冲击回波波动能量法在某水电站钢管脱空缺陷检测中的应用

李平宏，常兴兵，沈建民， 李 洪

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司工程实验检测分院,西安 710043;2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院,武汉 430070)

文章编号：1006—2610(2015)04—0031—04

冲击回波波动能量法在某水电站钢管脱空缺陷检测中的应用

李平宏1，常兴兵1，沈建民2， 李 洪1

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司工程实验检测分院,西安 710043;2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院,武汉 430070)

水工地下压力管道在施工过程中，钢管与外包混凝土之间容易形成脱空缺陷。以往通常采用冲击回波法对信号时域及频域进行分析，评价钢管与混凝土的脱空缺陷。由于压力钢管较薄，信号识别与分析较为困难，影响该方法的应用。文章介绍了采用检测冲击回波波动能量的方法进行钢管缺陷评价的原理、方法及应用实例，弥补了冲击回波法采用时域及频域信号进行缺陷判定方法中的不足。

冲击回波;钢管;波动能量;脱空缺陷

0 前 言

冲击回波法是基于瞬态应力波的反射原理，也称脉冲回波法。冲击回波波动是利用瞬时的机械冲击(用一个小钢球或小锤轻敲)产生低频应力波，被导入到混凝土结构内部的低频应力波会被缺陷或构件的界面反射回来。应力波在由构件和内部缺陷所构成的多重界面之间来回反射就能引起结构的瞬态共振，通过分析冲击回波信号的时域和频域信号，确定混凝土内部缺陷的深度和混凝土构件的厚度。冲击回波法的检测结果能反映测点处混凝土内部的质量情况，并且该方法只需单面检测，测试过程简便、快捷，克服了超声波法两面布设传感器的弱点。行业内普遍认为，冲击回波法是“非常有发展前途的现场检测方法之一”。

以往对冲击回波法的研究与应用主要是通过分析冲击回波中时域内的反射信号，结合信号频率分析进行混凝土板厚度、裂缝等方面的判定。然而对于钢管混凝土衬砌的结构特点，高压管道的钢板一般较薄，厚度在20～60 mm之间，冲击回波信号难以有效识别，无法用冲击回波的时域和频域分析判断钢管的脱空缺陷，使该方法的应用受到了一定的限制。

目前，通过冲击回波法的波动能量计算与分析，可以快速判定钢管混凝土的脱空缺陷，为冲击回波法的应用开辟了一条新的途径。本文通过应用实例，说明波动能量分析法在水电工程钢管脱空缺陷检测中的应用效果。

1 检测基本原理

钢管表面在冲击作用下激发的应力波，一部分应力波将沿钢管表面扩散传播，另一部分将穿透钢板向混凝土内部传播。由于钢管与空气(或水)的波阻抗差远大于钢管与混凝土的波阻抗差，因此在钢管与混凝土紧密接触的脱空区域，应力波将产生不同强度的反射波，使钢管表面的质点振动能量有所改变，因此可判断钢管与混凝土是否存在脱空缺陷以及脱空缺陷的严重程度。

钢管表面在冲击作用下将产生多次谐振波信号，对于单一频率的平面谐波，钢管表面激振点附近的质点振动速度为：

(1)

式中：v为质点振动速度；A为质点位移峰值；ω为角频率；t为信号采样时间；x为接收点与振源的距离；u为应力波传播速度。

单一频率谐波单位体积的动能为：

(2)

式中：ρ为介质密度。

单一频率谐波在T时间内通过单位体积的总动能为：

(3)

假定接收点的直达波能量为E1，反射波能量为E2，则该点波动总能量为：

E=E1+E2

(4)

对于相同结构的钢管混凝土管，在相同的激发能量和激发条件下，距激发点相同距离的各接收点的直达波能量应基本一致。由式(4)可知，接收点波动总能量的差异主要反映了反射波能量的差异，而反射波能量与是否存在脱空缺陷有关，因此通过检测钢管的冲击回波波动能量可以判定钢管的脱空缺陷情况。

