基于弹性波动理论的北关闸底板脱空检测分析

尚海龙 田苡菲 黄 涛

(1.北京江河中基工程咨询有限公司,北京 100073;2.中国水利水电科学研究院,北京 100038)

水闸是为城市防洪、排涝等方面提供服务的重要基础设施,在经济社会发展中发挥着重要作用[1]。

根据《水闸安全鉴定管理办法》(水建管〔2008〕214号),在全国河道、灌排渠系、堤防上依法修建的,由水利部门管理的各类水闸实行定期安全鉴定制度。我国大部分中小型水闸均建设运行多年,具有建设标准偏低、配套设备落后等“先天不足”问题[2-3],依据《水闸安全评价导则》(SL 214—2015)的规定,须定期组织专业人员对水闸进行实地查勘,对水闸工程质量和运行管理情况进行评价,开展水闸安全评价分析工作。

北京市北运河[4]北关闸属于大(2)型水闸。北关闸于2007年4月23日开工建设,2010年3月8日完工,2010年4月全部工程交付管理单位,投入使用。2021年11月北关拦河闸现场踏勘发现北关拦河闸的闸墩、岸墙、检修便桥、交通桥及辅桥等部位存在不同程度的结构缝张开和错位、混凝土裂缝等现象。本文主要采用水下冲击映像法对北关闸的底板脱空[5]进行检测分析研究,以确定水闸的安全状态[6],排除安全隐患。

1 北关闸基本情况

大运河通州段的端点北关拦河闸桥,即是京杭大运河的终点(杭州至北京),也是北运河的起点(通州至天津)。北关拦河闸桥是京杭大运河最北端的“运河源头第一桥”,建于石坝码头旧址,七孔弧形拦河闸采用“桥闸一体”的建筑模式,闸门隐于桥下,桥体的形制和装饰采用古代式样。

北关拦河闸属平原区水闸,工程等别为Ⅱ等,为大(2)型水闸,主要建筑物拦河闸、船闸等为2级建筑物。景观桥由于与拦河闸融为一整体,其结构的设计安全等级为二级,属于大桥。

拦河闸采用水闸、桥、船闸一体布置。闸室采用钢筋混凝土箱涵结构,总净宽为84.00m,共7孔,每孔净宽12.00m,上游常水位20.5m,下游常水位18.0m;拦河闸右侧设有单级单向船闸,上、下闸首及闸室均采用整体式U形结构,主体由钢筋混凝土浇筑,净宽8m,水位落差2.5m,可通行50人左右的游船;在拦河闸墩上建造横跨拦河闸和船闸的景观桥,桥长153m,桥面全宽13.10m。拦河闸闸门采用露顶式弧形钢闸门,闸门尺寸12m×5.0m,船闸采用人字形钢闸门,启闭设备均选用液压启闭机。

2 水下冲击映像法

本次北关闸底板脱空检测分析主要采用水下冲击映像法[7]。

2.1 冲击映像法原理

冲击映像法的理论基础是弹性波动理论[8-10]。当撞击到介质表面[11-12]时,介质内部会激发出一个弹性波动场,包括表面波、纵波和横波。弹性波从激发点向外传播时,当遇到介质中的一些界面时,由于波阻抗的差异,发生反射、透射和转换,导致能量衰减、波形特征和频谱特征的变化。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。当混凝土楼板与地基之间存在脱空时,楼板表面的弹性波动场分布特征会发生变化,包括能量特征、波形特征和频谱特征。通过逆映射介质表面的涨落场分布,可以推断出介质的内部结构。该方法具有系统化、标准化和规范化的特点,是一种高效率、高质量的工程无损检测方法。

2.2 水下冲击映像实现方法

冲击映像法的探测对象一般可以抽象为半无限介质模型,探测面为自由界面,即探测面上方没有介质,介质存在于探测面下方的半无限空间中。但是,水下水工建筑物的检测,由于检测面位于水中,不但要面临检测设备的防水以及水上作业等问题,还需解决检测面上有荷载,检测数据不再是自有界面上的波场分布问题,成果数据分析也必须考虑检测面以上水层的影响。

在水闸底板无损检测中,水闸底板结构层厚度一般为1～2m,而弹性波的传播速度却高达4km/s以上,其传播时间非常短。同时,激振时产生的面波、纵波直达波、纵波反射波、横波-纵波转换波等各种波相互叠加,特别是在水面与底板顶面之间还会形成混响,对数据形成干扰,无法直观判断出有无缺陷以及缺陷程度。因此,需采用更高精度的数据处理与分析方法,对水下冲击映像法的检测数据进行高精度处理与分析,以定位和判断闸底板下缺陷分布状况。

