基于弹性波场理论的水下闸底板脱空检测方法及应用

李松辉，张 龑，黄锦林，叶合欣，罗日洪

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；3.广东省水利水电技术中心，广州 510635)

1 概述

由于水闸大多在软基或砂基上进行建设，闸基础在长期运行过程中遭受水流冲击的影响，极易出现闸底断裂、不均匀的沉陷及泥沙淘蚀等病害问题[1-2]，导致底板极易产生脱空，且脱空现象在安全检测时难以辨别，导致水闸无法发挥正常使用功能，结构安全性能降低，对排涝防洪安全带来各种潜在的安全隐患[3-6]。检查出闸底板存在的脱空区域及程度，对保障水闸的安全运行意义重大。

国内外目前针对水闸底板脱空问题主要应用地质雷达、钻孔取芯和冲击回波等方法进行探测[7]。由于受到水和钢筋网的影响导致基于电磁波原理的地质雷达法适用性较差[8-9]；声振法无法定量测出脱空的大小[10]；钻孔取芯法属于有损检测，会导致底板受损[11]；但基于弹性波的方法可以避免上述方法局限性的干扰。同时该方法具有速度快，效率高，不受水和内部钢筋影响等优点[12]。该方法利用采集在检测对象表面施加的力所产生的弹性波，通过分析弹性波在介质内部传播过程中的响应波形及波形变化特征，判断病害现象。

本文基于力学弹性波方法，检测某长期运行水闸底板混凝土质量，具体分析了检测原理、测线布置以及数据处理方法，根据水闸底板的弹性波(横波)冲击相应强度分布及脱空缺陷判别标准，推断底板混凝土与下伏淤泥质粉质黏土的分界线，查明底板混凝土的疏密情况。

2 方法原理及仪器设备

2.1 方法原理

当击打介质表面时，在介质内部将激发弹性波动场，包括面波、纵波和横波等。弹性波由激发点在介质内部进行传播，传播过程中遇到介质内部缺陷时，波阻抗比的变化，导致能量、波形和频谱发生改变。介质表面的弹性波动场分布是介质内部结构在其表面的映射。当混凝土底板与地基之间存在脱空时，底板表面的弹性波动场分布特性将发生变化，包括能量特征、波形特征和频谱特征等。

可以把检测对象简化为1个层状半无限的介质模型，在其内部存在局部的缺陷部位(如图1所示)。通过理论分析，介质模型中的内部缺陷所形成的强反射界面，经过多次反射叠加后，介质表面所接收到的波形可用下式表述：

图1 力学弹性波方法基本原理示意

(1)

r(t)=(R,-R2,R3,-R4,…)

(2)

式中：

r(t)——反射系数序列；

R——内部缺陷界面的反射系数；

T0——弹性波在两界面间的双程反射时间。

由上述所列式(1)、(2)可知，推测介质内部缺陷情况可由接收得到的弹性波求得，其是由子波褶积和反射系数叠加的结果，如果震源子波已经知道，便可应用反褶积来求得反射系数，定量的推断反射界面两侧介质的波阻抗差值和介质内部的缺陷深度。在工程实际应用中，震源子波不易获取到，大多情况下，采用假定的方式来揭示内部构造的变化，从而来推断结构的内部缺陷特征。

2.2 检测仪器及其技术指标

力学弹性波方法的现场数据采集系统由数据采集仪、检波器和激发力锤所组成。本次研究所用仪器是国内DONGHUA公司的DH5981分布式动态信号分析系统、若干个100 Hz速度型垂直分量检波器和质量为500 g的钢质冲击锤组成的水下震源系统。具体参数和仪器设备见表1所列。