2 资料整理与分析

对钢管冲击回波检测资料进行整理分析。

(1) 将测线上全部各测点的冲击回波波形逐点按顺序排列，形成波列图，根据波幅的差异程度定性判断钢管混凝土的脱空异常。

(2) 计算各测点的冲击回波能量，计算公式见式(3)，本过程采用专业软件完成。

(3) 确定基准测段的波动能量平均值、均方差与临界值。

波动能量平均值：

(5)

均方差：

(6)

脱空异常临界值：

(7)

脱空缺陷指标：

(8)

(4) 绘制波动能量曲线图。

(5) 根据脱空缺陷指标，结合冲击回波波列图综合判定脱空缺陷及严重程度。依据极限误差理论，波动能量临界值为各基准测区所有测点波动能量的平均值加3倍均方差。将各测点的波动能量与波动能量临界值相比较，根据比较结果判定钢管是否存在脱空缺陷及其脱空程度。评判标准见表1。

表1 钢管冲击回波检测脱空缺陷定性评判标准表

3 应用实例

某大型引水式水电站厂区枢纽工程主要由上游调压室、高压管道、地下厂房系统、尾水隧洞、尾闸室以及尾水出口等建筑物组成。其中高压管道由钢筋混凝土管道和压力钢管2部分组成，高压管道采用单机单管布置方式。压力钢管段断面为圆形，内径为6.50m，混凝土衬砌回填厚度为0.60～1.05m，与机组蜗壳延伸段相接。其中，8条钢管等长布置，长度为118m。

按照一般施工经验，高压管道在衬砌接触灌浆之后，在水泥干缩及重力作用下，其下断面120°范围内，容易在钢管管壁与混凝土之间产生脱空，根据业主方的要求，在高压管道下平钢管段采用冲击回波法进行脱空缺陷检测，以确保施工质量。针对冲击回波法在本水电工程的2号高压管道中的应用效果进行一些探讨。

3.1 工作布置

依据合同文件及业主方的检测要求，在高压管道下半断面90°范围内布置了3条测线，即左拱脚、右拱脚各1条、底板1条。测线位置见图1所示。

图1 高压管道下平段钢管混凝土冲击回波检测工作布置示意图 单位：mm

3.2 外业检测

沿每条测线，在钢管表面布置激发点与接收点，现场检测采用单发单收的共偏移观测方式进行逐点检测，检测偏移距与测点间距相同，取0.2m。每完成一个测点的信号采集后，同步移动激发点与接收点，进行下一个测点的检测，直至完成整条测线的测试工作。现场检测方法见图2所示。

图2 钢管冲击回波法检测工作示意图

在正式检测前，必须选择接触灌浆质量好、钢管与混凝土接触紧密的区域作为基准测试区，通过基准测试区确定脱空缺陷临界值。本次检测确定的试验基准测区：① 管(2)0+141.2m～0+146.0m底板；② 管(2)0+116.2m～0+121.0m底板；③ 管(2)0+111.2m～0+116.0m底板。基准试验区冲击回波检测典型波列见图3所示。

图3 基准试验区冲击回波检测典型波列图

3.3 检测成果

3.3.1 波列图

将各条测线上所有测点的冲击回波波形逐点按顺序排列，形成波列图。图4为2号高压管道下平段右拱脚测线(169.6～161.0m)冲击回波检测典型波列图，从图中看出，圆圈区域内的波幅与基准区域的波幅值有明显的差异，从而可以初步定性判断钢管混凝土存在脱空缺陷。

图4 2号高压管道下平段右拱脚测线冲击回波检测典型波列图

3.3.2 波动能量曲线

采用专业软件，对测线上的每个检测点计算波动能量，并将左拱脚、底板、右拱脚3条测线上各测点的能量绘成波动能量变化曲线图。图5为2号高压管道管(2)0+160m～0+170m段钢管混凝土冲击回波检测波动能量变化曲线图。

图5管(2)0+170 m～0+160 m冲击回波波动能量变化曲线图

图5中，横向虚直线为通过基准试验区测试取得的波动能量临界值Er；竖向虚直线为每节高压管道的焊缝位置。从图5中看出，对于大于波动能量临界值的测点，可以确定钢管脱空缺陷的位置，结合表1脱空缺陷定性评判标准，可以判断出其脱空的严重程度。

