冲击映像方法在水工结构渗漏病害检测中的应用

朱仁杰，车爱兰，惠翔宇，冯少孔

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

冲击映像方法在水工结构渗漏病害检测中的应用

朱仁杰，车爱兰，惠翔宇，冯少孔

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

冲击映像法作为一种基于弹性波反射原理的无损检测方法，具有检测速度快、结果直观可视的特点，能够快速的评价地下介质沿垂直和水平方向的变化。针对水工结构及其下部基础的特点和常见病害，以弹性波在多层介质不同交界面的传播特性为理论基础，采用有限元动力法分析弹性波传播特性与缺陷位置、缺陷大小的相关性，特别关注介质表面的冲击响应能量与缺陷位置、大小的关系，明确介质中缺陷的平面分布情况，评价了该检测方法的误差影响因素。在此基础上，以具体水工结构渗水病害检测工程为背景，详细探讨了适用于水工结构检测的数据采集、分析、结果修正和结果可视化处理的方法，最后评价了缺陷分布和可能存在的渗透路径。

水利工程；多层介质；弹性波传播特性；冲击映像法；水工结构；渗水病害

0 引 言

水利工程是基础产业工程，目前我国正在大规模、高速度地进行水利开发，截止2014年10月，我国已建成大小泵站70余万座[1]。然而，由于设计、施工以及运营维护等诸多原因，这些水工结构大都带病运行，严重影响结构的正常使用功能和使用安全，为了杜绝安全隐患，预防经济损失，对这些水工结构及时检测和维护十分重要。

水工结构常见病害主要包括混凝土结构病害和混凝土下部基础结构病害。由于水工结构的水文地质条件以及运营环境等复杂多样，水工混凝土会发生裂缝、冻胀、冲磨、空蚀等病害；基础会发生管涌、冲蚀等病害，表现为地基土的脱空、疏松和软弱[2]。针对这些常见病害，国内外目前主要的检测方法有钻孔取芯法、回弹法、探地雷达法、超声波法等[3]。其中钻孔取芯法是有损检测方法，影响结构的正常使用功能；回弹法探测混凝土表面强度，无法探测其内部病害；探地雷达法受钢筋网屏蔽影响大；超声波法需要发射器及接收器对穿，难以应用于混凝土下部基础病害检测。可见，这些方法都在水工结构检测方面存在一定的局限性[4]。

由于弹性波的传播速度与介质的密度、强度等物理力学参数有密切的关系，近年来基于弹性波理论的检测方法得到了重视，例如冲击回波、冲击映像法、高密度面波等[5]。其中冲击映像法作为一种基于弹性波反射原理的无损检测方法，具有检测速度快、结果直观可视的特点，能够快速的评价地下介质沿垂直和水平方向的变化[4]。近年来该方法已应用于沉管隧道注浆检测、高速铁路线下结构病害检测[6]、大型混凝土立墙裂缝检测[7]等工程，这些工程多为离缝问题，为薄层效应问题。水工结构为多层软夹层结构，夹层厚度达几十厘米至几米、下部基础地质状况复杂，为多层介质层间传播特性问题。反射波在检测体内很快就到达检测点，震源所激发的直达波、反射波等各种波形成分混合在一起，无法凭波形观察直接区分开来。目前仍然存在许多尚待解决的问题。比如其波形特征和结构缺陷位置、大小、类型之间的关系等。

笔者基于弹性波在层状半无限空间弹性均匀介质中的传播理论，采用有限元数值计算方法探究了冲击响应能量和结构缺陷类型、大小、位置之间的相关性。同时，根据响应波形的振幅特性，提出了评价指标体系。在此基础上，以厦门水务某排洪泵站检测工程为工程背景，针对高位井结构下部缺陷的位置、深度、大小，开展了现场实测，对冲击映像法的数据采集方法，检测测点布置、设备及参数选取、数据的质量保证和预判措施等进行了详细的研究。通过分析病害现象及成因等，探讨了冲击映像检测方法的有效性。

1 冲击映像法检测原理及工作方法

1.1 多层介质中的弹性波传递特性

半空间弹性介质中，其表面某一局部受到扰动后，由近及远，介质各点将离开自己的平衡位置进入振动状态而出现波动现象。弹性波在多层介质模型中传播时，主要成分是在各个分层界面产生的透射波和反射波。每个反射波都应该满足弹性波波动方程。当入射波波前还未达到分界面时，波不会受到界面存在的影响，像在均匀介质中传播一样。当入射到分界面时，将产生反射波、透射波、反射转换波、透射转换波，以此类推。如图1所示的多层介质模型，振动波源从表层入射，其中，深度方向的坐标为Zm(厚度Hm=Zm-Zm-1)，各层中密度ρm，横波速度vs,m、纵波速度vp,m为常数[8-9]。

