沖擊映像方法在水工結(jié)構(gòu)滲漏病害檢測(cè)中的應(yīng)用

朱仁杰，車愛(ài)蘭，惠翔宇，馮少孔

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

沖擊映像方法在水工結(jié)構(gòu)滲漏病害檢測(cè)中的應(yīng)用

朱仁杰，車愛(ài)蘭，惠翔宇，馮少孔

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

沖擊映像法作為一種基于彈性波反射原理的無(wú)損檢測(cè)方法，具有檢測(cè)速度快、結(jié)果直觀可視的特點(diǎn)，能夠快速的評(píng)價(jià)地下介質(zhì)沿垂直和水平方向的變化。針對(duì)水工結(jié)構(gòu)及其下部基礎(chǔ)的特點(diǎn)和常見(jiàn)病害，以彈性波在多層介質(zhì)不同交界面的傳播特性為理論基礎(chǔ)，采用有限元?jiǎng)恿Ψǚ治鰪椥圆▊鞑ヌ匦耘c缺陷位置、缺陷大小的相關(guān)性，特別關(guān)注介質(zhì)表面的沖擊響應(yīng)能量與缺陷位置、大小的關(guān)系，明確介質(zhì)中缺陷的平面分布情況，評(píng)價(jià)了該檢測(cè)方法的誤差影響因素。在此基礎(chǔ)上，以具體水工結(jié)構(gòu)滲水病害檢測(cè)工程為背景，詳細(xì)探討了適用于水工結(jié)構(gòu)檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集、分析、結(jié)果修正和結(jié)果可視化處理的方法，最后評(píng)價(jià)了缺陷分布和可能存在的滲透路徑。

水利工程；多層介質(zhì)；彈性波傳播特性；沖擊映像法；水工結(jié)構(gòu)；滲水病害

0 引 言

水利工程是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)工程，目前我國(guó)正在大規(guī)模、高速度地進(jìn)行水利開(kāi)發(fā)，截止2014年10月，我國(guó)已建成大小泵站70余萬(wàn)座[1]。然而，由于設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等諸多原因，這些水工結(jié)構(gòu)大都帶病運(yùn)行，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的正常使用功能和使用安全，為了杜絕安全隱患，預(yù)防經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)這些水工結(jié)構(gòu)及時(shí)檢測(cè)和維護(hù)十分重要。

水工結(jié)構(gòu)常見(jiàn)病害主要包括混凝土結(jié)構(gòu)病害和混凝土下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)病害。由于水工結(jié)構(gòu)的水文地質(zhì)條件以及運(yùn)營(yíng)環(huán)境等復(fù)雜多樣，水工混凝土?xí)l(fā)生裂縫、凍脹、沖磨、空蝕等病害；基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生管涌、沖蝕等病害，表現(xiàn)為地基土的脫空、疏松和軟弱[2]。針對(duì)這些常見(jiàn)病害，國(guó)內(nèi)外目前主要的檢測(cè)方法有鉆孔取芯法、回彈法、探地雷達(dá)法、超聲波法等[3]。其中鉆孔取芯法是有損檢測(cè)方法，影響結(jié)構(gòu)的正常使用功能；回彈法探測(cè)混凝土表面強(qiáng)度，無(wú)法探測(cè)其內(nèi)部病害；探地雷達(dá)法受鋼筋網(wǎng)屏蔽影響大；超聲波法需要發(fā)射器及接收器對(duì)穿，難以應(yīng)用于混凝土下部基礎(chǔ)病害檢測(cè)。可見(jiàn)，這些方法都在水工結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面存在一定的局限性[4]。