对比图4与图5中的结果，可以看出，在管(2)0+170m～0+160m之间，图4波列图反映的异常与图5中的波动能量变化非常统一，脱空异常较为明显。经了解，当时此处回填，但未进行接触灌浆。

特别指出，图5中，在每个焊缝处，3条测线的波动能量均超出了临界值Er，即δ>1。此为钢管焊缝引起的直达波能量突然增大，而非脱空缺陷，在资料解释时应预以区分。

3.3.3 脱空缺陷统计

根据测线上各点的波动能量，按表1的脱空缺陷评判标准，2号高压管道3条测线上所检测出的缺陷位置见表2所示。

(1) 左拱脚测线有9处脱空缺陷，其中较严重脱空缺陷1处。

(2) 管底测线脱空缺陷为最多，为15处，其中较严重脱空缺陷3处。

(3) 右拱脚测线有7处脱空缺陷,其中较严重脱空缺陷1处。

表2 2号高压管道冲击回波检测脱空缺陷位置统计表

3.4 检测成果验证

2号高压管道共检测出脱空缺陷31处，其中绝大多数脱空长度20～60cm，个别测点处长度达到100cm以上，由于对检测工作量有约定，对测线上脱空缺陷区的宽度未进行进一步检测。

为了解钢管脱空缺陷的离隙程度，同时尽量不破坏压力网管的整体结构，最终只选择了1个钻孔验证，在管底测线管(2) 0+167m～170m处进行开孔，经检查，该处脱空为5mm。此洞段为横通洞交叉段，在检测后进行了接触灌浆。

4 改进方向

从检测成果看，目前采用冲击回波波动能量方法进行钢管脱空缺陷检查，主要以定性判断缺陷为主，缺陷检测的准确性与工程指导的意义受到一定的局限，今后需努力的方向：

(1) 建造实验模型及不同大小、形状的脱空缺陷，对本方法检测的各个环节进行更深入研究；

(2) 对模型中的缺陷进行不同介质的充填(空气、水、泥浆等)，并进行波动能量检测，通过实验建立能量与缺陷介质、规模的相关关系曲线，使该方法从定性向定量方向发展。

(3) 结合实际施工工程，通过实验在检测之初建立相关关系，提供更有参考价值的检测资料。

5 结 语

利用检测冲击回波波动能量的方法进行钢管脱空缺陷检查，克服了检测信号中时域内难以识别有效信号的缺点，具有无损、简便、快速的特点。为了不破坏钢管的整体结构，本次检测结果虽然未经系统性验证，但本方法检测结果中，管底沿线的脱空比两侧拱脚处的脱空严重，符合工程施工的一般规律，其检测的优点是显而易见的。由于该检测方法尚在初步应用阶段，对脱空程度仅能提供定性的判定，难以提供定量数据。随着物探技术的不断发展，并通过广大同仁的共同努力、共同研究，相信该方法在水电工程检测中必将发挥更大的作用。

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Application of Fluctuation Energy Method of Impact Return Wave in Detection of Penstock Cavity

LI Ping-hong1, CHANG Xing-bing2, SHEN Jian-min2, LI Hong1

(1.Engineering Experiment and Detection Branch, Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710043,China;2.Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430070,China)

Cavity between penstock and external concrete envelopment easily occurs in penstock construction. Conventionally, the impact return wave method is applied for analysis of time and frequency ranges of signals to assess the cavity between penstock and concrete. As the penstock wall is thin, it is difficult to identify and analyze signals. The method application is affected. In this paper, principle, methods and practice of application of the detection of the fluctuation energy of the impact return wave to assess the penstock defect are introduced. It enriches the impact return wave method in terms of time and frequency ranges for defect determination.Key words: impact return wave; penstock; fluctuation energy; cavity defect

2014-08-26

李平宏(1964- )，男，甘肃省宁县人，高级工程师，从事工程物探检测与测试工作.

TV698.15；TG115.28

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.008