冲击回波法在大坝面板混凝土质量检测中的应用

余信江，张宏杰，刘 源，邓 杨，黎建洲

(1.长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，湖北 武汉 430010；2.水利部 水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010；3.水利部 国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010；4.水利部 小浪底水利枢纽管理中心，河南 郑州 450000)

1 引 言

冲击回波法是20世纪80年代末发展起来的一种针对内部结构缺陷、混凝土早期强度测试、厚度测试的非常有效的检测手段，冲击弹性波用锤或其他激振装置冲击产生，能够直接反映材料的力学特性，具有激振能量大、操作简单、便于频谱分析等特点，特别对于混凝土内部存在密集、复杂的钢筋网结构，由于冲击回波法相比其他方法具有频率更低、波长更长的特点，几乎可以避免钢筋网对检测结果的不利影响，是一种非常合适无损检测的方法，目前国内外很多专家对冲击回波法应用于混凝土进行了多方面研究。傅翔(2006)[1]、全朝红等(2010)[2]、范泯进等(2013)[3]、(2018)宋敏芳等[4]、方晓正等(2019)[5]、曹慧珺等(2017)[6]通过工程应用科学阐述了冲击回波法判断混凝土衬砌厚度和缺陷深度的方法与机制，最终应用结果表明冲击回波法在钢筋混凝土结构检测中的有效性；崔德密等(2018)[7]采用冲击回波法研究不同龄期、不同厚度的素混凝土试件和钢筋混凝土试件试验下，不同激振装置、混凝土强度等级、混凝土龄期、钢筋配置对测试结果的影响，提出了冲击回波法评价混凝土厚度的数学模型和评价方法；张景奎等(2018)[8]应用冲击回波法对不同类型和性质缺陷以及无缺陷的混凝土模型试件进行检测试验，深入研究了冲击回波方法所激发的低频应力波在混凝土介质中传播的基本特性及影响因素，并对冲击回波法检测混凝土厚度和内部缺陷的检测识别方法以及检测适用范围进行了系统的研究。赵仲杰等(2018)[9]运用Comsol Multiphysics有限元软件对隧道衬砌结构单层管片、管片背部黏结注浆层、管片背部砂土三种结构的模拟，并通过分析不同情况下的冲击响应频谱图像与结构质量问题，表明冲击回波法是检测隧道衬砌结构完整性的一个有效测试手段。因此，根据前人的研究基础和应用经验，采用冲击回波法对大坝混凝土面板质量检测应同样具有可行性。

2 冲击回波法原理介绍

2.1 冲击回波的产生

产生冲击弹性波的本质为振源产生的扰动，以波动的形式向远方向传播，在波动范围内的各粒子都会产生振动。冲击弹性波的产生一般有两种方法，即外力击打产生和由物体内部破损产生，其中冲击锤打击或刚球落下是最常用的激振方式。

图1 外力击打产生冲击回波示意图Fig.1 Impact echo generated by external force

改变冲击锤的大小可以产生不同频率特性的冲击弹性波。一般来讲，小的硬质锤可产生高频的弹性波，相反大的硬质锤可产生低频的弹性波，即与锤和打击对象的接触时间有明显的关系。刚球打击时，刚球和测试对象的接触时间Ts可以表示为[10]：

(1)

(2)

激振信号和引起的自由振动频率fs的关系如下[11]：

(3)

其中，fs为自由振动频率，单位：Hz。

通过上式可以看出，对于落下高度H的影响为H0.1，在通常的打击高度0.2～1 m的范围内，其对接触时间的影响仅有15 %。

表1是不同激振锤在0.6 m高度落在各种标号混凝土表面引起的弹性波的频率。

表1 典型条件下激振弹性波自由振动的频率(kHz)

2.2 冲击回波的传播

当通过外力产生冲击弹性波后，根据波动的传播方向与粒子的振动方向的关系可以形成多种形态的波，主要有体波(P波和S波)、表面波(Rayleigh波、Love波、Lame波等)，在结构表面激发的冲击弹性波以P波和S波的形式传播到结构深部，而R波则沿结构的表面向外传播，P波和S波在遇到内部缺陷时会产生反射，而当传感器与激发点位置较近时，P波占据了回波的主要成分，根据反射底端的深度和P波的传播时间，即可得到回波的传播时间[11]。

