为定量掌握蜗壳与外包混凝土间脱空区域的具体情况，判定接触灌浆完成后其脱空情况是否满足相关规程规范要求，需对蜗壳与外包混凝土间脱空区域分布范围、面积及深度等进行检测。

2 检测原理及方法

2.1 检测原理

传统用于检测钢衬混凝土脱空缺陷的锤击法、中子无损检测法、内窥镜法、钻孔法等均存在一定的不足之处，如锤击法凭感官经验，中子无损检测法需要放射性源，内窥镜和钻孔法属破损检测方法。冲击回波法弥补了前三种方法的不足，是一种简便、准确、有效的钢衬混凝土管施工质量无损检测方法。脉冲回波法是基于瞬态应力波的反射原理，能快速检测混凝土结构构件的厚度以及孔洞、蜂窝、裂缝等缺陷，测量的物理量为纵波速度、面波速度、衬砌振动频谱。纵波和面波速度反映混凝土强度，波形及频谱特征则反映衬砌结构的完整性。

采用脉冲回波法测试时用小钢球或以其他方式敲击 （冲击）结构表面，产生短暂的脉冲冲击力，用以产生脉冲应力波，在应力波向结构内部传播过程中，当碰到缺陷或波阻抗界面时，会产生反射应力波 （冲击回波），反射应力波在结构表面与缺陷或底界面间发生多重反射，或引起瞬时共振状态，通过分析冲击回波信号的时域和频域曲线，检测结构的厚度，或判定结构是否存在缺陷及缺陷所在位置。

钢衬混凝土检测的基本原理为:钢衬表面在冲击作用下产生多次谐波信号，对于单一频率的平面谐波，钢衬表面激振点附近的质点振动速度为

式中，v为质点振动速度，V0为质点振动峰值，ω为角频率。

单一频率谐波的波动动能为

单一频率谐波信号在T时间内的波动总动能为

在钢衬表面激发应力波，一部分应力波沿钢衬表面扩散传播，另一部分能量穿透钢衬向混凝土传播，在钢衬与混凝土界面，或钢衬与空气 （或水）界面，应力波将产生不同程度的反射，反射波叠加在直达波之上，使质点的波动能量有所改变。假定接收点的直达波能量为E1，反射波能量为E2，则该点的波动总能量为

在同样的激发能量与激发条件下，距激发点相同距离的各接收点的直达波能量基本一致，从式（4）可知，接收点波动总能量的差异反映了反射能量的差异，而应力波反射能量的大小主要与钢衬的结构及是否存在脱空等缺陷有关，因此可以通过检测钢衬的冲击回波波动能量来判定钢衬的脱空缺陷情况。

2.2 检测方法

本次检测采用HX-SY02A非金属声波仪，激振源为高能超磁致伸缩发射源，接收传感器使用高频响应良好的加速度计，以黄油作耦合剂。

测试中仪器设置参数及激振源发射电压保持不变，以保证每次激发输出的激振能量一致，接收条件一致，使所测信号具有可对比性。

2.2.1 钢衬应力波速度测试

在钢衬安装之前，在钢衬外表沿轴向进行钢衬应力波速度测试。若没有此测试条件，则在现场找其他未安装钢衬或已安装的钢衬表面进行测试。测试时，将平面声波发射换能器固定，以10 cm的间距沿直线移动接收换能器，测试各点声波旅行时间，测试8～12点，根据各点的距离与旅行时间计算钢衬应力波速度。

2.2.2 混凝土应力波速度测试

在钢衬模型浇筑充填混凝土时制作3～5块标准试块，试块尺寸为150 cm×150 cm×150 cm，利用平面声波换能器测试试块的声波波速。

2.2.3 应力波反射系数分析

在钢衬与混凝土紧密结合的情况下 （质量完好），应力波反射界面为钢衬与混凝土的接触界面；当在钢衬与混凝土之间脱空的情况下 （缺陷），应力波反射界面为钢衬与空气或钢衬与水的界面。根据应力波反射原理，可计算出在钢衬与混凝土接触界面存在缺陷或无缺陷情况下的应力波反射系数，见表1。