由于彈性波的傳播速度與介質(zhì)的密度、強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)有密切的關(guān)系，近年來(lái)基于彈性波理論的檢測(cè)方法得到了重視，例如沖擊回波、沖擊映像法、高密度面波等[5]。其中沖擊映像法作為一種基于彈性波反射原理的無(wú)損檢測(cè)方法，具有檢測(cè)速度快、結(jié)果直觀可視的特點(diǎn)，能夠快速的評(píng)價(jià)地下介質(zhì)沿垂直和水平方向的變化[4]。近年來(lái)該方法已應(yīng)用于沉管隧道注漿檢測(cè)、高速鐵路線下結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)[6]、大型混凝土立墻裂縫檢測(cè)[7]等工程，這些工程多為離縫問(wèn)題，為薄層效應(yīng)問(wèn)題。水工結(jié)構(gòu)為多層軟夾層結(jié)構(gòu)，夾層厚度達(dá)幾十厘米至幾米、下部基礎(chǔ)地質(zhì)狀況復(fù)雜，為多層介質(zhì)層間傳播特性問(wèn)題。反射波在檢測(cè)體內(nèi)很快就到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)，震源所激發(fā)的直達(dá)波、反射波等各種波形成分混合在一起，無(wú)法憑波形觀察直接區(qū)分開(kāi)來(lái)。目前仍然存在許多尚待解決的問(wèn)題。比如其波形特征和結(jié)構(gòu)缺陷位置、大小、類型之間的關(guān)系等。

筆者基于彈性波在層狀半無(wú)限空間彈性均勻介質(zhì)中的傳播理論，采用有限元數(shù)值計(jì)算方法探究了沖擊響應(yīng)能量和結(jié)構(gòu)缺陷類型、大小、位置之間的相關(guān)性。同時(shí)，根據(jù)響應(yīng)波形的振幅特性，提出了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，以廈門水務(wù)某排洪泵站檢測(cè)工程為工程背景，針對(duì)高位井結(jié)構(gòu)下部缺陷的位置、深度、大小，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)沖擊映像法的數(shù)據(jù)采集方法，檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置、設(shè)備及參數(shù)選取、數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證和預(yù)判措施等進(jìn)行了詳細(xì)的研究。通過(guò)分析病害現(xiàn)象及成因等，探討了沖擊映像檢測(cè)方法的有效性。

1 沖擊映像法檢測(cè)原理及工作方法

1.1 多層介質(zhì)中的彈性波傳遞特性

半空間彈性介質(zhì)中，其表面某一局部受到擾動(dòng)后，由近及遠(yuǎn)，介質(zhì)各點(diǎn)將離開(kāi)自己的平衡位置進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)而出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。彈性波在多層介質(zhì)模型中傳播時(shí)，主要成分是在各個(gè)分層界面產(chǎn)生的透射波和反射波。每個(gè)反射波都應(yīng)該滿足彈性波波動(dòng)方程。當(dāng)入射波波前還未達(dá)到分界面時(shí)，波不會(huì)受到界面存在的影響，像在均勻介質(zhì)中傳播一樣。當(dāng)入射到分界面時(shí)，將產(chǎn)生反射波、透射波、反射轉(zhuǎn)換波、透射轉(zhuǎn)換波，以此類推。如圖1所示的多層介質(zhì)模型，振動(dòng)波源從表層入射，其中，深度方向的坐標(biāo)為Zm(厚度Hm=Zm-Zm-1)，各層中密度ρm，橫波速度vs,m、縱波速度vp,m為常數(shù)[8-9]。

圖1 層狀介質(zhì)中波的傳播Fig. 1 Wave propagation in the layered medium

波動(dòng)方程應(yīng)滿足：

(1)

式中：τ為水平面內(nèi)的剪應(yīng)力；u為質(zhì)點(diǎn)位移[10]。

在重復(fù)反射理論中，考慮成層介質(zhì)為n個(gè)相同介質(zhì)的組合，從各層的一般解的重疊中計(jì)算響應(yīng)結(jié)果。

考慮入射波垂直進(jìn)入介質(zhì)的情況，即入射角α1=0°，此時(shí)P波與S波之間的不發(fā)生轉(zhuǎn)換，分界面上反射波和透射波成分與入射波均相同。因此，根據(jù)分界面兩邊介質(zhì)材料物理力學(xué)參數(shù)，可得縱波(P波)和橫波(S波)的反射系數(shù)，可表示為：

(2)

(3)

