冲击回波法在钢衬接触灌浆质量检测中的应用

刘 拓，王春阳，刘 凯

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130062）

0 引言

在一些水工建筑物（如压力管道、水轮机蜗壳等）中，钢板结构物四周浇筑的混凝土干缩后，会在混凝土与岩石或钢板之间形成一些脱空，钢衬接触灌浆即是解决这一问题的一种灌浆策略。由于接触灌浆施工属于隐蔽工程，仅仅依靠旁站监督不能够完全避免质量问题的发生。而且，在接触灌浆过程中形成的脱空缺陷，会对钢衬混凝土管道的耐久性和安全性产生深远影响。因此，必须借助可靠的检测手段来评价接触灌浆质量，探明钢衬和混凝土之间的脱空情况，为工程安全施工和质量评定提供有力依据。

传统的钢衬接触灌浆检测方法包括锤击法、钻孔法、内窥镜法和放射源γ散射法等。上述检测方法均存在一些不足，如锤击法仅凭听觉经验，钻孔法和内窥镜法需要破坏钢衬表面，放射源γ散射法具有放射性。而冲击回波法弥补了这些不足，是一种简便、快捷、准确的钢衬接触灌浆质量检测方法。

1 基本原理

1.1 冲击回波法

冲击回波法也称脉冲回波法，是一种基于瞬时应力波反射原理的物探方法。主要用于检测混凝土构件的厚度、裂缝和脱空等缺陷。在进行检测时，使用一个小钢球敲击构件表面，产生短暂的脉冲应力波，在应力波向内部传播的过程中，遇到缺陷时会产生反射波。反射波在构件表面与缺陷之间发生多重反射，引起瞬时共振状态。通过分析冲击回波信号的时域和频率域曲线，可达到检测结构的厚度、判定结构是否存在缺陷及缺陷所在位置的效果[1]。

钢衬混凝土结构厚度或者缺陷深度H（m），可由冲击回波的旅行时t0（s）和脉冲应力波的波速v（m/s）确定，即：

接收器接收到的冲击回波信号，通过快速傅里叶变换（FFT）转换为频谱曲线，在频谱曲线上获得主频f（Hz），则H也可根据下式计算：

1.2 钢衬接触灌浆质量检测

钢衬厚度一般为20～60 mm，钢衬和混凝土交界面的冲击回波旅行时为10～20 μs，脉冲应力波信号的主频为2～10 kHz，信号周期为100～500 μs。在垂直反射自激自收的情况下，直达波与反射波的相位差仅为10 μs左右，是脉冲应力波主信号周期的1/50～1/10。因此，冲击回波的旅行时在时域曲线上很难识别，故不能使用公式（1）或公式（2）来计算H，而需要寻求新的方法来确定缺陷位置。

钢衬接触灌浆质量检测的基本原理：在钢衬表面进行锤击，产生多次谐波信号，对于单一频率的平面谐波来说，钢衬表面激发点附近的质点振动速度v1（m/s）的计算公式如下：

式中：v0为质点振动速度的最大值，m/s；ω为角频率，rad/s；x为接收点与锤击点的距离，m；u为该波传播的波速，m/s；t为信号采样时间，s。

单一频率谐波在单位质量m（kg）下的动能Ek（J）的计算公式如下：

单一频率谐波信号在一个完整周期T（s）时间内的总动能E（J）的计算公式如下：

在钢衬表面激发冲击波，一部分应力波沿着钢衬表面传播，另一部分冲击波穿透钢衬向混凝土内部传播。在钢衬与混凝土交界面，即接触灌浆区域，冲击波将产生不同程度的反射，反射波叠加的能量比直达波大得多，使质点的波动能量发生改变。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E：

在同样的激发条件下，距激发点相同距离处的每个接收点的直达波能量基本相等。从公式（6）可以看出，接收点的反射波能量差异即可代表波动总能量的差异，而反射能量的数值只与钢衬的结构及接触灌浆的质量（即是否存在脱空缺陷）有关。因此，可以通过检测反射波的能量大小，也就是冲击回波的数值，来评价钢衬接触灌浆质量，探明钢衬的脱空情况[2]。

2 工程实例

2.1 工程概况

某抽水蓄能电站属I等大（1）型工程，规划装机4台，单级混流可逆式水泵水轮机，单机容量300 MW。电站建成后，在电网系统中承担调峰、填谷、调频、调相、事故备用及黑启动。

该工程水道系统全长5 665.80 m，其中尾水支管和引水支管全部采用钢板衬砌，总长3 488.00 m，进行接触灌浆处理，钢衬外围回填混凝土厚度为0.60 m。

根据业主要求，采用冲击回波法检测钢衬与混凝土之间的脱空情况，评价钢衬接触灌浆质量。

2.2 工作布置

依据以往工程经验，钢衬段在进行接触灌浆之后，在重力作用下，钢衬底板中心线两侧各60°范围内易产生脱空现象，故在2号尾水支管底板中心线两侧各45°范围内布置3条连续测线，即底板中心线、左侧拱脚和右侧拱脚各1条，单根测线长3.80 m。

现场物探检测采用单发单收的检测方式，偏移距和点距均取0.20 m。沿着每条测线逐点进行检测，同步移动激发点与接收点，直至完成所有现场检测工作。

3 成果分析

冲击回波检测得到的原始记录用专门的处理软件处理后，可形成冲击回波能量谱图。其中高能量、区域状的反射能量区，且原始波形主频小于平均值即可判断为脱空异常反映。

该部位共发现异常区域2处，在中心测线异常区域的两端增设加密辅助测线，确定异常的发育面积。冲击回波成果统计见表1。

表1 冲击回波成果统计表

经统计，该部位轴向3条连续测线共发现脱空异常2处，水平延展范围0.20～1.20 m，发育面积0.45～0.70 m2，检测成果见图1。

4 结语

通过对2号尾水支管轴向3条连续测线冲击回波检测，检测结果共发现脱空异常2处，水平延展范围0.20～1.20 m，发育面积0.45～0.70 m2，其中序号为T01的异常发育面积大于0.50 m2，为较严重的脱空缺陷，检测成果见图1。依据相关的规程规范和设计要求，序号为T01的异常应进行补灌处理。

图1 冲击回波检测成果图

为了验证冲击回波检测成果的正确性，在T01异常位置处进行开孔验证。经检查，该处存在脱空现象，脱空面积约为0.64 m2。此处为闸门井渐变段与直筒段的交界位置，在开孔后重新进行了灌浆处理。

利用冲击回波法检测钢衬接触灌浆具有无损、简便、快速的特点。但该方法仍存在一些不足：在检测脱空埋深较小的情况下，冲击回波法效果比较明显；当构件体积较大、埋深较深时，冲击回波法的精度就会下降，应配合其他检测方法。随着工程物探方法技术的不断发展、科技水平的不断进步，相信该方法的缺陷和不足将逐渐得到解决，并在水利水电工程检测中发挥更多的作用。