表1 不同反射界面反射系数计算

由表1可知，不同界面的幅值反射系数和能量反射系数差异较大，当钢衬脱空时，其反射波系数远大于钢衬与混凝土紧密接触 （无脱空）情况，容易形成多次反射，故在钢衬表面测到的应力波能量将显著增加。

2.3 脱空评判方法

在钢衬混凝土冲击回波检测时，测点冲击回波能量不仅与激发能量、偏移距、接收仪器、传感器以及设置参数有关，而且与钢衬混凝土结构及是否存在脱空缺陷有关，因此在每次检测前均应通过试验确定临界值。

临界值测定一般选择在钢管的底部，该部位钢衬与混凝土能够紧密接触，在该部位选取3～5个基准测区，设定同样的激励电压、偏移距及接收系统参数，在每个测区检测20点，经分析统计，以各基准测区所有测点波动能量的平均值加3倍均方差作为临界值。若改变激发、接收条件，也应通过试验重新确定临界值。

将各测段的波动能量水平，与波动能量评判值相比较，根据比较结果判定钢衬混凝土是否存在脱空缺陷及其程度。评判标准见表2。

表2 钢衬混凝土冲击回波检测脱空缺陷评判标准

3 测线布置

考虑到蜗壳结构的特殊测性，亭子口水电站蜗壳测线布置按蜗壳分块布置。每个蜗壳共分28块，编号分别为1-1～1-28。每块按0.5 m×0.5 m网格状布置，共布置测线132条，测点1916个，测试长度958 m。对普查后发现的疑似脱空部位按0.25 m×0.25 m网格加密检测，加密检测的测点数量和测试长度依各个部位脱空比例的大小而不同。检测时沿测线方向上布置激发点与接收点，采用单发单收共偏移观测方式，激发源采用恒定源。为便于现场测试，偏移距离与点距相同。在完成测点的信号采集后，同步移动激发点和接收点，进行下一个测点的测试，直至完成整条测线的测试工作。

4 检测结果分析

检测中，先进行基准 （未脱空及脱空）参数测试。资料处理时，需要将所测数据与基准参数及灌前参数进行对比分析来判断蜗壳脱空情况。

对蜗壳基准参数进行频谱分析，根据其频谱特征，蜗壳脱空程度划分为未脱空、轻微脱空及严重脱空 （见图1）。未脱空的脉冲回波信号的频率主频单一，主频42 kHz附近。轻微脱空的频率特征是主频向小的方向移动，出现双峰或者多峰，其脱空深度一般不大于1 mm，最大不超过3 mm，大多属于接触不良或浆液萎缩，相应的可灌性较差；严重脱空的频率特征是主频比较单一，小于20 kHz附近，其脱空深度一般大于3 mm，大多属于浆液萎缩严重或浇灌质量不好，可进行重灌处理。

图1 基准参数波形、频率特征示意

亭子口水电站4台机组均进行了蜗壳灌前灌后的脱空检测，其检测成果见表3。表3中脱空率是指相对回填灌浆面积，灌后脱空情况均达到严重脱空面积小于3.7%，且单个面积不 大于0.2 m2。

表3 蜗壳混凝土脱空情况汇总

5 结 语

脉冲回波法应用在电站厂房蜗壳与混凝土脱空检测中，操作简单，稳定可靠，检测速度快，精度高，数据处理方便；该检测法可将蜗壳钢板与其外包混凝土间脱空区域分布、面积及深度进行详细展现，为下一步处理和后续施工提供了科学依据。为防止蜗壳灌浆后，仍有脱空的面积或深度不合格，建议蜗壳在设计制造时，预留接触灌浆孔，采用堵头封堵。

［1］李电波.脉冲回波法和探地雷达在地下洞室混凝土衬砌质量检测中的应用［C］//中国水力发电工程学会地质及勘探专业委员会中国水利电力物探科技信息网2012年学术年会论文集.北京，2012.

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