冲击映像法在混凝土箱涵无损检测中的应用

陈炫地

(深圳市东江水源工程管理处，广东 深圳 518036)

1 引言

混凝土箱涵具有结构安全、施工简便等优势，但受制于多种因素影响，在使用一定时间后，大多数箱涵均会产生一定的渗漏现象[1]。城市内的箱涵是保证城市排水的重要设施，对城市污水收集、传输、治理起着重要作用，城市的平稳运行离不开各种箱涵作用的发挥[2-3]。随着城镇化建设的不断加快，城市箱涵数量也呈现指数增长，但同时，早期修建的箱涵也仍在发挥作用，根据数据统计，我国目前正在运行的箱涵大多修建在10年～30年前，基本已经达到设计使用寿命的中期甚至是后期，城市箱涵在长期的污水冲刷、道路荷载影响下，部分结构、功能已经收到影响，箱涵出现不同程度的渗漏、变形等现象，部分受影响较大的箱涵已经产生结构性破坏，严重影响到城市排水工作，对居民生活造成不利影响[4-5]。因此，全面分析箱涵情况，为箱涵养护、管理工作提供依据是十分重要的[6-7]。

2 冲击映像法检测方法及原理

2.1 基本原理

在结构表面敲击时，会在结构内部形成弹性波。冲击映像法无损检测主要基于弹性波场理论。弹性波在介质内部的传输的过程中，遇到介质界面时会由于波阻抗差异而产生强反射、透射和转换现象。从而出现能量衰减、波形和频谱改变等现象。现场采集数据后，利用不同的方法处理反射波，从而分析结构内部的情况。采用该方法，主要是利用结构内部存在缺陷会形成不同的反射波，经过多次反射，可在介质表现接收到的反射波波形可采用下式表示：

A(t)∑[w(t)×r(t-nT0)]

(1)

r(t)=(R,-R2,R3,-R4,…)

(2)

式中：r(t)为反射系数序列；R为内部缺陷反射系数；T0为弹性波在两界面的双程反射时间。

从式(1)、式(2)中可以得知，结构表面接收到的反射波是反射系数、子波褶积相叠加的最终波形。因此，可以从以下两个方面分析、推测结构内部的缺陷情况。若已经得知震源子波，则可以利用反褶积运算获取反射系数序列，从而通过定量方法计算、分析反射界面两侧介质波阻抗差，同时，也可获取结构内部缺陷的深度。然而，在实际工程应用中，获取震源子波的难度较大，该方法在实际工作使用的适宜性较差。因此，通常采用下列方法推测结构内部缺陷。首先假设震源子波沿测线是一致的，根据反射系数的变化推测结构内部的变化，从而推测结构内部缺陷，该方法计算简单、结果较准确，在工程中的实施性较强，是一种常用方法。

2.2 检测方法

采用冲击映像法无损检测数据采集方法见图1。沿着测点间隔X距离均匀布置检波器，在检测结构表面逐点激发弹性波，并在偏移距离为D的位置设置传感器，以接收信号。将各点的检测波罗列，即可通过接收的波形初步分析结构物内部的变化，见图2。从图中可知，待检测结构内部存在缺陷时，强反射界面接收的波形则存在明显的异常。通过分析平均振幅和卓越频率等弹性波特征参数，即可推测结构内部的缺陷情况。

图1 冲击映像法基本原理

图2 各检测点检测波形

在道路缺陷无损检测领域，路基结构层厚度一般小于1 m，而弹性波的传播速度却高达5 km/s，其传播时间非常短。同时，激振时产生的面波、纵波直达波、纵波反射波、横波-纵波转换波等各种波相互叠加，无法通过直观判断将其区别开来。因此，需采用更高精度的数据处理与分析方法，对冲击映像法的采集数据进行高精度处理与分析，以精确定位、判断路基结构内部缺陷状态。

考虑到折射波的形成条件和传播特征，观测折射波时需要避开波场盲区，同时，尽量将接收部分置于待检测结构折射波范围内。在水平结构满足折射要求的情况下，选取一个固定的激发点，沿着测线由远及近进行观测，则可获取建筑物各层的弹性波信号。根据弹性波特征，可推测各层介质的动力学参数。数据采集方法见图3。

图3 数据采集方法

3 实例应用

3.1 工程概况

深圳某污水箱涵，顶板、边墙厚度为50 cm，中墙厚度为45 cm，采用C30混凝土浇筑。由于工程建设时间较早，在污水的冲刷、腐蚀作用下，箱涵出现不同程度的破损，尤其是伸缩缝处损毁最为严重。各箱涵节之间出现了不均匀沉降现象，伸缩缝可能已产生破坏，将对污水箱涵的排污能力造成一定影响。由于箱涵顶板厚度均匀采用冲击映像法检测较为合理。

3.2 检测方案布置

3.2.1 平面方案布置

根据道路现场条件，冲击映像法布置于两管道中心上方，见图4。冲击映像法信号激发与采集：设定采样间隔为0.125 ms，记录时长1.0 s，采样个数8192个，采用18磅铁锤敲击，震源偏移距分别为1 m、2 m、3 m、4 m，完成1次激发后，整体移动采集系统，移动步长为1 m，重复激发至完成整条测线数据采集。

图4 检测方案布置

3.2.2 数据处理

数据处理的目的是对检测数据进行编辑、滤波和数学变换等，去除或压制噪音，并把有用信息按特定的表现形式表现出来，主要包括数据预处理、数据归一化、波形处理、波场分离以及生成响应强度分布图等，见图5。数据归一化：将冲击锤上传感器记录的冲击加速度数据，对数据进行归一化处理，以去除敲击力度不一致的影响，确保激发强度相同。波形处理：包括非正常数据处理、时窗切除和滤波。首先，对存在异道号的数据，则将数据异常部分切除，并用相邻数据进行内插。其次，对干扰信号与检测信号的时间段不一致的数据，设计合适的时间窗口，切除时间窗口以外的数据。最后，设计各种频率滤波器(低通、高通、带阻等)，在频率域对噪音数据进行压制。

数据处理工作流程如下：初至时间拾取→时距曲线绘制→地震解释→高程输入→折射界面绘制→地质解释→剖面输出初至时间拾取时，注意折射波的识别和对比。

折射波的识别、对比需要按照以下原则进行。(1)波形、振幅、振动延续度相似特征对比；(2)相位一致性、同相轴延续长度特征对比；(3)追逐炮记录同相轴的平行性特征。

图5 冲击响应分布强度

3.3 检测结果分析

在箱涵顶板共设置16个检测区，现场检测数据处理完成后，结果表明：在伸缩缝(止水带)外侧布置的测线处，输入波速为VP，Plate=3800 m/s的冲击波，同时在距离伸缩缝(止水带)距离为0.5 m、0.75 m各布置一条扫描测线，检测厚度均小于50 cm(箱涵实际厚度)，表明弹性波在箱涵混凝土中的传播速度大于3800 m/s，这表明混凝土结构较为完整，混凝土结构完整性较好，不存在明显缺陷问题。根据距离伸缩缝(止水带)0.25 m处的侧线与其他测线相比，具有明显的不规则现象，表明该处混凝土质量有所下降，需采取治理措施。

4 结语

冲击映像法是一种极为常用的无损检测方法，详细分析了其检测原理和数据采集、处理方法，并结合深圳某污水箱涵无损检测工程对该方法在工程中的实际应用进行分析。使用该方法可较好地识别混凝土结构的明显缺陷，检测速度快、结果准确，且无需对原有结构进行破坏，可在工程中加以应用。