本项目检测时采用水下冲击映像法检测仪Smart Rod-I进行数据采集,其工作模式见图1。检测时,从船上把检测杆连同传感器放置于水下,使水下激发锤头位于检测点,检测杆垂直于检测面,然后用激发锤击打砧台,由传力杆把冲击力传递给水下激发锤头完成激发,激发信号同时传给控制/测量组件,并通过水下传感器阵列完成数据采集,数据最后传回至计算机进行记录。

图1 SmartRod-I水下冲击映像仪

3 数据处理及展示

3.1 数据处理方法

数据处理主要包括数据预处理、数据归一化、波形处理、波场分离以及生成响应强度指数分布图等。

a.数据预处理。数据预处理就是对野外采集的原始数据进行格式转换和添加坐标信息,使其适合于处理软件进行高效处理。原始数据是根据野外数据采集作业的特点和仪器结构等确定的数据格式记录的,必须经过格式转换才能适合于专业软件高速处理。除此以外,野外数据采集时,检测数据是由仪器记录的,但数据的位置信息是由操作人员记录在现场笔记上的,在数据预处理阶段必须把这两种数据结合在一起,合并成一个文件,才有利于专业软件高速处理。

b.数据归一化。由于激发力度直接影响弹性波动场的强弱,因此,数据处理时需要用激发锤上传感器采集的冲击加速度数据,对检测数据进行归一化处理,以去除敲击力度不一致的影响,确保激发强度相同。

c.波形处理。波形处理包括非正常数据处理、时窗切除、滤波和波场分离。首先,对原始数据逐一检视,如果发现个别数据在某一时间段存在干扰,就需要设计一个特殊的时窗函数,用该时窗函数对噪声进行切除;如果发现某一道数据存在特殊噪声,就需要将其删除并用相邻数据道进行内插。其次,对所有数据进行频谱分析,分析不同波场的频谱特性,据此设计滤波器并对数据进行滤波以压制噪声,提高信噪比。最后,根据掌握的检测结构物的几何形状及材料物性参数,从理论上分析各种波场的特性,与实际数据进行对比,根据其时间域和频率域的特性,提取出反映结构物内部缺陷的波场分量,即提取结构物对激发震源的响应仔波。

d.计算冲击响应强度。对经过各种处理得到的冲击响应仔波计算其能量,得到冲击响应强度。

e.计算冲击响应强度指数。由于冲击响应强度与介质内部结构密切相关,特别是底板厚度以及混凝土弹性模量都会影响冲击响应强度的大小,要把冲击响应强度解释为工程意义,必须消除结构属性对冲击响应强度的影响。为此,需要通过数值仿真,计算出结构物的理论冲击响应强度,或通过钻孔等手段,对冲击响应强度进行率定。率定后的冲击响应强度称为标准化冲击响应强度或冲击相应强度指数,是一个无量纲的量,能在最大程度上反映结构物内部的密实状况。

根据在国内已开展的10余座水闸底板脱空水下冲击映像法检测验证结果,按冲击响应强度值将水闸底板脱空分为密实、疏松、轻度脱空和脱空四个级别,不同级别的冲击响应值区分如下:ⓐ密实:冲击响应强度值不超过1.5;ⓑ疏松:冲击响应强度值介于1.5～2.0之间;ⓒ轻度脱空:冲击响应强度值介于2.0～2.5之间;ⓓ脱空:冲击响应强度值大于2.5。根据缺陷分布特征和缺陷面积大小,判定水闸底板脱空的危害程度。

3.2 结果解释与可视化展示

冲击映像法的结果一般可表示为缺陷平面分布图和缺陷面积占比图。

缺陷平面分布图示例见图2,根据工程需要把标准化冲击响应强度分为几个等级,然后用色阶表示其数值大小,并赋予各等级以工程意义,得到标准化冲击响应强度(缺陷)平面分布云图或等值线图。

图2 国内某水闸缺陷分布图示例

缺陷面积占比图示例见图3,根据缺陷平面分布图计算不同缺陷类型的面积,生成面积占比图。

图3 国内某水闸缺陷面积占比图示例

4 检测过程

4.1 测线及测点布置

4.1.1 测线及测点定义

为实现对北关水闸上下游闸室底板进行全面检测,测线与测点密度严格按照检测方案布置,并结合现场实施条件对侧线方向做了调整。对于上游闸室,由于水流较小,严格按照检测方案布置测线,测线方向垂直于河流方向;对于下游闸室,由于水流较大,难以保持作业船垂直于河流方向,因此,测线方向调整为顺水流方向。无论是上游闸室还是下游闸室,测点密度保持0.5m×1.0m不变,总检测点数不变。

坐标原点按以下原则确定:ⓐ面向河流下游,每孔水闸以左侧闸墩墙面为横坐标0点,由左向右坐标依次递增;ⓑ以闸底板上闸槽中心线为纵坐标0点,向下游方向坐标为正并依次递增,向上游方向坐标为负并依次递减。由于难以确定弧形闸门水下闸槽的精确位置,实际测量时,首先由设计图得到牛腿在测线上的投影距离,然后,由牛腿向上游方向5.5m即为闸槽中心线位置,由牛腿向上游3.1m即为每条侧线第1个检测点的位置。

