水工混凝土裂缝深度检测的能比衰减法研究

范泯进，朱燕梅，沙 椿

(四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川 成都 610072)



水工混凝土裂缝深度检测的能比衰减法研究

范泯进，朱燕梅，沙 椿

(四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川 成都 610072)

水工混凝土裂缝发育深度一般较大，常规的超声波单面平测法、双面对测法和钻孔跨孔声波法等均存在一定的局限性。为提高无损检测水工混凝土裂缝深度的能力，以弹性波传播理论为基础，通过大量研究和试验提出了裂缝深度无损检测的能比衰减法。详细介绍了该方法的检测原理、设备、测线布置方案和数据采集、处理流程。结果表明，能比衰减法与跨孔声波法在针对某水电站大坝裂缝进行的对比试验中仅相差1.67%。

能比衰减法；混凝土；裂缝；无损检测

1 引 言

水工混凝土裂缝深度检测常用超声波单面平测法、双面对测法和钻孔跨孔声波法等，其中单面平测法、双面对测法是无损检测方法[1]。单面平测法检测时只需一个测试表面、易于开展，但有效检测深度为50 cm；双面对测法检测需两个平行测试表面，受工作现场混凝土结构严重制约，且当穿透距离较大时超声波能量衰减严重难于判断裂缝深度；而钻孔跨孔声波法检测精度高、探测深度大，但其依赖于在待测混凝土内开凿钻孔，其施工周期长，且对混凝土结构存在一定破坏[2-6]。因此，寻求一种探测精度高、深度大、不对混凝土造成二次破坏的混凝土裂缝深度无损检测方法是国内外长期以来的研究重点。

基于弹性波在混凝土内传播理论，通过对检测设备、测试技术以及计算方法的大量研究和试验，总结出一套水工混凝土裂缝深度检测的能比衰减法。该方法具有较高的检测精度，易于在水工混凝土表面开展工作，可作为混凝土裂缝深度无损检测新的参考手段。

2 基本原理

在混凝土表面锤击会产生含有多种成分的弹性波，其中Rayleigh波占有大部分波动能量。以Rayleigh波为主的弹性波在混凝土内的传播过程中，如果混凝土结构完整，其能量一般呈现指数衰减规律；而当遇到裂缝发育时，由于传播收到阻隔，只能通过衍射传播，导致跨缝接收能量急剧降低[7，8](图1)。能比衰减法由在混凝土裂缝两侧布置专用传感器，通过计算Rayleigh波在跨缝前和跨缝后能量比衰减变化情况来推定所测试混凝土裂缝深度。

图1 Rayleigh波通过混凝土裂缝能量变化示意图Fig.1 Schematic diagram of the Rayleigh wave through concrete crack

3 检测设备

3.1 信号激发装置

一般水工混凝土裂缝发育深度可达几米，要使弹性波传播通过裂缝底部再被表面传感器接收，就需要初始激发产生的弹性波具有较强能量。此外，为便于对弹性波跨缝前后能量比进行分析，还需要其具有较好的波形形态、较窄频谱范围以及尽量短的子波。通过对超声波发射器、电磁大功率发射机以及人工敲击信号的大量对比试验总结出，以人工敲击的方式可得到满足要求的波形，同时其设备轻便，利于在复杂工作面开展作业。

图2 专用设备与普通设备采集信号对比Fig.2 Display diagram of acquisition signal between special equipment and common equipment

然而，不同类型的敲击锤产生的信号频率、脉冲长度等存在较大差异，通过理论研究和大量试验研制的专用锤击器能避免多次波叠加，产生的波形信号形态好、脉冲短、振幅清晰。

3.2 信号接收传感器

能比衰减法检测裂缝深度需要同时采用两个信号接收传感器，一个布置于敲击点附近，另一个则沿测线按预定步长移动。由于Rayleigh波能量大、频率低，要求接收传感器具有较好的低频响应特性和较大的振动量程；又因为能比衰减法是通过分析两道传感器在不同距离接收信号的能量变化来计算裂缝深度，进而对信号传感器稳定性有较高的要求；此外， 由于锤击器产生能量大，可能导致传感器产生寄生震荡影响信号采集；为解决上述情况，开发了专用的高阻尼信号接收传感器。图2为专用信号锤击器、接收传感器与普通设备采集信号展示图。

