脉冲回波法在水闸底板脱空检测中的应用

刘俊青， 殷振兴

(江苏省淮沭新河管理处， 江苏 淮安 223005)

水闸在水利水电工程中发挥着极其重要的作用，水闸底板与基础在服役过程中的脱空病害严重时甚至会影响整个水闸的安全运行。尤其在高水头、长闸室、有压状态中，长期受到水荷载反复作用下，水闸混凝土底板下土石结合部脱空对水闸长期稳定、使用功能正常发挥及外观均会产生较大影响。为了确保水闸的健康安全运行，对混凝土板下土石结合部脱空无损检测是非常重要的环节。目前，有多种对混凝土底板下病害的无损检测方法，如：地质雷达法[2-3]、声波法[4-5]等。由于混凝土水闸底板中存在石子颗粒，会对声波产生较强的反射作用，干扰回拨信号，导致声波法难以用反射法分辨底部脱空状态。而探底雷达发射出的电磁波在地下传播时不仅受钢筋的影响较大，而且波形图谱处理时亦较为繁琐。水闸底板设计混凝土较厚、钢筋间距小，布设双层钢筋等特点，这限制了许多无损检测方法，而脉冲回波法在水闸底板脱空检测中的应用却鲜有报道。基于此，依托某实际水闸工程，结合该水闸自身的特点，研究了脉冲回波法在闸底板下土石结合部脱空检测的适用条件及检测效果。

1 脉冲回波法基本原理与注意事项

1.1 脉冲回波法基本原理

脉冲回波法是应用于工程中的一种无损检测技术，其基本思想是通过机械冲击在被检测物体表面施加一高频率应力产生应力波，机械波在传播途中遇到缺陷界面产生反射，基于弹性波在物件内部产生振动的共振频率差异以判断脱空状态。机械产生的冲击波由纵波、横波以及瑞利波组成。其中，纵波与横波是沿圆形波阵面进入探测体，而瑞利波是沿表面传播。当纵波在传播途中遇到病害或介质的接触面时，由于波阻抗差异，波会在这些病害或者接触面发生反射，脉冲回波探测基本原理示意图见图1。随着病害或者接触键两侧的波阻抗差异的增大，其反射亦呈增强趋势。接收这种反射回波并开展频谱分析，根据主频峰值的变化来判断波阻抗突变的病害或边界。

图1 脉冲回波探测基本原理示意图

在不同材质接触界面及缺陷产生反射，通过对频谱分析求得其峰值的频率f。便可计算出病害的埋深h，计算公式为

(1)

式中:v,f分别为已知波速和频谱图波峰值。

1.2 注意事项

为满足检测要求及检测精度。震源选择等注意事项显得尤为重要。

1.2.1 震源选择

检测所用的仪器为Doctor脉冲回波仪，脉冲回波仪主要包括震源，显示器以及探头，该仪器携带轻便、操作简单，具有数据、波形存贮与现场数据处理等功能。殷建武等提出脉冲力持续时间长些，震源的选取时分别考虑了尼龙头、铝头与硬橡胶3种不同材料，试验对比结果表明：其脉冲力的持续时长为铝头<尼龙头<硬橡胶，而得到的力谱宽度为铝头>尼龙头>硬橡胶。为此，当低频率波较多，传播深度大时，可选用尼龙头材料所制作的物件。反之，对于脉冲力的持续时间段，频率较高，判断缺陷具体位置时，可选用刚性的小锤、钢球等材料。

考虑到水闸底板一板不超过2.00m及水闸底板混凝土检测环境。在进行脉冲回波检测土石结合部脱空试验和进行现场检测时，为满足探测要求及探测精度。震源选择半径为20mm钢球较为合理。

在使用钢球触发机械波时，为提升探测数据的精确度与合理性，需对探测界面开展清理与平整处理。此外，每次测量时尽量保持钢球的位置从相同高度垂直下落。

1.2.2 其他注意事项

(1)接受探头放置时应尽量减少对接收装置与混凝土板间介质的影响。如，可选用涂抹薄层黄油使得探头与混凝土板接触度较紧密，提升了二者之间的传递性能，从而使得测量接受信号更加精确。

