冲击回波法在水电站压力钢管钢衬脱空检测中的应用

杨 刚

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

水电站压力管道钢衬在承担部分内水压力的同时，通过回填混凝土将部分内水压力传给围岩，与回填混凝土联合受力；因此，回填混凝土与钢管之间必须紧密结合。然而在钢衬底板浇筑中，受现场施工条件限制、混凝土自身的收缩性及现场质量监督等非技术性因素影响，钢衬底板浇筑后会形成局部脱空缺陷，影响钢衬的安全性和耐久性。因此，有必要对压力钢管隧洞底部进行脱空检测。

目前常用于钢衬脱空检测的方法主要有人工敲击法、中子法、钻孔法、冲击回波法等。人工锤击法是通过敲击声音定性判断是否存在脱空缺陷，主观性较强；中子法是利用快中子慢化原理，通过测量散射热中子的数量，评判混凝土脱空位置，但该方法需要放射源，存在少量辐射；钻孔法是通过凿孔观察脱空缺陷和测量脱空深度，属破损检测；冲击回波法弥补了以上几种方法的不足，是钢衬脱空检测较为有效的一种方法。本文主要阐述了冲击回波法的基本原理，结合某大型水电站钢衬脱空检测的应用案列分析，说明了该方法的有效性。

1 方法原理

冲击回波法也称脉冲回波法(Impact Echo，简称IE)，是一种基于瞬态应力波的无损检测技术。该方法利用瞬时机械冲击测试结构表面产生弹性波来对测试结构内部缺陷进行检测。如图1所示。

图1 冲击回波法脱空检测示意图

当激发的弹性波遇到脱空、孔洞、蜂窝等波阻抗差异界面时会发生反射，反射波在结构表面与缺陷、底界面间发生多次反射，多次反射会使信号具有明显的周期性，在频谱上可分解为不同频率的波。测试时，利用放置在冲击器附近的接收传感器接收反射回来的弹性波，再将所记录的信号进行时域和频域分析，从而达到脱空检测的目的。

2 数据解释依据

根据以往工程经验，一般将钢衬与混凝土之间脱空大致分为3级：无脱空、轻微脱空(脱空厚度小于5mm)和明显脱空(脱空厚度大于等于5mm)。通过对已知脱空情况部位的冲击回波检测数据进行时域及频域分析，不难看出，当钢衬存在脱空缺陷时，冲击回波波形信号、瞬时振幅及频谱会发生明显的变化，如图2—4所示。

图2 冲击回波法钢衬脱空检测典型波列图

图3 冲击回波法钢衬脱空检测典型瞬时振幅图谱

图4 冲击回波法钢衬脱空检测典型频谱图

为完善冲击回波法脱空检测数据解释依据，笔者结合以往人工敲击法及钻孔法检测成果，选取无脱空、轻微脱空及明显脱空部位所采集的冲击回波数据，通过MATLAB编写程序，对数据进行时域和频域分析，如图5所示，总结如下。