4.1.2 测线与测点布置

各闸室按图4布置测线和测点。

图4 各闸室测线与测点布置

在上游闸室布置6条测线,由下游向上游方向依次为Line-01、Line-02、Line-03、Line-04、Line-05和Line-06。第1条测线(Line-01)距离闸槽中线1.6m,测线间距为1.0m。

每条测线的第1个检测点距离左侧闸墩墙面0.5m,最后1个检测点距离左侧闸墩墙面11.5m(距离右侧闸墩墙面0.5m),检测点间距约0.5m,检测点完整覆盖上游闸室底板。

在下游闸室顺水流方向布置10条测线,由左向右依次为Line-01、Line-02、Line-03、…、Line-10。第1条测线(Line-01)距离左侧闸墩墙面1.5m,最后1条测线(Line-10)距离左侧闸墩墙面10.5m(距离右侧闸墩墙面1.5m),测线间距1.0m。

每条侧线的第1个检测点距离闸槽中线2.4m(距离牛腿位置3.1m),检测点间距0.5m,测线长度7.0m,检测点完整覆盖下游闸室底板。

4.2 数据采集系统及参数设置

水下冲击映像采集系统主要由笔记本电脑、数据采集模块、换能器列阵和电缆组成。本次检测数据采集参数设置如下:

通道数:8通道(通道8为力传感器信号);

采样间隔:0.00002s;

记录长度:8192个数据(0.16384s)。

4.3 数据采集过程

下游闸室数据采集:由2～3人站在闸后步行桥上,用绳子牵住小船,通过绳子控制小船使每一个检测点落到设计的检测点上。数据采集由下游向上游方向进行,通过绳子上的标记控制小船每次的移动距离(0.5m)。

上游闸室数据采集:由于闸前没有步行桥,由2～3人在船上通过撑杆和钩杆等控制小船,使每一个检测点落到设计的检测点位置上。上游无水流,测线沿垂直于河道方向由左到右移动依次检测。为了进一步压制因水流引起的定位误差等随机因素对数据的影响,每孔闸室都重复进行2次数据采集,相当于检测点密度增加了1倍。

4.4 检测结果

1～7号闸底板冲击响应强度指数均不超过2.0,未达到轻微脱空标准;部分水闸底板冲击响应强度指数超过1.5,处于脱空前的疏松状况。疏松缺陷较为严重的是7号闸上下游闸底板、6号闸下游闸底板,缺陷面积均超过20%;1号闸下游底板缺陷面积超过10%,其余闸室底板疏松缺陷面积均小于10%,且呈点状分布。检测结果见表1。

表1 北关水闸底板冲击映像法脱空检测结果

各闸室底板脱空的具体情况如下:

a.1号闸室下游底板疏松区域7.1m2,占检测面积的10.1%,疏松区域主要集中在右半部分,呈点状分布。

b.2号闸室上游底板疏松区域4.6m2,占检测面积的8.3%,疏松区域靠近闸板一侧呈片状分布。

c.6号闸室下游底板疏松区域15.3m2,占检测面积的21.9%,疏松区域呈片状分布。

d.7号闸室上游底板疏松区域11.7m2,占检测面积的21.2%,疏松区域集中在闸室右侧,呈复杂片状分布。

e.7号闸室下游底板疏松区域23.9m2,占检测面积的34.2%,疏松区域成复杂的片状,分布于整个下游闸室。

其余闸室底板疏松区域占比均小于5%,且呈点状分布。

限于篇幅,本次只列举脱空现象最严重的7号闸室底板密实情况,见图5和图6。

图5 7号闸室上游底板密实状况

图6 7号闸室下游底板密实状况

5 结 论

北关拦河闸1～7号闸底板水下冲击映像法检测结果表明:

a.1～7号水闸底板冲击响应强度均不超过2.0,未达到轻微脱空标准;部分水闸底板冲击响应强度超过1.5,处于脱空前的疏松状况。

b.疏松缺陷较为严重的是7号闸上下游闸底板、6号闸下游闸底板,缺陷面积均超过20%;1号闸下游底板缺陷面积超过10%,其余闸室底板疏松缺陷面积均小于10%,且呈点状分布。

从而得出结论:北关拦河闸1～7号闸底板检测均未发现明显脱空病害缺陷,部分水闸底板存在疏松缺缺陷,进一步发展将形成闸底板脱空,推测与缝墩结构缝张开有关,建议下次检测宜选择在低水头工况下进行,6号和7号闸底板脱空检测将是北关拦河闸结构安全检测的重点。