声波穿透在大坝混凝土裂缝检测中的应用

2010-06-28韩道林楼加丁

四川水利 2010年4期

徐波,韩道林,楼加丁

(1.四川省武都水利水电集团公司,四川绵阳,621002;2.贵阳勘测设计研究院,贵阳,550081)

在水工建筑物中,混凝土所产生的裂缝对工程安全性及功能性都有较大的影响。大坝坝体裂缝对大坝的防渗及安全性都存在隐患。为保证混凝土建筑安全、确保工程质量,对所产生的混凝土裂缝一般都需处理。对非重点部位或较浅的混凝土裂缝,工程中首选表面涂抹、表面贴补法或用修补材料直接填充裂缝。该处理方法简单、成本较低、处理速度快;对重点部位或较深的混凝土裂缝,一般采用普通水泥灌浆、湿磨细水泥灌浆或化学灌浆等方法。该类方法不受裂缝深度限制、处理方法成熟及处理后的质量可靠。处理前准确测定裂缝深度是制定各类处理方案的重要依据,也是保证裂缝处理到达预期效果的前提。本文以四川武都水库大坝坝体混凝土裂缝的检测为例,介绍声波穿透在混凝土裂缝处理前后检测中的应用。

1 检测方法

声波穿透法是采用脉冲波在同等状态的混凝土中传播,测试声波在混凝土中的波速、首波振幅和频率等声学参数的相对变化,判断混凝土中的缺陷及其发育深度。

声波波速是反映混凝土完整性及强度的最重要参数,它与混凝土的致密程度及骨料的粗细有较强的相关性。相同材料组成的混凝土,其内部越致密、孔隙越低,则声波波速越高,强度越大,否则相反。此外,混凝土的声波波速还受混凝土的浇筑质量、配合比、龄期、温湿度、硬化环境及施工工艺的综合影响。

声波波幅是反映声波在混凝土中衰减程度的重要指标。同等状态的混凝土,声波的幅值越低,表明混凝土对声幅的衰减就越大,混凝土质量就越差。由于声波的衰减和散射衰减的增大,使得接收波幅明显下降,声波波幅成为判断微小缺陷的重要参数。因此,根据混凝土中声波衰减的幅值可判断混凝土中是否存在裂缝、离析区、夹泥、蜂窝等缺陷。实际测试工作也证明,声波振幅对混凝土小的缺陷区反应比声波波速值更为敏感。

声波脉冲具有宽带频波,频率成份相当丰富。声波脉冲穿过混凝土后,各频带成分的衰减程度不同,通常情况高频部分比低频部分衰减严重,并导致接收信号的主频向低频端漂移,其漂移多少取决于混凝土质量的好坏程度与混凝土缺陷的类型。因此,声波频率也是判断微小缺陷的一个重要的参考量。

2 检测布置

为了准确测定混凝土中裂缝的深度及其产状的变化情况,一般在裂缝的两端附近及中间部位分别布置一组钻孔,每组声波穿透钻孔为3个(如图1中的ZK1、ZK2、ZK4),必要时在裂缝上增加一个钻孔进行钻孔录像(如图1中的ZK3)。3个声波穿透孔,可完成2对声波穿透。其中,一对为垂直裂缝走向,另一对为平行裂缝走向,且两对孔间距保持一致,以便对存在裂缝时声波透射的波速、波幅、振动频率进行比较。

图1 裂缝检测钻孔布置

3 判断方法

3.1 声波波速在声波穿透测试中,声波声速反映的是两个钻孔之间混凝土的平均波速。现场试验可知,当孔间距大于1.5m时,声波波速对混凝土裂缝反映不明显;当孔间距小于1.5m时,声波波速对混凝土裂缝反映明显,可作为混凝土裂缝判断的主要依据。如图2,孔间距为1.3m声波穿透实测波速曲线图,从波速变化情况上判断该处混凝土裂缝深度为2.3m。图3,孔间距为2.0m声波穿透实测波速曲线图,从该图的波速变化情况,难以准确判定该处混凝土裂缝深度。

3.2 声波波幅

由于声波波幅大小不仅取决于混凝土本身的性能、质量,还与换能器(灵敏度、频率及频率特性)、仪器等一系列非缺陷因素以及换能器与混凝土的都声耦合状态有关。为使波幅值能相对地反映混凝土性质、质量,在波幅测量中必须保证测量系统因素的一致性,以保证波幅的相互可比性。一般在测试中宜做到以下几点:①保持测试系统状态的一致性;②保持测试参数不变;③换能器与混凝土之间的耦合状况的一致性;④在运用波幅作相对比较时,保持相同孔间距和相同测试角度。