图5 不同脱空程度冲击回波信号时域、频域特征

(1)钢板与混凝土之间无脱空的信号特征，具体如下：

①波形信号卓越周期短，持续时间短，频率高、波形正常衰减，表现为4ms后信号波形很小或基本为零；

②瞬时振幅大小随时间增大而逐渐变小，表现为4ms后瞬时振幅值很小或基本为零；

③频谱分布集中，主频高、存在唯一的卓越频率；能量主要集中在1.0kHz以上，频带相对较窄。

(2)钢板与混凝土之间轻微脱空的信号特征，介于无脱空和明显脱空之间，具体如下：

①波形信号卓越周期较长，表现为4ms后存在较少的反射信号；

②瞬时振幅大小在4ms后存在轻微波动；

③频谱分布范围较宽，能量主要集中在0.7kHz以上、频谱分布范围较宽、主频较无脱空部位低。

(3)钢板与混凝土之间明显脱空的信号特征，具体如下：

①波形数据：卓越周期长，持续时间长、频率低，衰减慢，表现为4ms后存在明显的反射信号；

②瞬时振幅衰减缓慢，在4ms后仍存在较大的

幅值；

③频谱分布范围宽，主频低，信号低频成分多、频率低于0.5kHz信号占比较多，频带较宽。

3 工程应用实例

3.1 工程概况

某水电站3#引水上平洞压力钢管钢板厚度为28mm，钢管半径为5m，底拱衬砌设计厚度为0.8m。底拱衬砌浇筑完成，达到龄期后采用冲击回波法对底部进行钢衬脱空检测。

该压力钢管隧洞单个完整管节的长度为2m，在每个管节的外侧有两圈加劲环，加颈环距离管节边缘0.5m，两加劲环的间距为1m；钢管靠底下的内支撑固定，如图6所示。

图6 某电站压力钢管的构成情况

3.2 检测情况

现场检测以隧洞底拱中心线为0号测线，按0.4m的测线间距向左右两侧各布置9条测线，测点间距0.2m，总检测点1995个，测线布置示意图如图7所示。现场测试按以下步骤进行：

图7 冲击回波脱空检测测线布置示意图

(1)现场绘制检测点位，标记检测点号；

(2)采集软件参数设置及零点标定；

(3)用不同直径的激振锤做现场检测试验，确定检测参数和最佳激振锤；

(4)采集密实处一定数量的信号；

(5)用50mm直径激振锤人工激振，逐点测试，直到最后一个测点；测试时每条测线单独保存一个文件；检测过程中应尽量避开焊缝的位置。

(6)过程中记录必要参数，结束现场测试。

现场采集的数据按以下质量要求进行控制：

(1)冲击回波波形清晰，无削波；

(2)波形无明显飘移现象；

(3)每个测试点信号波形稳定。

数据采集完成后，采用MATLAB编写的脱空数据处理程序进行数据分析。从灌前检测成果可以看出，在检测桩号0+29.9～0+50.7段存在大范围脱空缺陷，经统计，无脱空测点572个，占总检测点数的28.67%；轻微脱空测点617个，占总检测点数的30.93%，明显脱空测点806个，占总检测点数的40.40%。在检测存在明显脱空区的3个区域进行开孔验证，3个验证孔均发现不同程度的脱空缺陷；经现场测量，最大脱空高度达7cm，如图8所示。

图8 灌前检测明显脱空处开孔验证(该孔脱空高度达7cm)

该管段经灌浆处理后，采用冲击回波法对灌后脱空情况及灌浆情况进行检测。灌后检测测线与灌前重合。从灌浆后的检测数据看，同一测线灌浆后的波列图、瞬时频率及频谱图较灌浆前有明显的变化，灌浆后的冲击回波信号频谱较灌浆前更高、大部分波形信号正常衰减、4ms后的波形及瞬时振幅明显降低，信号低频成分明显降低，如图9—11所示。经数据处理分析，灌后无脱空测点1509个，占比由灌前的28.67%上升至75.64%；轻微脱空测点460个，占比由灌前的30.93%下降至23.06%，明显脱空测点26个，占比由灌前的40.40%下降至1.30%，见表1。灌浆处理后，脱空率相对灌浆前有很大改善，灌后脱空类型以轻微脱空为主，局部存在少量明显脱空，灌浆前后脱空检测情况如图12所示。值得注意的是，部分轻微脱空位于压力钢管焊缝附近，由于焊缝的存在可能改变压力钢管的振动特性，对冲击回波检测结果可能存在一定的影响，对脱空的判定造成一定干扰。

图9 底拱中心0号测线(0m)灌浆前、后冲击回波波列图

图10 底拱中心0号测线(0m)灌浆前、后冲击回波瞬时振幅图谱

图11 底拱中心0号测线(0m)灌浆前、后冲击回波频谱图

图12 灌浆前、后冲击回波脱空检测成果图

4 结语

(1)冲击回波法钢衬脱空检测具有操作简单、检测效率高、数据处理简单等优点，该方法可以对钢衬进行大面积、高密度的检测，并将钢衬脱空分布情况直观地展现，为工程后续施工处理提供可靠依据；同时，通过灌浆前后的检测成果对比，也可达到对灌浆效果进行检查的目的。

(2)冲击回波法钢衬脱空检测过程中，钢板的振动特性受脱空面积、脱空高度及钢板厚度等因素影响，且不同测区可能具有不同的特征，因此，本方法对脱空高度判断难度大、具有一定的不确定性，解析的脱空高度大小是该脱空类型区域的一个平均值。对脱空高度的判断，一般需要辅助钻孔进行率定，以提高解析的精度。