脉冲回波法在渡口坝水电站工程质量检测中的应用

　　1、 概述

　　引水系统在水利水电工程中具有极其重要的作用，引水系统能否安全运行关系到整个水电站运行的成败。引水系统安全运行取决于隧洞衬砌及灌浆质量的好坏，特别是在有压、高水头、长隧洞中，衬砌混凝土承受围岩压力、内水压力及其他荷载等作用。混凝土衬砌及灌浆质量的好坏对隧道长期稳定、使用功能的正常发挥以及外观,均有很大影响。为了确保隧洞的衬砌与质量，对隧洞进行无损检测是非常重要的环节。目前，对衬砌厚度、缺陷以及空洞的检测方法很多,比如冲击回波法、地质雷达法、声波法等。但是，引水隧洞有自身的特点，根据地质及水压等条件，有的隧洞设计衬砌混凝土较厚、钢筋间距小，同时采用双层钢筋等特点，限制了许多无损检测的方法。本研究提出采用脉冲回波法能很好的解决这一问题，其测试参数有衬砌混凝土的强度、混凝土的厚度、内部缺陷及脱空深度，并在渡口坝水电站工程得到了应用。

　　2、 工作原理及仪器特点

　　2.1 工作原理

　　脉冲回波法检测采用 SCE-MATS-S 混凝土多功能无损测试仪，利用冲击弹性波技术进行无损探测。本测试仪主要是由激振子系统、采集子系统和数据分析子系统构成。在检测过程中，先由激振子系统在混凝土衬砌表面施加一瞬时的冲击，产生应力脉冲波（主要考虑纵波）传入混凝土衬砌内部，被衬砌内部缺陷表面或底部边界反射到混凝土衬砌内，反过来，又被衬砌表面反射到衬砌内部，从而再一次被介质内部缺陷表面或底部边界反射。由采集子系统获得的时域信号通过快速傅立叶变换法（FFT）转变为频域信号，即把位移-时间曲线转换为振幅-频率关系曲线，由其多次反射产生瞬态共振条件，数据分析子系统从振幅谱中辨别出共振频率，可用于确定混凝土衬砌的厚度及其内部缺陷的深度。

　　2.2 仪器特点

　　SCE-MATS-S 混凝土多功能无损测试仪可对混凝土材料、结构物及岩体的裂缝深度、结构内部强度、内部空洞、表层剥离、表层刚性及结构厚度进行检测。其测试精度高，功能强大且操作简便灵活。与市面上的冲击回波测试混凝土厚度和缺陷的仪器相比，该测试仪采用多种频谱分析方法和智能机制，自动搜寻最优结果，具有更高的测试精度。它不仅可以测试混凝土面板，还可以测试深达数米的基础埋深和挡土墙厚度等，具有更广的测试范围。

　　3 、工程实例

　　3.1 工程概况

　　渡口坝水电站为混合式电站，工程由大坝枢纽、引水建筑物及地面厂房枢纽组成，引水隧洞全长 20026.44m，开挖洞径 5.2m，采用双层钢筋混凝土衬砌，衬砌后洞径 4.2m，衬砌厚度 50cm，钢筋间距12.5cm～20cm。引水隧洞沿线为深～中切中～低山区，山势陡峻，沟谷深切，山体总体走向 NWW，地形标高一般 600～1200m，相对高差400～600m。隧洞埋深一般 150～300m，冲沟处埋深 10～150m，最小埋深 10m，最大埋深约 840m。洞线穿越地层为三叠系上统须家河组、侏罗系下统珍珠冲组、中下统自流井组、中统新田沟组、下沙溪庙组、上沙溪庙组及上统遂宁组，岩性为岩屑长石石英砂岩、长石砂岩、粉砂岩、页岩、泥岩夹薄煤层及煤线。

　　3.2 测线布置

　　本工程脉冲回波法无损检测共布置 3 条测线。其中拱顶测线布置在隧洞正顶部，左右拱肩测线偏离拱顶测线左右各 60°，线距为1～5m，点距为 0.1～0.2m。

　　3.3 检测成果分析

　　本工程隧洞长为洞全长 20026.44m，由于隧洞较长，不全部分析，文章取 K2+400~K2+410 段为例来说明检测情况，该段为Ⅴ类围岩，直径为 22mm 的双层钢筋设置，混凝土衬砌厚度为 50cm。

　　3.3.1 混凝土强度测试。在测试系统中，采用冲击弹性波作为测试媒介，通过测试弹性波的波速，据此计算材料的动弹性模量和推算相应的静弹模，进而根据静弹模与抗压强度的相关关系推算混凝土的抗压强度。

　　采用表面波法测试混凝土衬砌的强度，在 K2+400~K2+410 测试断面中间的左右侧拱腰处各布置 2～3 个测段，共 4～6 个测段，每个测段长 1m，测试五次，得到测试断面的混凝土衬砌的详细数据如表 1。由表 1 可知，测试断面衬砌混凝土平均强度为 24.1Mpa，基本达到设计要求衬砌混凝土强度 C25。通过整个测试数据表明，干燥部位混凝土强度明显较高，潮湿部位混凝土衬砌的强度明显偏低。

　　3.3.2 混凝土衬砌厚度测试。混凝土衬砌结构的厚度测试，主要采用单面反射法。根据尺寸的大小、激振波长和能量的强弱，可以采用单一反射法和重复反射法。经过测试得到 K2+400~K2+410 段混凝土衬砌拱腰及顶拱处的最大、最小及平均厚度见表 2，衬砌混凝土厚度分布见图 1。由表 2，图 1 可知，衬砌混凝土无论是左右侧腰拱还是顶拱其平均厚度均超过设计厚度 40cm。

　　3.3.3 混凝土衬砌内部缺陷与脱空测试。基于冲击弹性波的弹性波雷达扫描技术，沿测试对象表面连续激发弹性波信号，信号在遇到空洞等疏松介质时会产生反射。通过抽取该反射信号并进行相应的图像处理，即可识别结构的内部缺陷。

　　在产生脱空的部位，当锤击混凝土衬砌结构表面时，在表面会诱发振动，因此，可以用传感器直接拾取结构表面的振动信号。所有测试断面的缺陷描述及分布分别见表 3 和图 2，其中表 3中，缺陷的特征尺寸描述中，前一个值（或者范围值）表示沿测线方向上缺陷的长度，后一个值（或者范围值）表示缺陷在测线法向的大小（缺陷的深度）。

　　由表 3 和图 2 可知，两腰拱测线上发现缺陷，顶拱正常，其测试断面的缺陷尺寸较小，长度与深度范围主要集中在 0.1m～0.2m，且分布较零散不连续。

　　4、 结束语

　　渡口坝水电站引水隧洞设计采用衬砌钢筋混凝土，具有钢筋间距小及双层钢筋等特点，双层钢筋网对电磁波具有屏蔽作用，致使许多无损检测效果差。脉冲回波法检测法测试精度高，功能强大且操作简便灵活。在本工程中此检测方法很好的解决了这一工程特点，经试验检测效果显著，为确保衬砌混凝土与灌浆质量提供了有力保障，提高了安全运行水平，有一定的借鉴意义。

　　参考文献：
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