基于SASW的水工混凝土质量检测技术研究

傅魁利

(德州市李家岸灌区运行维护中心，山东 德州 251500)

0 引 言

混凝土是水利工程建设中最常用的材料，水工混凝土的施工质量对于结构的运行功能具有重要影响。但是受各种因素影响，水工混凝土的施工质量往往参差不齐，结构是否满足设计要求成为参建各方关注的焦点，各方都迫切需要一种快速、精准的检测手段来评价混凝土的强度和施工质量[1-3]。

取芯试验最能反映混凝土的施工质量，但是取芯仅能代表被检测点部位的质量，同时取芯还受到各方面的限制，不仅花费大量的人力物力，而且还可能对结构造成不可恢复的损伤，因此取芯试验逐渐被无损检测所取代。其中回弹法检测是目前比较常用的水工混凝土质量检测手段，通过混凝土表面硬度来推测混凝土的抗压强度，但该方法只适用于均质混凝土的质量检测，且测强龄期一般为4～1 000 d，而水工混凝土的服役年限一般都在几十年甚至上百年，因此该方法并不能适用于混凝土质量的长期检测。另外，超声波法也是目前水利工程中的一种无损检测技术，但是相关研究表明，超声波波速与混凝土强度之间相关性并不高，因而限制了其在水工混凝土质量检测中的应用[4-7]。

针对现有检测技术存在的缺陷，本文基于表面波频谱法，对引水隧洞衬砌混凝土质量进行检测，探讨该方法在水工混凝土质量检测中的可行性和合理性，以期能为实现水工混凝土的快速准确检测提供方法借鉴。

1 SASW法工作原理

1.1 冲击弹性波

在无损检测工作中，最常用的为冲击弹性波、电磁波、超声波或者放射线等几类，其中电磁波和冲击波的激振能量更大，具有传播距离远、传播范围广、现场操作简便、检测结果易于进行频谱分析等特点，在工程材料损伤检测中应用比较实用[8]。冲击弹性波根据传播方向与粒子振动方向之间的相互关系，可将其划分为P波(纵波、疏密波)、S波(横波、剪切波)、R波(瑞利波)、L波(板波)以及其他波。在多种弹性波中，P波的传播速度最快，主要依存于弹性模量E；S波和R波分别仅为P波波速的60%和55%，主要依存于剪切模量G；L波的波速随频率变化范围较大，主要依存于弹性模量E和G。各类冲击弹性波特点对比见表1。

表1 不同种类冲击弹性波特点对比

1.2 基本原理

表面波频谱分析法(SASW法)最先由Nazarian和Stoke于20世纪80年代末提出，SASW法属于地震波检测法[7]，其原理是利用两道传感器接收到的冲击锤激振产生的弹性波(R波)信号，对频率进行分析，再通过频率信号的相位差循环来获得检测对象的R波频散曲线，从而通过频散曲线特征来对检测对象的现有状态进行质量评估。SASW法最先应用于岩土工程或者路面的剪切波性能检测，经过多年发展，目前在混凝土质量检测中也逐渐普及开来。

SASW法的基本操作步骤为：①采集检测数据；②建立两道传感器R波数字信号的互相关函数；③利用频率域快速傅里叶变换，得到两道信号的互功率谱；④将两道互功率谱相位沿频率轴展开，得到两道信号的互相关函数相位谱；⑤利用相位谱计算得到不同频率下的相位差；⑥通过相位差和两道信号的传播时差，计算得到波速和波长，从而绘制出最终的频散曲线。SASW法原理见图1。

图1 SASW法工作原理示意

1.3 适用性

SASW法属于两道信号互相关的一维频率域的表面波检测方法，适用于相对均质、分层特性不明显的混凝土结构的质量检测。在检测过程中，两道传感器间距宜选择被检测对象厚度的1～1.5倍，在此间距下最有利于层间结合状态的判断；接触时间越短，检测得到的相位谱循环越好。因此，当检测对象的厚度较小时，宜首选小锤对检测对象进行快速敲击，从而获得良好的相位谱循环。

2 案例应用

2.1 工程概况

某引水隧洞二标段总长3.75 km，设计引水流量为20 m3/s，隧洞主要以Ⅲ～Ⅴ类围岩为主，隧洞衬砌设计均采用C25钢筋混凝土，其中Ⅲ类围岩的衬砌厚度为30 cm，Ⅳ类围岩的衬砌厚度为35 cm，Ⅴ类围岩的衬砌厚度为40 cm。通过初期地质雷达检测发现，隧洞衬砌质量存在如下问题：顶拱附近脱空、钢筋间距不符合设计规范、部分位置配筋缺失、部分洞段混凝土强度不达标。为了了解目前隧洞衬砌的质量现状，对隧洞当前安全状况进行精确评估，及时采取合理有效的补救加固措施，利用SASW法对隧道衬砌混凝土展开质量检测试验。

