超声波检测在王集引黄闸安全鉴定中的应用研究

李晓磊，耿 波

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

1 概述

水闸竣工投入使用以后，由于工程运营主管部门对涵闸工程内部等隐蔽部位现状及存在的问题无法掌握，从而使得工程在运行中所产生的问题不能及时修复，造成工程带病运行，影响了工程的使用[1]。因此，为确保水闸工程能够发挥正常的防汛排涝功能，使主管部门对涵闸工程问题的应对措施做出正确决策，对运行多年的水闸进行安全鉴定势在必行[2]。在安全鉴定中，水闸混凝土缺陷状态的评价是判定水闸安全状态的一项重要工作，对结构复核计算影响巨大[3]。

2 水闸混凝土缺陷的通常检测方法

在现行水闸安全鉴定中，混凝土强度一般由回弹值及碳化深度进行大致计算，但内部缺陷仍无法进行判断[4]。如果使用小型取芯设备进行取样，会对其结构造成永久损伤，本身混凝土结构在使用多年后处于安全的边缘状态，可能直接打破平衡造成人员或财产损失，因此无损的混凝土结构内部检测是较有意义的一种模式[5]。超声波CT作为一种较为常见的检测手段，以其快捷、无损、准确的优点可以广泛推广[6]。

3 超声波法的原理

超声波法测缺是通过混凝土中超声波声学参数的变化对混凝土缺陷进行判定的方法，混凝土内部的缺陷会破坏声通道的连续性及声波的能量，从而导致声学参数发生突变[7]。通过声学参数对比分析，可以准确判定混凝土的内部质量好坏。超声法使用的仪器为岩海超声ST1010C型非金属超声波探测仪[8]。

首先计算各测区的混凝土声速，将各测区的声速进行统计分析。利用下式计算各测区混凝土声速的平均值(mV)和标准差(SV)。

Vi=L/Ti

(1)

(2)

(3)

其中，L为测距，mm；Vi，Ti为第i点的声速声时值,km/s;n为参与统计的测点数。

通过对测点声速值进行大小排序，即V1≥V2…≥Vn+1……，将后面明显较小的数据视为可疑，并将可疑数据中最大值Vn连同其前面的数据按式(2),式(3)计算出mV和SV值，并按下式计算异常情况的判断值(V0)：

V0=mV-λ1·SV。

其中，λ1为异常值判定系数，通过CECS 21：2000超声法检测混凝土缺陷技术规程查得，将V0与Vn相比较，当Vn≤V0时，则Vn及排列于其后的各数据均为异常值，则去掉Vn，再用V1～Vn-1进行计算和判别，直到不出现异常值为止[9]。

4 应用实例

4.1 王集引黄闸工程概况

王集引黄闸于1989年12月建成，设计防洪水位为52.50 m，属于一级水工建筑物，主要混凝土结构构件是混凝土闸门板和闸墩，其中，涵闸趾处堤顶高程为55.00 m，底板高程为45.50 m。

4.2 超声波检测测线布置

为了方便检测和描述，水闸混凝土结构编号示意如图1所示。采用超声波检测法抽测了墩2、墩3、闸门1、闸门2和闸门3的混凝土内部密实性。将以上部位分别作为一个构件，每个构件布置4条平行测线，测线间距为100 mm，每一条测线的测点数为10个，测点间距50 mm，测线避开钢筋和裂缝，采集数据时，激发检波器与接收检波器始终处于闸墩两侧水平相对位置，每次移动步距0.1 m。测试布置如图2所示，闸门测试布置类同。

实施检测时，用钢丝刷、砂轮等处理测区表面，使其满足测试要求。使用黄油作为耦合剂，提高声波信号的质量。

4.3 检测结果

各部件混凝土密实性超声测试结果见表1。

表1 各部件混凝土密实性超声测试结果汇总表

墩2混凝土结构总测点数n=40，平均声速mV=3.84 km/s，均方差SV=0.035 km/s，声速临界值V0=3.76 km/s，表1中声速最小值为3.78 km/s，大于声速临界值V0，故墩2混凝土结构密实度较好。墩3混凝土结构总测点数n=40，平均声速mV=3.84 km/s，均方差SV=0.038 km/s，声速临界值V0=3.76 km/s，表1中声速最小值为3.77 km/s，大于声速临界值V0，故墩3混凝土结构密实度较好。闸门1混凝土结构总测点数n=40，平均声速mV=4.03 km/s，均方差SV=0.048 km/s，声速临界值V0=3.94 km/s，表1中声速最小值为3.95 km/s，大于声速临界值V0，故闸门1混凝土结构密实度较好。闸门2混凝土结构总测点数n=40，平均声速mV=4.01 km/s，均方差SV=0.044 km/s，声速临界值V0=3.93 km/s，表1中声速最小值为3.94 km/s，大于声速临界值V0，故闸门2混凝土结构密实度较好。闸门3混凝土结构总测点数n=40，平均声速mV=4.04 km/s，均方差SV=0.040 km/s，声速临界值V0=3.96 km/s，表1中声速最小值为3.97 km/s，大于声速临界值V0，故闸门3混凝土结构密实度较好。

4.4 复核计算

鉴于混凝土结构内部密实，无明显空洞的情况，混凝土结构构件复核内容主要包括：闸室底板、边墩、中墩，根据各结构构件受力特点，利用Sap2000进行计算的模型如图3所示。

计算工况如下：

1)闸室及胸墙结构简化为混凝土壳计算。

2)4种计算工况，分别为建成无水、设计引水、设计防洪挡水、设计引水+地震4种工况。

中墩、边墩、底板、胸墙、闸门内力均取各计算工况最大值，按正截面纯弯构件配筋，裂缝宽度按正常使用极限状态验算，各工况内力包络图见图4～图7；内力和配筋结果详见表2。

表2 配筋计算及裂缝宽度验算表

由计算结果分析，原边墩、中墩、底板、胸墙、闸门的配筋面积及裂缝宽度均满足国家现行规范要求，其混凝土结构处于安全状态。

5 结语

超声波检测法作为一种无损、快捷的检测水闸混凝土内部缺陷的方法，避免了对水闸混凝土结构的人为损坏，计算结果科学且具备较强的代表性，能够为水闸结构的复核计算快速提供依据，值得在水闸安全鉴定中大范围推广普及[10]。