3.3 声波频率

声波脉冲是复频波,具有多种频率成分。当声波穿过混凝土后,各频率成分的衰减程度不同,高频部分比低频部分衰减严重,因而导致接收信号的主频向低频端漂移,其漂移多少取决于衰减因素严重程度。可见,接收波主频率实质上是介质衰减作用的一个表征量,当遇到裂缝时,由于衰减严重,使接收波主频率明显降低。因此,在判断混凝土裂缝深度时,声波频率也是一个重要的参考量(如图6所示)。

图6 完整混凝土的声波频谱分布

图7 有裂缝的混凝土的声波频谱分布

综上所述,在判断混凝土裂缝深时,应综合分析以上三个参数。经施工处理混凝土裂缝时钻孔揭露出的裂缝证实,混凝土裂缝测定的深度与钻孔揭露出的深度相当吻合,相对误差可控制在±10cm以内。

4 工程实例

4.1 工程概况

武都水库位于四川省江油市境内的涪江干流上,枢纽由碾压混凝土重力坝与坝后式厂房组成,最大坝高120.14m,坝顶高程660.14m,正常蓄水位658m,总库容5.72×108m3,装机容量150MW。5.12汶川8.0级大地震,对在建的武都水库大坝及建基面岩体造成不同程度的影响,出现了91条裂缝,最长的可达59.2m。按照国务院发布的汶川地震灾后恢复重建条例和水利部支援四川震损水库应急除险方案设计指导小组专家和水规总院领导意见,须对大坝混凝土裂缝深度及延伸范围进行检测,为大坝震后设计处理提供资料。

本工程裂缝深度检测主要采用声波透射法,必要时辅以钻孔录像。为了节约投资,应对裂缝深度进行评估,评估时应考虑到混凝土浇筑层面厚度、该层与下一层浇筑的时间差、及以往检测同部位时混凝土的裂缝深度。所布置的钻孔深度应大于估计裂缝深度,根据测试情况调整孔深。本工程完成了91条裂缝检测,检测出裂缝的最大深度为11.4m。在检测时初步设计钻孔深度为2m～8m,如经检测裂缝深度大于所钻孔深度再增加孔深,最大检测钻孔深度达13.0m;声波穿透孔间距,一般控制在1.5m～2.0m。本文以18#坝段585m高程层面裂缝检测及20#坝段595m高程层面裂缝灌浆处理后质量检测为例,浅谈声波穿透在裂缝检测中的运用。

4.2 检测成果

4.2.1 灌前裂缝深度检测

本工程18#坝段高程585m层面新增3条裂缝。其中,1条编号为18XF1(见图8),共布3组检测孔,共12个钻孔对该裂缝进行检测。其中,(18-X11)～(18-X12)为跨缝穿透,(18-X9)～(18-X12)为背景孔穿透,实测波形图见图9、图10(3.0m以上部分);波幅及波速变化见图11、图12;波幅及波速分段统计见表1。从波形图、波幅及波速变化情况综合分析可知,在孔深1.6m以上,波幅明显变低,由于孔间距为2.0m且裂缝宽度较细,声波波速反映不明显,综合判断该处裂缝的深度为1.6m。通过对该裂缝所布置的3组钻孔检测,分别得出每组跨缝对穿孔间的裂缝深度,结合3处裂缝深度可推测该裂缝的变化趋势(见图13)。

表1 声波穿透裂缝检测声波穿透平均振幅、波速统计

图13 裂缝深度变化趋势示意

通过对声波穿透综合分析所得出裂缝深度,与裂缝处理时所钻一排φ275mm大孔揭露的裂缝深度进行了对比,对比结果见表2。从表2中可以看出,由于裂缝处理孔与检测点的位置不同,与测点附近的钻孔对比,裂缝的深度有误差。因此,综合利用声波的波速、波幅、频率综合判断裂缝的深度精度是相当高的。

表2 声波穿透检测裂缝深度与钻孔取芯揭露深度对比

4.2.2 灌后裂缝深度检测

为正确评价混凝土裂缝,采用CW化学灌浆处理后的效果,对本工程20#坝段LV裂缝灌后质量做了检测。检测方法采用裂缝上取芯,同时对原跨缝检测声波穿透孔进行了原位测试。裂缝灌后钻孔取芯芯样见图14。从图14上可见,采用CW化学灌浆后,混凝土裂缝充满了浆液,胶结密实。声波穿透测试以LVZK 13-15为例,灌前裂缝深度为7.3m,灌前、灌后波速、波幅对比见图15。从图15波速曲线上看,灌后波速值略有提高,平均值接近完整混凝土波速值;从振幅曲线上看,孔深0.0m～5.4m,波幅值接近完整混凝土值,反映灌浆效果优良;孔深5.4m～7.3m,波幅值提高后与完整混凝土的波幅值有小的差距,反映该段灌浆效果不如孔深0.0m～5.4m段好。