4 检测技术

4.1 现场布置

能比衰减法测线需要垂直于裂缝走向布置(图3)，测线长度一般应大于待测裂缝深度2倍，因此在现场测试前应结合实际情况预估裂缝可能发育深度范围。测线布置时一般以测线中点布置于裂缝位置，于测线一端布置锤击点，于分别距锤击点10 cm和20 cm位置布置第1道、第2道信号采集传感器。锤击点和第1道传感器固定，每锤击采集一次信号，第2道传感器沿测线以固定步长(一般为5 cm、10 cm或20 cm)移动一次，直至整条测线测试结束。为确保每个测点能量测试的准确性，在进行现场测试时每个测点应取得3次以上重复测试数据。

4.2 数据处理

首先对每个测点第1道、第2道采集信号中Rayleigh波成分幅值能量进行计算，并分别记为E1、E2(dB)。然后将同一测点每次测得的E2与E1数值做比，能量比值为En=E2/E1；将每个测点重复采集所得能量比值做算术平均，并以此作为该测点能量比值。

图3 能比衰减法现场测线布置Fig.3 Arrangement diagram of measuring line in energy-attenuation method

将测线中未跨裂缝测点能量比数据按下式拟合，得出常数A、B值。

En=Be-AX

(1)

其中，A、B为常数；X为弹性波传播总路径长度(mm)；En为能量比值。

依据测线中各测点计算所得能量比值数据与拟合曲线绘制“能量比随收发距变化图”(图4)。

图4 能量比随收发距变化Fig.4 Diagram of energy changing with the receiving distance

1)对跨缝前测点能量比值按公式(1)进行拟合，得出常数A、B的值。

2)分析“能量比随收发距变化图”，确定跨裂缝后能量比值无明显变化时的“能量比稳定起点”位置，并将该位置与裂缝距离记为L2、该处能量比值记为En，将En代入公式(1)计算X值。

3)当遇到与混凝土表面近似垂向发育的裂缝，Rayleigh波在混凝内将通过衍射穿越裂缝。当穿越裂缝后的Rayleigh波能量比值稳定时，裂缝发育深度同1道、2道传感器与裂缝之间距离存在一定的三角关系(图5)，通过推导即可得出裂缝深度计算式为：

图5 能比衰减法混凝土裂缝深度计算关系Fig.5 Calculation diagram of concrete crack depth in energy-attenuation method

(2)

其中：H为裂缝深度(mm)；L1为第1道传感器距混凝土裂缝距离(mm)；L2为测点能量比稳定时第2道传感器距混凝土裂缝距离(mm)；X为弹性波在混凝土内部总传播路径长度(mm)。

5 研究试验

雅砻江流域某大型水电站大坝左岸1 814 m高程垫座平台混凝土浇筑养护期间，发现平台表面有裂缝出露，表面张开宽度约1.6 mm。考虑到该部位混凝土浇筑厚度超过4 m，常规无损检测方法难以测定裂缝最大发育深度，遂采用能比衰减法和钻孔跨孔声波法进行检测。

依据现场情况，布置跨裂缝并垂直于裂缝走向的能比衰减法测线1条，测线长4.0 m；其中，敲击点布置于0.0 m处，第1道传感器布置于0.4 m处，裂缝位于测线2.0 m处。此外，为进行跨孔声波法检测，于测线附近布置钻孔3个，孔深3 m，孔向近铅锤，呈三角形分布，孔间距离1.4～2.3 m不等。具体测线布置如图6所示。

5.1 能比衰减法检测

能比衰减法测线上相邻测点间距10 cm，每个测点重复采集数据3次。跨缝前与跨缝后测试波形典型曲线见图7。

图6 能比衰减法测线与钻孔布置示意图Fig.6 Schematic diagram of measuring line and drilling hole in energy-attenuation

通过拾取各测点采集原始波形中Rayleigh波幅值，并计算各测点能量比数据绘制“能量比随收发距变化图”。通过对能量比数据进行拟合(图8)，得出拟合公式为：

E=1.17e-0.69X

(3)

其中：E为能量比值；X为弹性波在混凝土内总传播路径长度(mm)。

分析数据可得，当敲击点与第2道传感器距离大于300 cm后，能量比值无明显变化，取此位置能量比值E带入拟合公式计算出总路径长度X，此后按公式(2)计算出裂缝深度为：H=236 cm。