(4)

其中：Δt为波的传播时间，单位：s；T为波的传播深度，单位：m；CPP为结构中沿厚度方向传播的P波的波速，单位：m/s。

2.3 冲击回波的数据处理分析

通常接收到的冲击回波反射信号是具有多个单独频率和初始相位的单纯波的叠加结果，因此为准确得到反射信号位置及反射时间信息，目前比较常见的主要有傅立叶变换(Fourier Transform)、快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，简称FFT)、小波变换(Wavelet Transform)、最大熵法(Maximum Entropy Method，简称MEM)并行处理的方法以提高分析精度和能力。而最大熵法是一种以数据模型为基础的现代谱估计技术，与普通的FFT谱相比，具有谱线平滑、频谱分辨力高、输出信噪比较大、适用于短数列等优势，可以从强噪声背景中提取有用信号，因此笔者采用该方法对采集波形进行频谱分析处理。

3 实际模型测试

3.1 实际模型1

为测试冲击回波法对缺陷形状的敏感程度，故设置2个不同类型、内部不同形状缺陷的混凝土模型。

3.1.1 实际模型1(a)

实际模型1(a)为C50强度混凝土试块，长2 m，宽1.5 m，高0.3 m。内部设置缺陷1：椭圆形缺陷，缺陷高度0.1 m；缺陷2：直径约0.3 m圆形缺陷，缺陷高度0.05 m，缺陷内部内部无填充。实际模型1(a)的示意图如图2所示。

图2 实际模型1(a)示意图Fig.2 Schematic diagram of actual model 1 (a)

3.1.2 实际模型1(b)

实际模型1(b)为C30强度混凝土试块，长1 m,宽1 m,高0.3 m。内部设置缺陷1：0.3 m×0.3 m正方形缺陷；缺陷2：直径约0.1 m圆形缺陷；缺陷3：不规则缺陷；缺陷内部均无填充。实际模型1(b)的示意图如图3所示。

图3 实际模型1(b)示意图Fig.3 Schematic diagram of actual model 1 (b)

采用四川陆通检测科技有限公司自主研发的“混凝土缺陷及尺寸无损检测仪”LT-CQST，采用17锤(直径0.17 m)激发、RC50传感器接收信号，在试块上表面依次均匀布置多条纵向二维测线，并对采集的数据采用最大熵法进行频谱分析，结果如图4、图5所示。

图4 实际模型1(a)回波法综合云图Fig.4 Comprehensive cloud map of actual model 1 (a) by echo method

图5 实际模型1(b)回波法综合云图Fig.5 Comprehensive cloud map of actual model 1 (b) by echo method

采用冲击回波法对混凝土内部缺陷测试分析结果发现，在厚度一定范围内针对圆形缺陷和不规则缺陷、正方形缺陷，在缺陷内部无填充物时，冲击回波法均能较准确测试出缺陷深度、延伸范围，且缺陷越明显，综合云图越明显。

3.2 实际模型2

为测试混凝土内部脱空、内部介质发生变化时对判定结果的影响，故设计如下混凝土实际模型，内部设置不同缺陷类型。

实际模型2为强度C50的混凝土试块，长1 m，宽0.5 m，高0.3 m。内部设置缺陷1：混凝土高度方向0.15 m位置处，通过低强混凝土(强度C10)将上下层紧密连接(未脱空)；缺陷2：混凝土高度方向0.15 m位置处上、下层完全脱开，脱开高度0.05 m。实际模型2的示意图如图6所示。

图6 实际模型2示意图Fig.6 Schematic diagram of actual model 2

图7 实际模型2回波法综合云图Fig.7 Comprehensive cloud map of actual model 2 by echo method

实际模型2回波法综合云图见图7，结果表明，在混凝土无任何内部缺陷或介质变化时，回波法能准确检测到底部界面位置和深度，当混凝土中存在低强混凝土时，低强混凝土位置处有微弱反射，最终底部反射信号较正常底部反射信号延迟，当混凝土中存在完全脱开缺陷时，信号在脱开位置处反射。该实际模型对于冲击回波法应用于实际工程中混凝土脱空情况检测具有重要意义。