式中：Rpp為P波反射系數(shù)；Rss為S波反射系數(shù)。

由式(2)、式(3)可知，無(wú)論是縱波還是橫波，反射系數(shù)都由界面兩邊的介質(zhì)的波阻抗(波速與密度的乘積)差決定。

假定各層波函數(shù)在各個(gè)分界面上均滿足邊界條件、連續(xù)條件，我們可以根據(jù)邊界條件方程來(lái)確定各層的透射系數(shù)、反射系數(shù)。通過(guò)第n層底面和第n-1層頂面的應(yīng)力分量和位移分量之間關(guān)系遞推到各個(gè)夾層分界面上的位移分量和應(yīng)力分量的關(guān)系：

(4)

可以看到，在多層介質(zhì)表面入射一個(gè)激發(fā)波之后，在表面接收到的波形是由各個(gè)分層界面反射的波和反射轉(zhuǎn)換的波經(jīng)過(guò)其他分層界面反射、透射、反射轉(zhuǎn)換、透射轉(zhuǎn)換的影響之后產(chǎn)生的疊加狀態(tài)，難以給出解析解答。而數(shù)值模擬可以在一定精度范圍內(nèi)反映接收到的波形特征，所以要采用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究彈性波在多層介質(zhì)中的傳播特性。

1.2 工作方法及數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 工作方法

沖擊映像法的工作方法如圖2。首先用沖擊錘擊打巖土體或結(jié)構(gòu)體介質(zhì)表面以產(chǎn)生特定的能量和頻率的入射波(擊打位置稱為激發(fā)點(diǎn))。一般在混凝土表面激發(fā)波的頻率范圍集中在1 000～3 000 Hz。在距離激發(fā)點(diǎn)一定距離(這個(gè)距離稱為偏移距D)處使用檢波器接收響應(yīng)波形信號(hào)(接收位置稱為接收點(diǎn))。一般采用速度型檢波器，可采用豎直向單分量檢波器或者兩水平方向一個(gè)垂直方向的三分量檢波器。完成一個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集之后，保持偏移距不變，沿測(cè)線方向移動(dòng)一定的距離X0，再用同樣的方法進(jìn)行下一個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，重復(fù)以上過(guò)程完成整條測(cè)線或整個(gè)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)采集工作。

圖2 沖擊映像法工作方法Fig. 2 Working method of the impacted image method

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法

據(jù)多層介質(zhì)中的彈性波反射理論，在巖土體或結(jié)構(gòu)體表面激勵(lì)一個(gè)合適的震源，然后在相同表面采用檢波器接收響應(yīng)波形信號(hào)，介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生的波動(dòng)場(chǎng)就不同，其在介質(zhì)表面的投影亦不同。根據(jù)響應(yīng)波形(振幅大小、持續(xù)時(shí)間、豐度等)的變化來(lái)推斷介質(zhì)的變化。數(shù)據(jù)分析的具體步驟可以分為預(yù)處理、波形剖面及可視化處理、響應(yīng)能量及響應(yīng)能量放大系數(shù)平面分布處理、缺陷類型及空間分布評(píng)價(jià)。

1)預(yù)處理：首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)提取、格式變換、加入檢波器位置信息，然后通過(guò)濾波、降噪等方法去除由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等原因引起的干擾波。

2)波形剖面及可視化處理：對(duì)同一條測(cè)線的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，把處理結(jié)果按照實(shí)際位置進(jìn)行排列繪制波形剖面。從波形剖面上可以直觀的看出波形形態(tài)及持續(xù)時(shí)間等變化。以同一條測(cè)線距離為橫軸，波形采樣時(shí)間為縱軸，以等高線或者顏色深淺來(lái)表示波形振幅值的大小，繪制成2維成像剖面圖。通過(guò)可視化的成像剖面可以直觀觀察到波形豐度、持續(xù)時(shí)間、能量大小等變化特性，從而快速直觀的推斷下部多層的變化情況。

3)標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量分布：響應(yīng)能量定義為響應(yīng)波形振幅絕對(duì)值的平均值，亦稱為沖擊響應(yīng)強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，需要采用無(wú)量綱的值對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用認(rèn)為無(wú)缺陷的某一條測(cè)線或者某一測(cè)點(diǎn)作為參考值，標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值設(shè)定為Ri=Ai/A(i=1,2,…,n)，Ai為各響應(yīng)波形的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度，A為參考值。將測(cè)試區(qū)域內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值加入位置信息并展開(kāi)在檢測(cè)區(qū)域平面內(nèi)。通過(guò)均值化、插值、平滑等處理后，得到檢測(cè)區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量分布圖。