5.2 跨孔声波法检测

对垫座平台布置的3个钻孔进行跨孔声波法检测，其中1#与2#钻孔之间为不跨缝检测，2#与3#钻孔之间为跨缝检测。

图9所示为2#与3#钻孔跨孔实测波形。通过与不跨缝波形对比可以得出，在孔深0～2.4 m之间，波形振幅较低，表示当前孔段声波能量衰减较大；而在孔深2.4 m以后，波形振幅明显变大，且后续深度波形振幅强度一致，未出现明显能量衰减情况。依据跨孔声波法判断裂缝深度标准，该处裂缝发育深度为2.4 m。

图7 能比衰减法测试原始波形典型图Fig.7 The typical diagram of measuring original wave form in energy-attenuation method

图8 能量比随收发距变化Fig.8 Diagram of energy changing with the receiving distance

图9 2#与3#钻孔跨孔声波实测波形Fig.9 Waveform diagram of measuring the sonic wave of drilling hole and cross-hole between 2# and 3#

经对同一部位混凝土裂缝发育深度分别采用能比衰减法和跨孔声波法检测，前者检测结果为2.36 m，后者检测结果为2.4 m，两者相差仅为1.67%。该结果显示能比衰减法检测混凝土裂缝深度具有较高准确性，且探测深度可达2.0 m以上。

6 结 语

混凝土裂缝深度检测能比衰减法具有设备轻便、探测深度大、准确度高等特点，特别适用于与测试平面近似垂向，且仅具有单一测试平面的大体积水工混凝土裂缝。在工程应用中，对能比衰减法跨缝后“能量比稳定起点”位置的确定应重视，该位置将直接影响裂缝深度计算精度。此外，由于受骨料不均匀性和施工条件影响，混凝土表面一般不平整，测试时需要将能比衰减法测线所经过部位打磨平整，并可根据需要在传感器和测试平面之间涂抹适量耦合剂。

[1]林维正.土木工程质量无损检测技术[M].北京：中国电力出版社,2008.

[2]DL/T5299-2013，大坝混凝土声波检测技术规程[S].北京：中国电力出版社,2014.

[3]朱金颖.混凝土弹性波测试技术的基础性研究[D].杭州：浙江大学,1997.

[4]姚德兀,李春生,沙椿.跨孔声波在检测混凝土裂缝深度中的应用[J].工程地球物理学报,2009,6(S1):103-105.

[5]沈建中,李宗津,张之勇.土木工程中的无损检测技术及其应用[J].无损检测,2000,22(11):497-500.

[6]吴永斌.浅析水工混凝土裂缝原因及应对措施[J].水利规划与设计,2013(4):75-77.

[7]刘江平,陈超,许顺芳.垂直裂缝的波场特征及实例[J].工程地球物理学报,2004,1(1):55-59.

[8]牛永田,吴子平,陈永彰,等.混凝土坝裂缝成因机理分析[J].水利技术监督,2004,12(3):40-42.

The Research of Energy-Attenuation Method on Depth Detection of Hydraulic Concrete Crack

Fan Minjin，Zhu Yanmei，Sha Chun

(SichuanHydropowerEngineeringInvestigationCo,Ltd,ChengduSichuan610072,China)

The developing depth of hydraulic concrete cracks is generally larger,and there are some limitations in conventional detection methods,such as the method of ultrasonic wave in single flat,double-faced test,acoustic wave from drilling hole or cross-hole. In order to improve the ability of nondestructive testing of concrete crack depth,energy-attenuation method,based on the theory of elastic wave propagation and having passed through a large number of studies and tests,is put forward. This paper introduces the detection principle,equipment,the scheme of line layout and data collection,processing flow. It turns out that the energy-attenuation method only differs by 1.67 percent from cross-hole sonic method in the comparison test of dam cracks in a hydropower station.

energy-attenuation method; concrete; crack; nondestructive test

1672—7940(2016)06—0799—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.018

范泯进(1985-)，男，工程师，主要从事水电水利工程物探勘测及检测方法技术研究与应用工作。E-mail：86675518@qq.com

P631.5

A

2016-04-14