冲击弹性波法在薄壳渡槽混凝土质量检测中的研究和应用

肖 俊，吕小彬，王荣鲁

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3.水利部水工程材料重点实验室（筹），北京 100038）

渡槽作为一种重要的输水建筑物，普遍应用于灌区输水，也用于排洪、排沙等。渡槽质量直接影响灌区的灌溉安全，因此对灌区渡槽进行安全评价十分必要。渡槽混凝土强度是渡槽安全评价中的重要指标，在混渡槽安全评价中显得尤为重要。

本文在分析常规混凝土强度检测方法的基础上，就冲击弹性波原理及弹性波检测技术在薄壳渡槽混凝土质量检测中的应用进行论述。

1 常规检测方法

混凝土强度检测分为无损和有损两种，无损检测主要包括回弹法和超声法（超声回弹综合法），此外还有拉拔测试法、拔出测试法、射钉法等；有损检测主要是钻芯法，现场钻取芯样，后期在实验室进行抗压试验获得芯样的抗压强度。

1.1 无损检测

20 世纪50 年代，我国通过引进英国、瑞士等欧洲国家的回弹仪和超声仪开始进行混凝土结构无损化检测，同时结合实际工程开展相关的研究工作并取得较大进展[1]。

1.1.1 回弹检测法

回弹检测法具有在检测过程中技术难度较小，操作简单，检测速度快，对检测部位友好等优点，是目前水工混凝土质量无损检测最主要的手段之一，但也存在以下几个方面的缺点。

1）检测精度不高，个别地区的回弹曲线和全国回弹曲线差别较大，实际工程中需要根据不同情况选择适合的测强曲线，同时需要对回弹角度、碳化深度等进行修正。此外，回弹检测法对低等级混凝土适应性很差。

2）检测范围不深，回弹仪检测混凝土强度仅局限于混凝土表层，对混凝土内部质量无法衡量，而一般混凝土表面质量和内部质量可能存在较大差异。

3）环境影响较大，使用回弹仪进行检测时受混凝土表面的干湿情况、混凝土凹凸面等影响较大。

4）设备误差较大，回弹仪主要由弹击锤、弹击拉簧、弹击杆等构件组成，本质上属于机械式设备，存在误差积累问题。

对西部某灌区22 个渡槽混凝土支墩芯样试验强度和对应回弹检测值绘制对比图，如图1 所示。由图1 可以看出，两种检测方法相关性很小，但回弹法可给其他检测方法提供数据比对参考。

图1 芯样试验值与回弹法检测值对比图

1.1.2 超声回弹综合法

超声回弹综合法也是目前水工混凝土质量无损检测最主要的手段之一，被列入多个行业规范。超声回弹综合法能一定程度反映混凝土结构的整体质量，抵消单一回弹法检测范围不深、环境影响较大等不利因素，提高检测结果的准确性。不过这种方法的缺点还是十分明显的[2]，主要表现为以下几点。

1）超声声波在混凝土中穿透性不高，传播时能量衰减快，一般不适用于超过2 m 厚度的混凝土体。

2）超声声波传播过程中容易受到其他杂散波的影响，因此，给接受波的分析处理提出较高要求，杂散波也是造成检测误差的主要因素。

3）使用超声法对混凝土表面的平整度要求很高，超声探头与检测面的接触面需使用耦合剂，耦合剂的透声性（声阻抗）、润湿性、粘度等也会对检测结果造成一定影响。

4）超声设备操作流程相对复杂，相关操作规程是充分发挥超声法自身功能的关键，这对检测人员提出了较高要求，检测过程中任何一个操作环节产生误差都会严重影响到检测结果的准确性。

5）区别于回弹仪的机械属性，超声波法使用的设备属于电子产品，高精度电子产品的电子元器件在检测过程中极易出现故障，不能满足大面积快速检测需求。

1.2 有损检测

钻芯法是典型的有损检测方法。使用钻芯机在混凝土构件上直接钻取一定数量的芯样，按照相关试验规程进行抗压强度试验，获取实测的混凝土强度。钻芯法是目前认为最可靠的混凝土强度检测方法，但是存在以下几个方面的缺点。