4)缺陷類型及空間分布：通過(guò)數(shù)值計(jì)算或者模型試驗(yàn)等手段確定標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值與缺陷類型、分布形態(tài)之間的關(guān)系，確定缺陷的空間分布以及類型等。

2 沖擊映像方法的關(guān)鍵問(wèn)題

采用商業(yè)有限元軟件ABAQUS的有限元?jiǎng)恿Ψ治龇椒ㄟM(jìn)行多層層狀介質(zhì)中彈性波傳播的數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)人為設(shè)置缺陷并改變?nèi)毕莸某叽?、位置，研究不同缺陷下彈性波傳播特性的變化?guī)律，包括沖擊響應(yīng)能量與缺陷類型、范圍的相關(guān)性、沖擊映像方法的檢測(cè)工藝與檢測(cè)誤差的相關(guān)性等。

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

考慮到水工結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)及下部基礎(chǔ)分布較均勻，平面尺寸大，計(jì)算中將其簡(jiǎn)化為多層層狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)水工結(jié)構(gòu)常見(jiàn)病害類型在層間預(yù)設(shè)缺陷。模型結(jié)構(gòu)尺寸為8 m×60 m。自上而下依次是混凝土結(jié)構(gòu)層，碎石基礎(chǔ)層，淤泥質(zhì)土層和風(fēng)化花崗巖層。各結(jié)構(gòu)層厚度如下：混凝土層1 m，碎石基礎(chǔ)層0.5 m，淤泥質(zhì)土層5.5 m，風(fēng)化花崗巖層1 m。為避免彈性波傳播到模型邊界時(shí)產(chǎn)生反射，在模型的左、右下邊界設(shè)置無(wú)限元單元邊界?？紤]到實(shí)際檢測(cè)中的結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)和彈性波波長(zhǎng)等因素，將網(wǎng)格尺寸設(shè)定為5 cm×5 cm，采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，整個(gè)模型劃分為89 158個(gè)單元，如圖3。

圖3 層狀缺陷布置示意Fig. 3 Location of the layered defects

在水工構(gòu)筑物混凝土結(jié)構(gòu)中，底板通常采用C30混凝土澆筑，其剪切波波速為2.2～2.5 km/s，縱波波速為3.0～4.0 km/s。底板下設(shè)置碎石等基礎(chǔ)層，其強(qiáng)度和剪切波波速較混凝土要低，基礎(chǔ)層下為地基土層，其強(qiáng)度和剪切波波速更低。對(duì)于缺陷部分，考慮到實(shí)際情況及有限元計(jì)算的收斂問(wèn)題，采用飽和黏土填充。參考GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的各項(xiàng)規(guī)定，模型各層材料參數(shù)如表1。

表1模型材料物理參數(shù)

Table1Physicalparametersofmodelmaterial

介質(zhì)材料密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比混凝土2400300．30碎石基礎(chǔ)22000．50．20淤泥質(zhì)土14000．010．25缺陷10000．00050．30基巖層(風(fēng)化花崗巖)2800500．30

數(shù)值模擬中采用雷克波作為激發(fā)震源。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集波形的頻率特征，雷克波的主頻設(shè)定為1 500 Hz?；贑ourant條件，波的采樣間隔應(yīng)滿足Δt/2

2.2 沖擊響應(yīng)能量與缺陷類型的相關(guān)性

為了研究沖擊響應(yīng)能量和缺陷類型之間的相關(guān)性，參考水工結(jié)構(gòu)下部常見(jiàn)病害類型，建立兩種缺陷和不存在缺陷共3種工況的有限元模型。分別為：工況1—不存在缺陷；工況2—在混凝土層和碎石基礎(chǔ)層層間設(shè)置層狀缺陷；工況3—在碎石基礎(chǔ)層和淤泥質(zhì)土層層間設(shè)置層狀缺陷。缺陷層厚度為0.2 m，采用飽和黏土填充，缺陷分布如圖3。每種工況激發(fā)1次，激發(fā)點(diǎn)位于模型正中間位置，偏移距D=0.5 m。激發(fā)及接收方向均為y方向。