3.3 实际模型3

为测试缺陷内部不同填充物对最终判定结果的影响大小，故设计混凝土实际模型。

实际模型3为强度C50的混凝土试块，长3 m，宽2 m，高0.3 m。内部设置缺陷1：缺陷内部填满沙石；缺陷2：缺陷设置为三角形木块；缺陷3用塑料容器填满水；缺陷4用泥土和碎石填满；缺陷5为全空，无任何填充。实际模型3的示意图如图8所示：

图8 实际模型3示意图Fig.8 Schematic diagram of actual model 3

实际模型3回波法综合云图见图9，结果表明，混凝土模型中预设缺陷都基本被测试出，红色区域代表信号反射位置，颜色越红表明缺陷越明显，混凝土中存在水、沙石、碎石、泥土、木块、全空状态等缺陷均能被测试出。

图9 实际模型3回波法综合云图Fig.9 Comprehensive cloud map of Actual model 3 by echo method

4 工程应用

4.1 工程概况

龙背湾水电站工程位于湖北省堵河流域支流官渡河中下游，为堵河流域第一级电站、龙头水库，Ⅱ等大(2)型工程，大坝为1级建筑物，溢洪道、发电引水隧洞、厂房为2级建筑物。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程524.30 m，坝轴线长456.00 m，坝高158.30 m。混凝土面板坝坡1∶1.4，厚度t=0.3+0.003 5H，顶部最小厚度30 cm，面板厚度根据高程从高向低缓慢增大，本次检测水面以上区域的面板厚度大致可近似为30 cm。面板采用C30混凝土浇筑，布设双层双向钢筋，钢筋的水平平面间距约为20 cm，钢筋保护层厚度约为8 cm，上下层钢筋间距约为14 cm，面板与垫层料之间为挤压式边墙，见图10。

图10 龙背湾水电站面板示意图Fig.10 Schematic diagram of the panel of Longbeiwan hydropower station

4.2 检测方案

按照龙背湾水电站面板分块结构布置图，自大坝左侧开始至右岸，依次将面板划分编号为1～39，冲击回波法布置多条纵向测线(垂直于水面)，测线长度15 m，测线方向均沿着面板表面向下(小高程)延伸，每条测线起点位置均在现场做好标记、编号，采用带有刻度的测绳依次按照设定的测点间距进行检测。结果见图11、图12。

图11 冲击回波法纵向测线1现场检测成果Fig.11 Field test results of longitudinal survey line 1 by shock echo method

图12 冲击回波法纵向测线2现场检测成果Fig.12 Field test results of longitudinal survey line 2 by shock echo method

根据图11、图12典型成果图表明：

1)面板内复杂的钢筋网结构对冲击回波法几乎无影响，主要是由于其具有激振能量大、频率较低、波长更长、采用MEM进行频谱分析等优势。

2)测线1基本无脱空现象，但其中有3处存在混凝土内部不密实的情况；测线2中0.5～2.5 m处存在脱空，因此后续需关注该处脱空情况，经常观测表面是否有裂缝、空鼓情况。

5 结 论

通过不同类型缺陷模型的测试研究以及混凝土质量实际工程应用表明：

1)在混凝土内部无任何缺陷或介质变化时，冲击回波法能准确检测到底部界面位置和深度；当内部存在各种不规则缺陷以及缺陷内存在各种填充物时，冲击回波法基本能够准确检测出缺陷分布范围及缺陷深度，对缺陷类型识别准确、效率高。

2)对于只具备单一检测面的混凝土结构检测，冲击回波法是目前最为有效的无损检测方法，在其适用范围内能够得到较好的检测结果。

3)冲击回波法成功应用于龙背湾水电站面板混凝土质量及脱空情况检测项目，为指导大坝安全运行和缺陷修复处理提供了可靠的数据支撑，可以为同类工程提供借鉴。