图1 层状介质中波的传播Fig. 1 Wave propagation in the layered medium

波动方程应满足：

(1)

式中：τ为水平面内的剪应力；u为质点位移[10]。

在重复反射理论中，考虑成层介质为n个相同介质的组合，从各层的一般解的重叠中计算响应结果。

考虑入射波垂直进入介质的情况，即入射角α1=0°，此时P波与S波之间的不发生转换，分界面上反射波和透射波成分与入射波均相同。因此，根据分界面两边介质材料物理力学参数，可得纵波(P波)和横波(S波)的反射系数，可表示为：

(2)

(3)

式中：Rpp为P波反射系数；Rss为S波反射系数。

由式(2)、式(3)可知，无论是纵波还是横波，反射系数都由界面两边的介质的波阻抗(波速与密度的乘积)差决定。

假定各层波函数在各个分界面上均满足边界条件、连续条件，我们可以根据边界条件方程来确定各层的透射系数、反射系数。通过第n层底面和第n-1层顶面的应力分量和位移分量之间关系递推到各个夹层分界面上的位移分量和应力分量的关系：

(4)

可以看到，在多层介质表面入射一个激发波之后，在表面接收到的波形是由各个分层界面反射的波和反射转换的波经过其他分层界面反射、透射、反射转换、透射转换的影响之后产生的叠加状态，难以给出解析解答。而数值模拟可以在一定精度范围内反映接收到的波形特征，所以要采用数值模拟的方法来研究弹性波在多层介质中的传播特性。

1.2 工作方法及数据处理方法

1.2.1 工作方法

冲击映像法的工作方法如图2。首先用冲击锤击打岩土体或结构体介质表面以产生特定的能量和频率的入射波(击打位置称为激发点)。一般在混凝土表面激发波的频率范围集中在1 000～3 000 Hz。在距离激发点一定距离(这个距离称为偏移距D)处使用检波器接收响应波形信号(接收位置称为接收点)。一般采用速度型检波器，可采用竖直向单分量检波器或者两水平方向一个垂直方向的三分量检波器。完成一个测点的数据采集之后，保持偏移距不变，沿测线方向移动一定的距离X0，再用同样的方法进行下一个测点的数据采集，重复以上过程完成整条测线或整个测区的数据采集工作。

图2 冲击映像法工作方法Fig. 2 Working method of the impacted image method

1.2.2 数据处理方法

据多层介质中的弹性波反射理论，在岩土体或结构体表面激励一个合适的震源，然后在相同表面采用检波器接收响应波形信号，介质的内部结构不同，产生的波动场就不同，其在介质表面的投影亦不同。根据响应波形(振幅大小、持续时间、丰度等)的变化来推断介质的变化。数据分析的具体步骤可以分为预处理、波形剖面及可视化处理、响应能量及响应能量放大系数平面分布处理、缺陷类型及空间分布评价。

1)预处理：首先对采集到的数据进行有效数据提取、格式变换、加入检波器位置信息，然后通过滤波、降噪等方法去除由于现场环境等原因引起的干扰波。

2)波形剖面及可视化处理：对同一条测线的数据进行预处理后，把处理结果按照实际位置进行排列绘制波形剖面。从波形剖面上可以直观的看出波形形态及持续时间等变化。以同一条测线距离为横轴，波形采样时间为纵轴，以等高线或者颜色深浅来表示波形振幅值的大小，绘制成2维成像剖面图。通过可视化的成像剖面可以直观观察到波形丰度、持续时间、能量大小等变化特性，从而快速直观的推断下部多层的变化情况。

3)标准化响应能量分布：响应能量定义为响应波形振幅绝对值的平均值，亦称为冲击响应强度。一般来说，需要采用无量纲的值对结果进行评价。采用认为无缺陷的某一条测线或者某一测点作为参考值，标准化响应能量值设定为Ri=Ai/A(i=1,2,…,n)，Ai为各响应波形的冲击响应强度，A为参考值。将测试区域内所有测点的标准化响应能量值加入位置信息并展开在检测区域平面内。通过均值化、插值、平滑等处理后，得到检测区域的标准化响应能量分布图。