圖4為3種工況的的波形響應(yīng)分布。由圖4可見(jiàn)，波形最前0.004 s的成分單一，僅為直達(dá)波，故而各波形均一致，而后反射波到達(dá)，各成分波形混合在一起，難以區(qū)分。但是從響應(yīng)波形的振幅上可以判斷，缺陷層的存在導(dǎo)致波形的振幅增大，這也說(shuō)明更少的能量得以傳遞到波速低層內(nèi)及以下。3種工況的沖擊響應(yīng)能量分別為0.005 8、0.008 0、0.007 1 m/s。以工況1無(wú)缺陷模型為參考，2種缺陷模型的標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值分別為Ri= 1.38、1.22。由于表層檢測(cè)對(duì)象的厚度只有1.0～1.5 m，震源所激發(fā)的直達(dá)波、反射波等各種波形成分混合在一起，反射波在檢測(cè)體內(nèi)很快就到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)， 2種缺陷的標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值很難區(qū)分開(kāi)來(lái)。

圖4 波形響應(yīng)示意Fig. 4 Schematic of waveform response

2.3 響應(yīng)波場(chǎng)與缺陷尺寸的相關(guān)性

在混凝土層和碎石基礎(chǔ)層層間設(shè)置不同寬度的缺陷，通過(guò)改變?nèi)毕輰挾葋?lái)研究沖擊響應(yīng)波場(chǎng)與缺陷尺寸的相關(guān)性。缺陷分布按照全對(duì)稱設(shè)置，設(shè)置于模型正中間。缺陷寬度分別為0、1、2、3、4、5、6 m，缺陷層厚度為0.2 m，如圖5。每種工況激發(fā)1次，激發(fā)點(diǎn)位于模型正中間位置，偏移距D=0.5 m。激發(fā)及接收方向均為y方向。

圖5 有限寬度缺陷布置示意Fig. 5 Location of the defect with finite width

圖6為缺陷寬度2 m時(shí)的彈性波場(chǎng)快照，快照顯示的是缺陷附近(1.5 m×1.5 m范圍)t=0.005 5 s時(shí)的y方向速度分布。由圖6可知，在模型上表面激發(fā)一雷克子波后，彈性波到達(dá)缺陷區(qū)域后，由于缺陷層的存在產(chǎn)生了多次反射波、透射波，當(dāng)缺陷尺寸有限時(shí)，除少量能量傳遞到波速低層內(nèi)及以下外，還會(huì)發(fā)生繞射。

圖6 波場(chǎng)快照Fig. 6 Snapshot of wave field

圖7為缺陷尺寸寬厚比與標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值的關(guān)系。圖7中橫坐標(biāo)為缺陷寬度與缺陷深度的比值，其中0表示不存在缺陷。由圖7可知，當(dāng)缺陷寬度與缺陷深度的比值為0～1范圍時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值基本保持不變，與不存在缺陷時(shí)相同；當(dāng)缺陷寬度與缺陷深度的比值為1～3范圍時(shí)，隨著缺陷寬度比的增大，標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值呈線性增大趨勢(shì)；當(dāng)缺陷寬度與缺陷深度的比值大于3時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值基本保持不變?？梢哉J(rèn)為，響應(yīng)波場(chǎng)與缺陷尺寸存在相關(guān)性，并且當(dāng)缺陷區(qū)域?qū)捄癖仍谝欢ǚ秶鷥?nèi)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值可以用于判斷下部介質(zhì)的變化區(qū)域的空間分布。

圖7 缺陷尺寸寬厚比與標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值的關(guān)系Fig. 7 Relationship between the width-thickness ratio of defect size and the energy value of the normalized response

2.4 檢測(cè)工藝與檢測(cè)結(jié)果誤差的相關(guān)性

考慮到實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中偏移距、測(cè)線布置和測(cè)點(diǎn)布置等檢測(cè)工藝可能導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏移、失真等誤差，建立符合實(shí)際檢測(cè)工藝的有限元模型對(duì)檢測(cè)工藝和結(jié)果誤差之間的相關(guān)性進(jìn)行研究。