1）标准芯样的制作要求严格，垂直度、平整度及高径比等对抗压试验结果影响很大，此外芯样的评定标准在现有的规范中没有做出明确的规定，给芯样评定带来很大困难。

2）钻芯对结构构成一定损伤，在混凝土结构上直接钻取芯样后虽然进行回填修补，但是回填质量无法保证，且在钻取芯样过程中经常不可避免地破坏混凝土内的钢筋，给钢混结构造成损伤。

3）钻芯法的代表性不佳，通常实验室抗压试验的标准试件体积为0.8×10-4m3（直径10 cm 高10 cm 的圆柱体），相对于特别是水工建筑物的大体积混凝土占比极低。

4）钻芯法对某些特殊的混凝土结构不适用，如混凝土厚度不到10 cm 的薄壳结构。

2 冲击弹性波法

冲击弹性波技术用于混凝土质量评价在美国、日本等发达国家应用比较广泛[3]，我国尤其是在水工建筑物混凝土质量检测中应用还比较少。本文结合西部某灌区薄壳渡槽安全评价，扼要介绍冲击弹性波的原理及混凝土质量无损检测的实例。

2.1 冲击弹性波简介

弹性波为在固体媒介中传播的变形扰动冲击，冲击弹性波是指由冲击锤或其它强力敲击振源瞬时激发产生的在弹性介质中传播的弹性波，冲击弹性波示意图如图2 所示。在理想半无限弹性体表面点振源发振时，所产生的各成分弹性波的分配比率大概是P 波（纵波）7%，S 波（横波或剪切波）26%，R 波（瑞利波）67%[4]。

图2 冲击弹性波示意图

由于具有能量大、测试距离远且适用于频谱分析等优点，冲击弹性波已得到广泛的应用，低应变基桩完整性检测和岩锚检测等都是其代表性的方法。与传统的超声波相比，冲击弹性波主要具有如下特点[5]：1）冲击弹性波由冲击锤激发，能量大且集中，测试深度明显提高，能够穿透10 m 以上的混凝土；2）冲击弹性波的卓越频率一般在几百到几千赫兹左右，波长较长，受混凝土骨料颗粒散射和外界杂散波影响小；3）冲击弹性波检测现场适用性强，操作方便，适合对大体积混凝土结构进行快速、全面检测；4）冲击弹性波频谱特性好，适合于IE，SASW 等有限元数值模拟分析。

2.2 冲击弹性波（P 波）速度

速度在数值上等于物体运动的位移跟发生这段位移所用时间的比值，速度的计算公式：V=△s/△t。当混凝土结构为渡槽槽壁或隧洞衬砌之类只有一个可测临空面的薄壁混凝土结构，可采用图3 中的布置方式测试二维板内P 波传播速度。在一侧使用与加速度传感器相连的球形激振锤激发弹性波，在相对一侧布置加速度传感器接收信号。

图3 平板结构P 波传播速度测定法

两个传感器接收到的P 波信号首波之间的时间差为如图4 所示。激振锤敲击混凝土面后弹性波从钢锤的敲击端到另一端加速度传感器处的传播时间为△t1（延时，可直接由钢锤的直径除以弹性波在钢材中的传播速度得出）。

图4 传感器之间时间差

若弹性波在混凝土中的传播长度为L，则VP可由公式（1）求得：

2.3 弹性波（P 波）速度评定混凝土质量

弹性波速度是唯一与混凝土的力学性能（强度、动弹模等）直接相关的参量。在小应变条件下，可以合理地假设混凝土为理想弹性体，那么P波速度与混凝土的动弹性模量之间存在直接的理论关系。

三维（无限媒质中传播）：

二维（板内传播）：

一维（杆件中传播）：

式中：VP3，VP2和VP1分别为混凝土内P波（三维、二维和一维）传播速度，m/s；Ed为混凝土动弹性模量，Pa；ρ为混凝土密度，kg/m3；μ为混凝土动泊松比。

