基于噪声对某箱涵无损检测技术的研究

周 祥

(云南恒诚建设监理咨询有限公司，昆明 650000)

0 引 言

污水管涵工程是城市的排污干道。我国城市化建设已经取得了较为丰硕的成果。不少城市早期修建的污水管涵出现了不同程度的破坏现象，已经严重影响到城市污水的排放，对居民生活产生影响[1-2]。由于这部分管涵数量极为庞大，采用钻探等方法加以检测，其工作量较大，且会对待检测结构物产生永久性的损伤，同时检测速度也较慢，在检测过程中将会影响到城市道路的正常通行。目前，无损检测技术已经得到了充分的发展，在多个工程实践中积累了较为丰富的经验，是一种成熟的技术。目前，管道渗漏常用的无损检测方法包括：噪音法、冲击弹性波法等。两种方法在工程实践中均取得了较多的成功案例。

1 无损检测方法

1.1 渗漏噪声监控法

1.1.1 基本原理

如图1所示,当输水管道局部破损产生渗漏时,水在压力作用下向管外喷出的同时产生哨叫,引起管道振动并在管道内形成涡流。管道动的频率主要由管道内压力以及破损点的大小决定[3]。在管内压力一定的情况下,渗漏越小,震动频率越高,反之渗漏越大,则振动频率越低。管道振动的强弱(即振幅大小)由渗漏大小和检测点到渗漏点的距离决定,当渗漏点一定时,振动大小仅由检测点到渗漏点的距离决定,离得越近振动就越大。根据这一现象,我们在管内紧贴管壁以一定间隔(一般10-20m)设置许多检波器(一种能够感知水下声音和振动的传感器),并用仪器连续地测量和记录各个检波器的输出信号,并通过数字滤波等手段消除掉平时的背景噪音,最后根据检出信号的强弱和频谱判断渗漏的严重程度[4]。

图1 渗漏噪声监控原理

1.1.2 听漏仪检漏法

采用听漏仪进行管道渗漏检测的基本原理是声学原理。在管道完整的情况下，流水的声音主要为低频、均匀分布的紊流水声。当管涵发生渗漏时，则可出现3种异常的水声信号：①漏水与管道管材之间的摩擦声，该声一般频率较高，多在600-3000Hz之间；②撞击声。该声的出现主要是漏水水头与周边的管道、管壁之间撞击而发出的声音，该声音频率较低，多在80-1500Hz之间；③介质的摩擦声。管道出现渗漏时，则可携带污水中的沙粒、泥土等固体颗粒物，颗粒物在移动过程中，将于物体之间摩擦从而发出声音。根据测试成果可知，漏水声的能量谱较为集中，主要是沿着管道、管内水流传播。一般情况下，在管线地面、检修井等区域均可听到漏水声。漏水声的传播距离和管道材料、所处的环境关系密切，一般情况下传播距离可达几十米甚至是几百米。借助一些简易设备，如：听音棒、听音筒等，有时可在地面听到漏水声，也可为管道渗漏检测提供参考。听漏仪结构框图如图2所示。

图2 听漏仪组成结构图

1.2 数据采集及处理

采用听漏仪检测管道渗漏情况的步骤如下： ①信噪比设置。主要是为了放大电路增益，过滤有害的高频老板噪音、增大输入信息与输出信号的反馈；采取方法如下：在传感器与放大电路之间设置一级场效应管即可通过电路提高阻抗；②选频电路。主要通过滤波器来划分频段。通过微机设置的判决算法，利用高通、低通滤波器过滤无效频率；③输出与显示。听漏仪输出两种信号。一是通过功放后输出至耳机的声音结果，可通过检测人员的工程经验实时判断；二是将系统获取的各项数据分析、去噪后置于显示屏上显示。

听漏仪数据处理的主要内容如下：①系统增益。传感器中采集到的信号一般情况下较为微弱，因此，需通过前置放大、功率方法等过程放大采集到的信息。前置放大、功率放大的增益分别为80dB、40 dB；放大后的信号信息变化将更加明显，易于判断。②信噪比。将仪器自身噪音折算到输入端，计算可得到极其自身的信噪比>74dB。③带通滤波。设置带通滤波器截止频率区间为186Hz-813Hz。在频率为200-400Hz时，提高增益强度，以保证输出信号具有低频音质和声音厚度，400-800Hz时可降低增益强度，避免高频层次感的缺失[5]。

2 工程应用

2.1 工程概况

某污水管道建成时间较早，在污水的长期冲刷、侵蚀、磨损作用下，各节箱涵出现了不同程度的渗漏现象，这一现象在箱涵间的伸缩缝处最为明显。加之污水渗漏造成局部箱涵地基下陷，从而造成箱涵出现不同程度的不均匀沉降问题，可能现状部分伸缩缝已经完全破坏，箱涵排污能力已经受到较为严重的影响。根据箱涵设计图纸和现场调查，箱涵顶板、边墙均采用混凝土材料，其中顶板厚度为0.5m、边墙厚度为0.5m、中墙厚度为0.45m。箱涵混凝土材料目前较为均匀，采用听漏仪检测渗漏情况较为合理。听漏仪无损检测方案见图3。

图3 听漏仪检测方案

2.2 检测结果分析

根据现场检测成果，根据设置的检测区，数据处理完成后，渗漏检测结果如下：混凝土箱涵内部结构完整性较好，基本上不存在渗漏现象。在伸缩缝(止水带)处渗漏噪音较为明显，部分伸缩缝(止水带)已经出现了较为严重的渗漏现象。伸缩缝(止水带)处需要采取处理措施，以保证污水箱涵作用的正常发挥。典型检测时域波形见图4。

图4 时域波形图(示例)

2.3 渗漏原因分析

混凝土箱涵是一种经济合理的输水管道,因此,在国内被普遍采用。传统的平接口形式抗地基不均匀沉降能力很差,为适应地基不均匀沉降和温度变化的影响,钢筋混凝土箱涵一般每隔15-20m设置一道伸缩缝,伸缩缝由止水带、填缝材料和嵌缝密封材料三部分组成,加上箱涵顶部复土及附加荷载的作用。会引起箱涵接口上下严重错位和翘曲变形,造成箱涵接口止水带的大变形,形成箱涵混凝土与橡胶接口止水带之间的空隙,严重的使止水带拉裂,止水失效,最终导致渗漏水。混凝土箱涵接口渗漏的另一个原因是由于施工不当所造成的,往往由于止水带部位混凝土捣固不密实而留下的暗渗漏通道,引起箱涵接口渗漏。此外,由于使用年限较长,混凝土箱涵质量劣化,导致箱涵出现裂缝,引起渗漏。

3 结 论

无损检测方法在结构物完整性检测工程已经受到了越来越多的应用。噪音法无损检测方法主要是利用噪音原理，分析管道的渗漏情况，从而获取管涵的完整性情况。通过分析听漏仪的测试原理、数据采集和处理方法，并结合深圳某污水箱涵无损检测方法的实例应用，详细介绍了噪音法无损检测的实际使用方法。经过检测，某污水箱涵伸缩缝(止水带)渗漏现象较为严重，排污能力受到了较大的影响，亟需采取治理措施。