超声波技术在水工建筑渗漏点探测中的应用

摘要：水工建筑渗漏的隐患对建筑物稳定性和安全性存在严重影响，对建筑物定期检测，准确了解其渗漏状况，有利于水工建筑的长久运营。基于此，以土谷塘航电枢纽工程为研究对象，根据航电枢纽的实际情况，采用超声波技术对发电厂房混凝土结构裂缝开展检测工作。采用超声波对测法监测不同裂缝宽度试件的灌浆修复效果，并对灌浆修复前后波形变化、灌浆修复过程中和灌浆修复后的波幅及波形特征值进行分析。研究表明，通过超声波实时监测和声波波幅变化，能够获得注浆深度的动态变化及浆液的分布情况。

关键词：水工建筑；超声波技术；渗透点；灌浆修复

基金号：湖南省交通科项目201917

0 引言

水工结构工程的渗漏不仅会导致结构的损坏，影响其使用寿命，还将引发土壤侵蚀、基础沉降，污染周边环境等问题[1]。结构性裂缝会削弱水工结构的整体强度和刚性，使其在荷载作用下承受能力下降，结构的密封性能降低，导致水工结构发生渗漏。

及早准确地发现并定位渗漏点，对于确保水工建筑物的安全和稳定运行至关重要。而防控工作的第一步是对水工结构进行定期的检测和监测，及时发现裂缝和变形等异常情况，在裂缝发展至关键点时，采取支护措施，以防止结构性裂缝的形成[2-3]。

超声波技术利用声波在不同材料中的传播特性，通过波的反射、折射、散射等现象来对材料的内部结构和缺陷进行检测[4]。超声波技术具有较高的探测灵敏度和分辨率，且不会对水工建筑造成二次破坏和高效快速[5-6]，不仅能够准确快速地检测出渗漏点和隐蔽缺陷，还能够提供必要的数据支持，为渗漏点的修复和水工建筑的安全维护提供科学依据。

本文以土谷塘航电枢纽工程为研究对象，展开超声波技术在水工建筑渗漏点探测中的应用研究，研究结果可为水工建筑渗漏的检测与修复提供有益参考和借鉴。

1 工程概况

本项目的依托工程为土谷塘航电枢纽工程。土谷塘航电枢纽工程位于湖南省衡阳市境内。该工程以航运为主，结合航电，同时兼具交通、灌溉、供水与养殖等多种综合利用功能。坝址位于湘江中游河段，位于衡南县云集镇滨合村。其距离近尾洲水电站坝址约50km，距离衡阳市城区约38km，距离大源渡枢纽坝址约100km。主要组成部分包括船闸、电站、泄水闸以及坝顶公路桥。工程的库区正常蓄水位为58.0m，库容达1.97亿m3，电站装机容量为90万kW，设计通航船舶为1000t级。

湘江土谷塘航电枢纽工程在建设期，就十分重视航电枢纽后期的渗漏水的预防工作，在混凝土工程质量管理上采取了很多措施，但是土谷塘航电枢纽工程渗漏水问题仍然在一定程度上存在。本文根据土谷塘航电枢纽发电厂房的特点，制定其渗漏病害的检测方案，为渗漏问题的检测和处治提供基础。

2 试验方法

2.1 试件制作

本文采用设置有宽度为0.3mm、0.6mm、0.9mm裂缝的混凝土试件进行研究，并将其编号为S-0.3、S-0.6及S-0.9。试件长600mm、宽600mm、高1000mm，试件的拌合水为自来水，混凝土强度等级及配合比如表1所示。

在相同的灌浆压力、灌浆时间、砂浆流量和裂缝宽度条件下，裂缝的倾角和混凝土界面的形状会影响灌浆扩散半径。传统的预置插片法通常是通过在混凝土浆料中，预先插入一些特定材料或片段，然后浇筑成混凝土，以模拟裂缝。然而，这种方法产生的裂缝在形状和表面特征上与真实裂缝相比往往有较大偏差，无法准确地反映实际工程中的裂缝情况。

2.2 新方案优势及流程

为了解决上述问题，本文提出了一种能在混凝土中产生真实裂缝的方法和装置。具体方法包括以下步骤：

首先，将试件放置在测试机的加载装置下方，在试件的中央位置施加垂直向下的力，使试件断裂。其次，在试件断裂部位浇筑混凝土重新形成完整试件，采用外骨架装置使新旧混凝土粘结面被撑开，通过调整螺杆的位移改变裂缝宽度。再次，在裂缝的界面处进行灌浆修复，将修补材料注入裂缝中，使其充分填充并与周围混凝土牢固结合。最后在灌浆修复后，再次利用外骨架装置撑开新旧混凝土的结合面，以检验灌浆修复效果。

2.3 超声波对测法

在试件两侧与裂缝平行的平面上绘制5cm×5cm的网格作为检测点，用于后续的超声波测试。通过超声波分析仪，非破坏性地对混凝土内部进行声波传播测试，采集声波数据。由于灌浆过程较短，无法对全部测点进行同步测量。为了解决上述问题，在裂隙中心距离填筑表面20cm的位置处，对裂隙进行连续的声波观测，持续地获取声波传播数据，并对其进行定点追踪监测。

3 超声波检测实验结果分析

3.1 灌浆修复效果

经过灌浆后72h，张开试件上的裂缝，对比灌浆修复效果。根据不同裂缝宽度下的浆液覆盖情况，编号为S-03、S-06的混凝土试件浆液覆盖区域的深度分别为24～52cm、40～52cm，而S-09试件则被完全覆盖。这表明随着裂缝宽度的增加，浆液在裂缝中的扩散半径也随之变大，覆盖的范围也相应增加。