由于混凝土的动弹性模量与强度有很好的相关关系，因此，P 波速度与混凝土强度之间也有较好的相关关系，弹性波速度可以用来评价检测断面内部混凝土质量分布情况。目前，工程界使用的P 波速度检测混凝土质量评价标准[6]见表1。

表1 常用P 波速度评价混凝土质量参考标准

通过对西部某灌区20 多个渡槽混凝土支墩芯样试验强度和对应检测区域P 波波速进行比对，结果见图5。在一定条件下，芯样的抗压强度和P波的相关系数R可达0.92，其相关性较好且符合表1 给出的参考评价标准。

图5 P 波波速和混凝土芯样强度的相关性图

3 实际工程应用

3.1 工程概况

西部某灌区干渠上一座渡槽，建于1980 年，共22 节槽壳，每节槽壳长度为10.0 m，渡槽上部采用的U 型槽壳结构，断面尺寸为1.1 m×2.0 m（槽壳半径×高），下部为排架结构，渡槽槽壳混凝土强度标号为200 号。该渡槽经过40 多年的运行，目前渡槽混凝土蜂窝麻面和钢筋锈胀比较普遍，部分钢筋外露锈蚀，渡槽存在一定的安全隐患，威胁工程的安全运行，需要对渡槽进行安全评价。

此次安全评估混凝土检测中，渡槽槽壳厚度仅为20 cm 且均匀，因此，冲击弹性波法很适合槽壳混凝土质量的检测。

3.2 检测成果分析

此次渡槽槽壳混凝土弹性波现场检测采用冲击弹性波水工混凝土质量检测仪，激振采用50 mm直径实心钢质球形激振锤。从渡槽22 节槽壳中选取4 节（1～4 号）典型槽壳进行弹性波波速检测，每节槽壳在其内侧左、右侧墙各布置2 条水平纵向弹性波测线，上部一条布置在水位变化区，下部一条布置在侧墙底部。每节槽壳长度为10.0 m，检测时布置测线长度为8.0 m，基本实现对槽壳整体混凝土质量的评价。

每条测线测试5 次，通过读取首波时间差，利用公式（1）并根据5 次测试的平均值计算该测线的P 波速度。需要指出的是，由此获得的是P 波在薄壳渡槽槽壳（薄板结构）内的二维传播速度，实际工程中需根据公式（2）和（3）转换为P 波的三维传播速度VP3，然后取槽壳所有测线VP3的平均值为该槽壳混凝土VP3的代表值，反映槽壳混凝土整体质量状况。选取槽壳的检测结果见表2。

表2 西部某渡槽槽壳P 波波速检测结果

3.3 结果分析

1）此次检测所选4 节槽壳16 条测线中混凝土三维P 波波速最大4 353 m/s，最小3 579 m/s，平均4 040 m/s。按照表2中P波速度检测混凝土质量一般评价标准，槽壳混凝土质量总体较好，但局部一条测线（3号槽壳右侧下部）明显偏低，低于3 600 m/s，该处混凝土质量较差。

2）此次检测所选4 节槽壳16 条测线中混凝土动弹模最大41 788 MPa，最小28 240 MPa，平均36 062 MPa。若以最大动弹模为基准，则16 条测线中除局部一条测线（3 号槽壳右侧下部）相对动弹模低于70%外，其它均高于80%。

3）根据槽壳混凝土动弹模的检测结果，虽然槽壳整体质量较好，但局部混凝土动弹模较低，判断出现了耐久性劣化。结合现场观察，造成这个问题的主要原因是槽壳底部钢筋锈胀导致混凝土保护层崩落。

4 结语

薄壳渡槽、隧洞衬砌之类的板壳型结构受厚度限制不具备钻取芯样进行混凝土抗压试验的条件，我国水利行业无损检测方法局限于常规的回弹法、射钉法、超声回弹综合法等惯用方法，这与国内外先进技术水平差距较大。冲击弹性波检测技术原理简明、可操作性强、检测结果代表性强、精度高，非常适用于我国水工建筑物混凝土无损检测领域，具有较好前景。在对冲击弹性波进一步的研究中，需要考虑混凝土内部钢筋对波速产生的影响及不同检测方法波速的换算问题。