4)缺陷类型及空间分布：通过数值计算或者模型试验等手段确定标准化响应能量值与缺陷类型、分布形态之间的关系，确定缺陷的空间分布以及类型等。

2 冲击映像方法的关键问题

采用商业有限元软件ABAQUS的有限元动力分析方法进行多层层状介质中弹性波传播的数值模拟计算。通过人为设置缺陷并改变缺陷的尺寸、位置，研究不同缺陷下弹性波传播特性的变化规律，包括冲击响应能量与缺陷类型、范围的相关性、冲击映像方法的检测工艺与检测误差的相关性等。

2.1 计算模型及参数

考虑到水工结构混凝土结构及下部基础分布较均匀，平面尺寸大，计算中将其简化为多层层状结构。根据水工结构常见病害类型在层间预设缺陷。模型结构尺寸为8 m×60 m。自上而下依次是混凝土结构层，碎石基础层，淤泥质土层和风化花岗岩层。各结构层厚度如下：混凝土层1 m，碎石基础层0.5 m，淤泥质土层5.5 m，风化花岗岩层1 m。为避免弹性波传播到模型边界时产生反射，在模型的左、右下边界设置无限元单元边界。考虑到实际检测中的结构物理性质和弹性波波长等因素，将网格尺寸设定为5 cm×5 cm，采用四节点平面应变单元，整个模型划分为89 158个单元，如图3。

图3 层状缺陷布置示意Fig. 3 Location of the layered defects

在水工构筑物混凝土结构中，底板通常采用C30混凝土浇筑，其剪切波波速为2.2～2.5 km/s，纵波波速为3.0～4.0 km/s。底板下设置碎石等基础层，其强度和剪切波波速较混凝土要低，基础层下为地基土层，其强度和剪切波波速更低。对于缺陷部分，考虑到实际情况及有限元计算的收敛问题，采用饱和黏土填充。参考GB 50265—2010《泵站设计规范》和《普通混凝土力学性能试验方法标准》的各项规定，模型各层材料参数如表1。

表1模型材料物理参数

Table1Physicalparametersofmodelmaterial

介质材料密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比混凝土2400300．30碎石基础22000．50．20淤泥质土14000．010．25缺陷10000．00050．30基岩层(风化花岗岩)2800500．30

数值模拟中采用雷克波作为激发震源。根据现场采集波形的频率特征，雷克波的主频设定为1 500 Hz。基于Courant条件，波的采样间隔应满足Δt/2

2.2 冲击响应能量与缺陷类型的相关性

为了研究冲击响应能量和缺陷类型之间的相关性，参考水工结构下部常见病害类型，建立两种缺陷和不存在缺陷共3种工况的有限元模型。分别为：工况1—不存在缺陷；工况2—在混凝土层和碎石基础层层间设置层状缺陷；工况3—在碎石基础层和淤泥质土层层间设置层状缺陷。缺陷层厚度为0.2 m，采用饱和黏土填充，缺陷分布如图3。每种工况激发1次，激发点位于模型正中间位置，偏移距D=0.5 m。激发及接收方向均为y方向。

图4为3种工况的的波形响应分布。由图4可见，波形最前0.004 s的成分单一，仅为直达波，故而各波形均一致，而后反射波到达，各成分波形混合在一起，难以区分。但是从响应波形的振幅上可以判断，缺陷层的存在导致波形的振幅增大，这也说明更少的能量得以传递到波速低层内及以下。3种工况的冲击响应能量分别为0.005 8、0.008 0、0.007 1 m/s。以工况1无缺陷模型为参考，2种缺陷模型的标准化响应能量值分别为Ri= 1.38、1.22。由于表层检测对象的厚度只有1.0～1.5 m，震源所激发的直达波、反射波等各种波形成分混合在一起，反射波在检测体内很快就到达检测点， 2种缺陷的标准化响应能量值很难区分开来。

图4 波形响应示意Fig. 4 Schematic of waveform response

2.3 响应波场与缺陷尺寸的相关性

在混凝土层和碎石基础层层间设置不同宽度的缺陷，通过改变缺陷宽度来研究冲击响应波场与缺陷尺寸的相关性。缺陷分布按照全对称设置，设置于模型正中间。缺陷宽度分别为0、1、2、3、4、5、6 m，缺陷层厚度为0.2 m，如图5。每种工况激发1次，激发点位于模型正中间位置，偏移距D=0.5 m。激发及接收方向均为y方向。

图5 有限宽度缺陷布置示意Fig. 5 Location of the defect with finite width

图6为缺陷宽度2 m时的弹性波场快照，快照显示的是缺陷附近(1.5 m×1.5 m范围)t=0.005 5 s时的y方向速度分布。由图6可知，在模型上表面激发一雷克子波后，弹性波到达缺陷区域后，由于缺陷层的存在产生了多次反射波、透射波，当缺陷尺寸有限时，除少量能量传递到波速低层内及以下外，还会发生绕射。