分析认为，由于浆液在裂缝内部的扩散过程中，与混凝土充分接触并发生了较好的粘结，使得覆盖区域的混凝土得到有效修复。而裂缝两侧的混凝土由于没有直接与浆液接触，粘结效果相对较弱，颜色相对较浅。不同裂缝宽度下浆液深度的差异源于浆液在裂缝中的扩散半径直接取决于裂缝的宽度。裂缝越宽，浆液在其中的自由扩散距离越大，浆液的摩擦阻力减小，因此覆盖面积也随之增加。相反，对于较窄的裂缝，浆液的扩散受到限制，覆盖深度相应减小。

3.2 灌浆修复前后波形变化特征

在浆液覆盖区和未覆盖区各选取一测点，进行超声波测试，并绘制了图1和图2展示波形变化。由图1、图2可知，在浆液覆盖区域，首波声时缩短了23.7%，波幅增加了83.6%，后续波形变得更加完整。这说明在浆液覆盖的区域，裂缝被充分填充，浆液与混凝土形成较好的粘结，从而导致超声波在传播过程中受到的阻碍减少，声波传播路径变得更加连续和稳定，波形得到了明显的改善。注浆前后，未被浆液覆盖的区域测量点的声时和波幅均无明显变化。

对比图1和图2发现，在注浆前位于浆液覆盖区的测点首波声时较大，波幅较小，整体波形多处变形。注浆前试件存在裂缝，导致声波在传播过程中遇到障碍，产生了断层和反射现象，使得声波的传播路径不连续，波幅减小，声时增加，整体波形出现扭曲和变形。

注浆修复后，裂缝空腔被浆液填充，使得声波的传播路径变得连续，波幅损失减少，声时缩短，波形得到明显改善。根据波形特征分析，有无浆料覆盖的区域超声波波形的变化存在显著差异，超声波形状特征的变化可以有效判断浇注后浆料的覆盖情况。

3.3 灌浆修复过程波幅特征值

裂缝表面波幅变化分布如图3所示。根据测得的超声波波幅可知，注浆前试件中存在裂隙，使得超声波在传播过程中受到较大阻碍，导致整体波幅相对较小分布在30～50dB范围内。随着灌浆的进行，浆液充分填充了试件中的裂缝，超声波在混凝土中的传播路径变得更为连续和稳定，不同试件的超声波波幅表现出不同程度的上升趋势。此外，由于各试件修复面积的不同，波幅的上升幅度也会有所差异

图3a至图3c中，由于超声波检测在试件边缘处存在边缘效应，为了保证分析的准确性，界面最外边缘的数据被去除。从0～35dB波幅变化由从紫色到红色的颜色变化表示。

从图3a至图3c还可以看出，在浆液覆盖的区域，波幅上升幅度较大，最大增加量约为30.62dB，提升了约90%。浆液未覆盖区域存在裂缝，导致声波的传播受到极大阻碍，因此波幅上升幅度较小，最大仅提升4dB。在超声波图像上，将波幅增加幅度为4dB的位置使用红色线条标出，将其作为真实浆液填充轮廓线。结果表明，4dB波幅变化边界线与实际浆液轮廓线高度吻合，从而验证了通过波幅变化可以获取混凝土内部浆液分布情况的可靠性。图3c中由于裂缝被浆液完全覆盖，因此整个裂缝面即为浆液轮廓。

3.3 灌浆修复后波形特征值分析

图4显示了固定测点S-03在注浆过程中，声波波形随注浆时间的变化。从图4可以看出，在注浆开始4min内，整体波形没有明显变化，声时和波幅有轻微起伏。灌浆6～10min，浆液覆盖了固定测点S-03所在的区域，填充了裂缝，使得波形完整性大大提高，声时明显减少，波幅上升。

从注浆完成到固化72h后，波幅增大，声时减小，波形变得更为完整。这是由于在混凝土固化过程中，浆液逐渐填充混凝土中的空隙，使得混凝土的密实性增加，密实的混凝土结构减少了声波在传播过程中的散射和衰减。上述结果表明，在注浆过程中通过实时超声波监测，可以获得注浆深度的动态变化过程。

4 结束语

本文对灌浆修复前后波形变化、灌浆修复过程中和灌浆修复后的波幅及波形特征值进行了研究，得出如下结论：有无浆料覆盖的区域超声波波形的变化存在显著差异，超声波形状特征的变化可以有效判断浇注后浆料的覆盖情况。将波幅增幅为4dB的位置，作为分界线与真实浆液轮廓线高度吻合，通过波幅变化可以获取混凝土内部浆液分布情况。通过超声波实时监测可以获得注浆深度的动态变化过程，浆液未覆盖测点时，其整体波形没有明显变化，声时和波幅数据略有波动，浆液覆盖该测点后，波形完整性大大提高，声时明显减少，波幅上升。

参考文献

[1] 卜青青.超声波探伤技术在建筑钢结构检测中的应用[J].中华建设，2022（1）：138-139.

[2] 黄小菲，任少龙，李智勇，等.重大危险源泄漏下的超声波预警识别技术[J].当代化工研究，2021（18）：85-86.

[3] 劳荣国.研究建筑工程检测中无损检测技术的应用[J].低碳世界，2019，9（4）：151-152.

[4] 李金川.超声波技术在高铁钢轨焊缝探伤中的应用[J].设备管理与维修，2019（1）：149-151.

[5] 杨斌，刘国波.超声波检测技术在平板对接焊缝探伤中的应用[J].科技与创新，2017（20）：27-31.

[6] 胡玉叶，赵莉.基于超声波技术的低热水泥全级配混凝土微裂缝探测方法[J].黑龙江工业学院学报（综合版），2022，22（12）：86-92.