表1 仪器设备一览

2.3 方法有效性验证

图2所示为中山市某水闸底板脱空检测钻孔取芯结果与本文检测方法结果的对比，图2中4个钻孔都揭示不同程度脱空。

a 钻孔取芯断面

ZK1脱空0.36 m，与之相邻的闸室2外河侧有大片脱空区域(红色区域)，可推测该处脱空与闸室2外河一侧的脱空区域相连，与之相邻的闸室1内外河两侧以及闸室2内河一侧底板都存在较厚的淤泥，影响了检测结果，可合理推测，这些部分地板下亦存在疏松—轻微脱空；ZK3脱空0.40 m，与之相邻的闸室3和闸室4的底板显示为疏松—轻微脱空，由于钻孔附近缺少检测数据，因此，该处钻孔揭示的脱空与底板脱空区的关系不明；ZK5脱空0.26 m，与之相邻的闸室6和闸室7的底板检测结果皆显示外河侧地板下疏松—轻微脱空，因此可以推断，外河侧的疏松—轻微脱空区域延伸至6号闸墩底部，但内河一侧相邻部分的底板显示较密实，因此，推断该脱空病害未进一步向内河方向发展；ZK7脱空高度0.5 m，与之相邻的闸室8和闸室9的底板都显示大面积较严重脱空，两者对应良好。

3 工程概况

某水闸位于广东省佛山市，该水闸于2001年重建，工程等别按Ⅳ等设计，工程完成后片区内汛期易涝的局面得到显著改善，项目具有明显的社会效益和经济效益。水闸设计洪水位为6.33 m，相应内水位为1.0 m，设计水位差为5.33 m，堤顶高程为7.83 m，涵洞底面板高程为-1.0 m，防洪闸门采用平面钢板型，启闭机采用固定式QPQ形式，地基采用Ф400预制砼管桩，水闸共设6孔涵洞，单孔净宽为4 m，孔高为4 m，涵洞段总长度为37.5 m，底板厚为500 mm，底部设100 mm的C10砼垫层(见图3)。

图3 广东省佛山市某水闸鸟瞰示意

4 检测过程及数据分析

4.1 测线布设

待检测水闸共设6孔相同尺寸涵洞，单孔净宽为4 m，总宽为26.9 m，长为37.5 m。为实现水闸底板全面检测，检测测线及测点布置见图4。以水闸涵洞①靠近外河侧右岸底角作为坐标原点，定义垂直闸门方向为X轴，沿外河至内河方向为X轴正向，平行闸门方向为Y轴，水闸涵洞①～涵洞⑥方向为Y轴正向。沿X轴共布设41条测线，除靠近内外消力池的四条测线间距为0.5 m外，其余测线间距为1.0 m，第1条测线L1的横坐标为0.5 m，第2条测线L2的横坐标为1.0 m，依次类推，第41条测线L41的横坐标为37.0 m。每条测线设置48个检测点，检测点间距0.5 m。第1个检测点的纵坐标为0.25 m，第2个检测点的纵坐标为0.75 m，考虑闸墩的厚度后，依次类推，第48个检测点的纵坐标为26.65 m。

图4 测线与测点布置示意

4.2 采集参数

数据采集参数设定见表2。

表2 数据采集参数

4.3 数据采集步骤

待测线标记完成，连接好仪器设备后，力学弹性波方法沿布置测线采用机械方式击打检检测物件表面，以在检测物件内部产生弹性波动场。采用500 g圆顶铁锤进行信号激发，震源偏移距0.5 m处用检波器接收检测物件表面的弹性波动，然后保持偏移距、击打方向和击打力度不变，将激发检波系统移至下1个检波点，每1个检测点采集工作完成后，移动检测系统至下1个检测点，上述操作重复进行至单条测线数据采集完成(如图5所示)。

图5 测线标记与数据采集示意

4.4 数据分析处理方法

数据分析处理的流程见图6，其具体步骤可分为对采集数据进行编辑、滤波及转换，并将相关信息按特定形式进行表现，主要分为数据预处理、归一化、波形处理、波场分离机生成缺陷相应分布平面图等。