(2)对混凝土波速开展多次实测，将多次实测结果平均值作为波速的设定值。放大倍数由现场采样根据预测试时的波形线决定。

(3)取多次测量结果中最为精确的一条波形线，将其作为应力波反射法所采集波形。选取时宜选用能够真实反映水闸底板的实际情况的波形，不宜选取含刺状波形或振荡波形，并且选择的波形最终需回归基线。

1.3 检测脱空状态判别方法

为了得到脱空状态的判别方法，利用混凝土薄板模型开展了脉冲回波法实验，得出判据如下：

(1)波形

脱空状态下所用脉冲回波仪接收波形较为参差不齐，产生峰值的频率亦不均匀；而非脱空情况时接受的波形峰值产生的频率趋于稳定，且波峰之间的相位差较小。因此，通过接收波形可以较为明显的判别脱空与非脱空板。

(2)主频

非脱空板状态下所用脉冲回波仪接收的主频信号比脱空状态下接收的主频信号高，表征脱空状态下，反射波与入射波二者叠加之后出现的波形频率不大，这与脱空仪器原始波形能够保持一致。因此，基于测点的接受信号的最大主频亦可判别测点附近位置的混凝土板的脱空状态。

(3)发射波时域图与频谱图

时域反射波形图需将原形波形先通过信号增益、滤波处理，再除以最大峰值得到的波形图。脱空状态下混凝土薄板的反射波形幅度较大，波形较为参差不齐，峰间差值变化较小。

频谱图则是通过傅立叶离散变换处理得出的。脱空状态下接收信号比非脱空状态下接收信号能量相对较大。此外，出现病害的区域，其测试信号频率会增大。

2 工程实际应用

2.1 水闸底板概况

某水闸是集引水及排水与一体的节制闸，闸室采用标号为C30的钢筋混凝土整体坞式结构，其闸槛标高为-1.00m，闸室长、宽分别为30.00m、34.40m，共1孔，闸孔净宽为20.00m，底板厚约2.00m，水闸底板上、下游侧的齿坎底高程均为-5.73m，底板下设置0.10m厚标号为C20的素混凝土垫层；底板底高程约为-4.93m，闸底板坐落于③层为淤泥质粉质粘土上，土的状态为饱和、流塑、高等压缩性，其地基承载力约为60kPa，C=11kPa，φ=17.00，渗透系数为4×10-6cm/s；以下为④层淤泥质黏土，层均厚为6.30m，饱和，流塑，高等压缩性，地基承载力为45kPa，C=9kPa，φ=110。水闸平面布置见图2。

图2 水闸平面布置图

2.2 现场探测

从出口向进口方向走，间隔5cm测试，测点数为60个，测线长度3m。测线布置见图3。

图3 测线布置

通过现场探测可知，随着探测深度的增加，检测结果精度呈减小趋势；脉冲回波法较易适合薄混凝土板(≤2.00m)的土石结合脱空检测。选择其中的25个测点的时域图见图4、图5。

图4 测点15到测点25的时域波形图

图5 测点35到测点48的时域波形图

图4、图5中虚线位置为出底板反射波位置，半径20mm的小球作为震源，由图可知，底板反射波位置各测点所测数据整体上浮动较小，少量测点的波形图出现异常波动情形，其原因可能为闸底板表面不光滑产生的。噪音对脉冲回波仪的影响较大，选择合适的触发方式十分重要。通过测试结果能够从同相轴大致判别出水闸地板与土体结合部界面的反射波位置，波形整体变化幅度较为平缓，因

此，可得出所测得的测线的底板混凝土较为均匀，该闸地板与土体无脱空。

3 结 论

(1)对于水闸底板一板不超过2.00m及水闸底板混凝土检测环境。在进行脉冲回波检测土石结合部脱空试验和进行现场检测时，为满足探测要求与探测精度。震源选择半径为20mm钢球较为合理。

(2)病害探测结果显示该水闸底板脉冲回波探测段无脱空。噪音对脉冲回波仪的影响较大，选择合适的触发方式十分重要；随着探测深度的增加，检测结果精度呈减小趋势；脉冲回波法较易适合薄混凝土板(≤2.00m)的土石结合脱空检测。