2.2 检测点布置

随机选取6个检测断面，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩各两个，每个检测断面共检测5个检测点，分别位于顶拱中央、顶拱左右两侧以及左右两侧墙各一个，见图2。在检测过程中，两道传感器的间距为40～60 cm，具体视现场情况而定。

图2 检测点布设示意

2.3 现场取芯

在利用SASW法对衬砌混凝土质量进行检测之前，需要建立R波速度与混凝土强度之间的相关关系。具体过程为：随机对衬砌混凝土进行钻孔取芯，取芯长度185～270 cm，利用冲击回波法测试混凝土试件的一维P波速度(Vp1=2×L×f，其中L为试件长度，m；f为卓越频率，Hz)，通过一维P波速度可换算成三维P波速度(Vp1=Vp3×0.949)，然后再由三维P波速度推导得到R波波速(Vp3=1.79×VR)，测完波速后，将试件加工，对其进行抗压强度试验，最终得到R波波速与衬砌混凝土强度之间的关系曲线。

试验得到的混凝土强度随R波波速的变化曲线见图3。从图3中可以看到，随着R波波速的增大，衬砌混凝土的强度呈逐渐递增的相关内容关系，且R波波速与单轴抗压强度之间呈较好的指数型函数关系。因此通过现场取芯试验，可得：

图3 R波波速VR与强度S的关系曲线

S=1.179×e0.001 7VR

(1)

式中：S为混凝土强度，MPa，VR为R波波速，m/s。

通过式(1)可以得出，当SASW法所测的R波波速大于1 800 m/s后，衬砌混凝土强度就能达到C25的强度要求，因此将1 800 m/s确定为SASW法在该隧洞衬砌混凝土中评定质量是否合格的阈值。另外，频散曲线也是判别混凝土质量的一个重要指标。频散曲线如果变化连续、平缓，说明混凝土与基岩结合良好，无脱空现象；如果出现明显间断，就说明混凝土存在脱空现象，同时通过频散曲线还可初步判断混凝土衬砌厚度。

2.4 SASW法检测结果

对6个检测断面30个检测点的R波波速进行统计，结果见表2。从表2中可知，对于衬砌混凝土强度，VR值均高于1 800 m/s，均满足设计强度C25的要求；衬砌混凝土与围岩结合方面，Ⅲ类-1左边墙，Ⅳ类-1顶拱、顶拱右，Ⅳ类-2顶拱、顶拱右，以及Ⅴ类-1顶拱、顶拱左、顶拱右，Ⅴ类-2顶拱、顶拱左、顶拱右、右边墙存在与基岩脱空现象，这说明该洞段特别是顶拱处衬砌混凝土与围岩脱空现象普遍存在，这与地质雷达检测结果基本相符，因而需要在后期采取注浆加固措施；衬砌厚度方面，Ⅲ类、Ⅳ类围岩的衬砌混凝土厚度基本满足设计要求，但Ⅴ类围岩衬砌厚度有4处低于40 cm，表明在本洞段，Ⅴ类围岩的衬砌混凝土是质量问题出现最为集中的位置，在之后的加固处理中应重点对这些区域进行整治。

表2 SASW法检测质量评定结果

3 讨 论

从上文分析可知，虽然SASW法检测速度比不上地质雷达，但检测过程中也不会遇到地质雷达检测中电磁波受钢筋“趋肤效应”影响所导致的测量误差，因此SASW法能够实现对水工混凝土质量的精准检测。另外，SASW法不仅可以实现混凝土强度的检测，而且还能同时实现衬砌与围岩接触情况的判断，这是地质雷达检测法所无法比拟的。因此，将SASW法应用到水工建筑物的质量检测中更加科学合理[8]。

4 结 语

本文对SASW法的检测原理进行了详细分析，并将其应用到水工衬砌混凝土的质量检测中，结论如下：

1) SASW法适用于相对均质、分层特性不明显的混凝土结构的质量检测，两道传感器的距离宜为监测混凝土厚度的1～1.5倍，当混凝土厚度较小时，宜采用小锤对检测对象进行快速敲击以获得最佳的相位谱循环。

2) 将SASW法应用到新疆某引水隧洞衬砌混凝土的质量检测中，检测结果表明，该洞段衬砌混凝土强度基本满足设计要求，但脱空现象普遍存在，Ⅴ类围岩的衬砌厚度多处不满足设计要求厚度。

3) SASW法检测精度高，检测速度稍比地质雷达慢，但可同时实现强度、衬砌与围岩接触情况的检测。