图6 力学弹性波方法数据处理流程示意

4.5 缺陷判别标准

严格来讲，冲击响应强度划分标准的设定应结合数值模拟和钻孔取芯结果来划定，由于本项目未开展钻孔取芯工作，因此只通过理论计算来获取冲击响应强度与缺陷范围的对应关系。

本次检测结果通过缺陷平面分布图来表示，图像通过彩虹色来表示底板脱空严重程度，颜色越深，表示病害程度越严重，颜色越浅，表示病害程度越低。底板的标准化冲击响应强度分为1.0～1.5、1.5～2.0、2.0～2.5和2.5以上4个等级，对应底板下密实状态分别为“密实”、“疏松”、“轻微脱空”和“脱空”。本文对检测结果位置的描述采用(纵坐标区间，横坐标区间)的形式，坐标原点及测线测点移动方向见4.1节。

4.6 检测成果分析

检测结果由冲击响应强度平面分布图反映底板下脱空情况(如图7所示)，根据各孔水闸底板的弹性波(横波)冲击响应强度分布以及4.5节给定的脱空缺陷判别标准，可准确推断各水闸底板下的脱空状况。

图7 水闸底板下密实状况平面分布示意

从图7中可以看出：

1)涵洞①闸门外河一侧底板整体显示为主体密实和部分疏松的状态，闸门内河一侧夹杂小部分的轻微脱空和脱空区域，其中内河后半段情况较前半段严重，另外，部分脱空点位(如10 m处)与相邻涵洞形成贯通。

2)涵洞②闸门外河一侧底板整体显示为密实和疏松状态，闸门内河一侧底板密实区域最大，疏松区域次之，并夹杂小部分的轻微脱空和脱空区域，内河后半段情况较前半段严重。另外，部分点位与相邻涵洞形成贯通。

3)涵洞③较其他涵洞疏松区域更多，靠近两侧墙体和中间位置底板出现部分显示为脱空区域，并由该区域向外延伸扩散为轻微脱空和疏松状态。

4)涵洞④整体质量较好，闸门外河一侧底板整体显示为密实状态，闸门内河一侧整体显示为密实和疏松状态，并夹杂小部分的脱空区域，并由该区域向外延伸扩散为轻微脱空和疏通状态。

5)涵洞⑤整体质量较好，闸门外河一侧底板整体显示为密实状态，闸门内河一侧整体显示为密实和疏松状态，并夹杂小部分的脱空区域，并由该区域向外延伸扩散为轻微脱空和疏通状态。

6)涵洞⑥在靠近两侧墙体位置底板出现部分显示为脱空和轻微脱空状态，并由该区域向外延伸扩散为疏松状态，内河后半段情况较前半段严重。图8给出了底板各缺陷等级百分比：脱空区域占2.74%，疑似脱空区域占6.04%，疏松区域占20.99%，密实区域占70.23%，可以看出脱空区域和疑似脱空区域占比达到8.78%。

图8 水闸底板下缺陷统计示意

5 结论及建议

采用力学弹性波方法对水闸底板的脱空进行探测，通过检测数据处理得出以下检测结论。

1)本文提出的力学弹性波方法，它能够克服混凝土内部多层钢筋网和水的影响，准确的反应水闸底板地基脱空区域及程度。

2)检测结果表明，通过频谱处理、波形可视化处理和冲击响应能量及相结合的方法，采用力学弹性波方法能够很好地掌握缺陷病害的分布状况。

3)检测结果显示水闸6孔涵洞的脱空呈现3种规律，涵洞④和涵洞⑤的疏松区域、轻微脱空区域和脱空区域沿河零散分布；涵洞①、涵洞②和涵洞⑥内河后半段情况较前半段严重；涵洞③靠近两侧墙体和中间位置底板出现部分显示为脱空和轻微脱空的区域。从混凝土质量来看，涵洞③底板病害最为严重，脱空占比最高；涵洞①、涵洞②、涵洞④、涵洞⑤、涵洞⑥底板整体存在疏松状态，并零散分布脱空区域，需要引起注意。