图6 波场快照Fig. 6 Snapshot of wave field

图7为缺陷尺寸宽厚比与标准化响应能量值的关系。图7中横坐标为缺陷宽度与缺陷深度的比值，其中0表示不存在缺陷。由图7可知，当缺陷宽度与缺陷深度的比值为0～1范围时，标准化响应能量值基本保持不变，与不存在缺陷时相同；当缺陷宽度与缺陷深度的比值为1～3范围时，随着缺陷宽度比的增大，标准化响应能量值呈线性增大趋势；当缺陷宽度与缺陷深度的比值大于3时，标准化响应能量值基本保持不变。可以认为，响应波场与缺陷尺寸存在相关性，并且当缺陷区域宽厚比在一定范围内时，标准化响应能量值可以用于判断下部介质的变化区域的空间分布。

图7 缺陷尺寸宽厚比与标准化响应能量值的关系Fig. 7 Relationship between the width-thickness ratio of defect size and the energy value of the normalized response

2.4 检测工艺与检测结果误差的相关性

考虑到实际检测过程中偏移距、测线布置和测点布置等检测工艺可能导致检测结果出现偏移、失真等误差，建立符合实际检测工艺的有限元模型对检测工艺和结果误差之间的相关性进行研究。

以宽厚比为3时的工况为对象，缺陷分布按照全对称设置，设置于模型正中间。缺陷宽度设置为3 m，缺陷层厚度为0.2 m。检测范围为以缺陷区域为中心的9 m范围内。偏移距D=0.5 m，X0= 0.5 m。测线分布如图8。激发及接收方向均为y方向。

图8 工况示意Fig. 8 Working condition

图9为测线的标准化响应能量值分布。由图9可见，缺陷的存在对冲击响应强度具有放大效应。其放大性依存于激发方式。当激发在缺陷处时，标准化响应能量值达到1.38以上。激发在边界处时，标准化响应能量值达到1.28。激发在无缺陷处时，标准化响应能量值只有1.03。由于标准化响应能量值对检测工艺的依存性，评价结果在检测测线推进方向会导致半个偏移距的误差。评价检测结果时可在测线推进方向修正半个偏移距。

图9 标准化响应能量值分布Fig. 9 Energy value distribution of the normalized response

3 某泵站高位井下部缺陷检测及病害分析

3.1 工程概况

本次试验在厦门市思明区筼筜湖排洪泵站进行，泵站的主要设施结构包括蓄水湖、泵房、透水井、高位井和箱涵，平面布置如图10。主要结构泵房为地上一层高约5 m，地下一层高约10 m，平面尺寸为长约20 m，宽约12 m，地上建筑为框架结构，地下泵房为钢筋混凝土结构。高位井总长度43.5 m，宽度为6 m，自南向北分为高、低、高3个平台，平台与平台之间由1.4 m宽斜坡连接，坡高为0.5 m，高位井底板下为0.5 m厚碎石基础层。附近地质钻孔信息揭示，该区域土层分布为：±0.00 m至-4.80 m为杂填土，-4.80 m至-12.25 m为淤泥质土，-12.25 m以下为风化花岗岩。风化花岗岩为结构基础持力层。

图10 泵站平面布置Fig. 10 Plane layout of pumping station

据现场观测，泵房及其配套建构筑设施整体上未发现明显倾斜、侧移拉裂等破坏迹象，泵房内也无明显破坏的痕迹，在泵房的外侧靠近墙边的地基土多处发生明显地面塌陷，下陷深度约1～20 cm不等，墙体与墙边土体间隙5～30 cm，在泵房外西侧排洪管道的南北各有一处地面塌陷，地面洞口直径约1 m，经过简单的回填土处理，场地地面的其它部位无明显地面塌陷痕迹。泵站透水井和箱涵底面存在明显渗水现象，如图11。结合蓄水湖水位高于海平面，存在沿蓄水湖向海水的水力坡降，存在形成一定的渗水通道的安全隐患。

图11 渗水点照片Fig. 11 Photo of seepage point

3.2 现场数据采集及测线布置

检测系统由数据采集用数字地震记录仪(Geometrics公司生产，24通道高精度宽频带地震仪)、速度型检波器(固有频率200 Hz)及耦合装置、笔记本电脑、连接电缆、激发装置(250 g钢锤)、电源等组成。为保证检波器与接触面的耦合，每个检波器下设置10 cm×10 cm的铝板固定装置。震源的频率大小由锤子的形状、重量以及与地面的接触状态等因素决定，一般来说震源的频率大小与锤子的质量大小成反比。选用250 g小铁锤作为激发源。检测现场如图12。

图12 现场检测Fig. 12 Site testing

针对可能存在透水通道的关键结构高位井，采用冲击映像法进行下部缺陷空间分布检测。现场测线布置如图13。

图13 测线示意Fig. 13 Schematic of survey line

由图13可见，在高位井内南北方向每隔0.5 m布置一条测线，共12条，每条测线长43 m。每条测线上间隔0.5 m布置一个测点，共87个测点。测线跨越平台之间斜坡区域时，以水平距离进行测点位置控制。数据采集采用的偏移距为0.5 m。采样间隔20.833 μs，记录时长为0.17 s，采样延迟为0.004 s，每一组数据记录8 139个数据点。

3.3 数据分析

以测线L5为例进行波形分析，图14和图15分别为测线L5的波形分布和标准化响应能量值分布。由图14可知，波形响应在4～8、9～20、24～27 m范围内存在明显响应增强的现象。由图15可知，与波形响应增强区域对应，在9～20 m范围内存在较多的响应能量放大区域，最大标准化响应能量值达到5倍。

图14 测线L5波形罗列Fig. 14 Waveform list of survey line L5

图15 标准化响应能量值曲线Fig. 15 Energy value curve of the normalized response

图16为修正后的标准化响应能量值分布，图16中标示出冲击响应能量达到1.38时的等高线。根据数值计算的结果可见，以标准化响应能量值达到1.38为参考值，可以认为区域内存在大面积的层间脱空或者疏松状况。

图16 检测区域内标准化响应能量值分布Fig. 16 Energy value distribution of the normalized response in test area

3.4 高位井下部渗漏病害评价

从图16可见，检测对象高位井下部存在混凝土与碎石层间、以及碎石层与基础土层间的两种脱空、疏松带病害。病害分布在高位井南侧4～18 m范围内，并在东西方向连续贯通。结合图10中的观测病害，高位井下部的脱空疏松带的贯通性存在，明确了泵站内透水通道的存在，且通道分布在1.0～1.5 m深度范围。建议对该透水通道进行封堵处理。

4 结 论

1)在层状介质弹性波传递理论的基础上，采用有限元数值方法，模拟计算弹性波在多层介质中的传播特性。通过不同工况下的模拟计算，获得了标准化冲击响应能量值。明确了层间缺陷类型对标准化冲击响应能量值的影响，缺陷的存在对冲击响应强度具有放大效应，其放大性依存于激发方式。通过对检测工艺引起的误差进行修正后，采用标准化冲击响应能量值可以准确的评价多层介质层间缺陷的空间分布。

2)针对某运营泵站的工程病害问题，开展了冲击映像法的工程应用。结合已发现的病害，明确了泵站内透水通道的存在以及其空间分布。并对今后的加固维护提出了具体的建议。

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ApplicationofImpactedImageMethodtoWater-SeepageDiseaseTestingofHydraulicStructure

ZHU Renjie, CHE Ailan, HUI Xiangyu, FENG Shaokong

(School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,P.R.China)

The impacted image method is a kind of nondestructive examination method based on the principle of elastic wave reflection, which has advantages of rapid detection and visualization of results. And it can fast evaluate the underground medium along the vertical and horizontal directions Aiming at the characteristics and common diseases of hydraulic structure and its foundation, the correlation analysis on elastic wave propagation characteristics, defect location and defect size was carried out by dynamic finite element method, which was taking the characteristics of elastic wave propagation in multilayer medium with different interface as the theoretical foundation. The relationship between the impact response energy of medium surface and defect location and size was especially focused. The plane distribution of defects in the medium was cleared. The impact factors on error of the impacted image method were also evaluated. On this basis, taking the concrete hydraulic structures seepage disease detection project as the background, the method which was adapt to the data acquisition, analysis, result correction and visualization processing of the hydraulic structure detection was discussed in detail. Finally, the defect distribution and possible infiltration paths were evaluated.

hydraulic engineering; multi-layered medium; elastic wave propagation characteristics; impacted image method; hydraulic structure; water-seepage disease

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.10

2016-03-21；

2016-11-05

国家自然科学基金项目(11372180);

朱仁杰(1994—)，男，上海人，博士生，主要从事无损检测技术方面的研究。E-mail：903739310@qq.com。

车爱兰(1969—)，女，吉林吉林人，教授，主要从事岩土体动力特性及相关测试技术方面的研究。 E-mail：alche@sjtu.edu.cn。

O 319.56

A

1674-0696(2017)11-048-08

(责任编辑：谭绪凯)