以寬厚比為3時(shí)的工況為對(duì)象，缺陷分布按照全對(duì)稱設(shè)置，設(shè)置于模型正中間。缺陷寬度設(shè)置為3 m，缺陷層厚度為0.2 m。檢測(cè)范圍為以缺陷區(qū)域?yàn)橹行牡? m范圍內(nèi)。偏移距D=0.5 m，X0= 0.5 m。測(cè)線分布如圖8。激發(fā)及接收方向均為y方向。

圖8 工況示意Fig. 8 Working condition

圖9為測(cè)線的標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值分布。由圖9可見(jiàn)，缺陷的存在對(duì)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度具有放大效應(yīng)。其放大性依存于激發(fā)方式。當(dāng)激發(fā)在缺陷處時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值達(dá)到1.38以上。激發(fā)在邊界處時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值達(dá)到1.28。激發(fā)在無(wú)缺陷處時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值只有1.03。由于標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值對(duì)檢測(cè)工藝的依存性，評(píng)價(jià)結(jié)果在檢測(cè)測(cè)線推進(jìn)方向會(huì)導(dǎo)致半個(gè)偏移距的誤差。評(píng)價(jià)檢測(cè)結(jié)果時(shí)可在測(cè)線推進(jìn)方向修正半個(gè)偏移距。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值分布Fig. 9 Energy value distribution of the normalized response

3 某泵站高位井下部缺陷檢測(cè)及病害分析

3.1 工程概況

本次試驗(yàn)在廈門市思明區(qū)筼筜湖排洪泵站進(jìn)行，泵站的主要設(shè)施結(jié)構(gòu)包括蓄水湖、泵房、透水井、高位井和箱涵，平面布置如圖10。主要結(jié)構(gòu)泵房為地上一層高約5 m，地下一層高約10 m，平面尺寸為長(zhǎng)約20 m，寬約12 m，地上建筑為框架結(jié)構(gòu)，地下泵房為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。高位井總長(zhǎng)度43.5 m，寬度為6 m，自南向北分為高、低、高3個(gè)平臺(tái)，平臺(tái)與平臺(tái)之間由1.4 m寬斜坡連接，坡高為0.5 m，高位井底板下為0.5 m厚碎石基礎(chǔ)層。附近地質(zhì)鉆孔信息揭示，該區(qū)域土層分布為：±0.00 m至-4.80 m為雜填土，-4.80 m至-12.25 m為淤泥質(zhì)土，-12.25 m以下為風(fēng)化花崗巖。風(fēng)化花崗巖為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)持力層。

圖10 泵站平面布置Fig. 10 Plane layout of pumping station

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，泵房及其配套建構(gòu)筑設(shè)施整體上未發(fā)現(xiàn)明顯傾斜、側(cè)移拉裂等破壞跡象，泵房?jī)?nèi)也無(wú)明顯破壞的痕跡，在泵房的外側(cè)靠近墻邊的地基土多處發(fā)生明顯地面塌陷，下陷深度約1～20 cm不等，墻體與墻邊土體間隙5～30 cm，在泵房外西側(cè)排洪管道的南北各有一處地面塌陷，地面洞口直徑約1 m，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的回填土處理，場(chǎng)地地面的其它部位無(wú)明顯地面塌陷痕跡。泵站透水井和箱涵底面存在明顯滲水現(xiàn)象，如圖11。結(jié)合蓄水湖水位高于海平面，存在沿蓄水湖向海水的水力坡降，存在形成一定的滲水通道的安全隱患。

圖11 滲水點(diǎn)照片F(xiàn)ig. 11 Photo of seepage point

3.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及測(cè)線布置

檢測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集用數(shù)字地震記錄儀(Geometrics公司生產(chǎn)，24通道高精度寬頻帶地震儀)、速度型檢波器(固有頻率200 Hz)及耦合裝置、筆記本電腦、連接電纜、激發(fā)裝置(250 g鋼錘)、電源等組成。為保證檢波器與接觸面的耦合，每個(gè)檢波器下設(shè)置10 cm×10 cm的鋁板固定裝置。震源的頻率大小由錘子的形狀、重量以及與地面的接觸狀態(tài)等因素決定，一般來(lái)說(shuō)震源的頻率大小與錘子的質(zhì)量大小成反比。選用250 g小鐵錘作為激發(fā)源。檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖12。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)Fig. 12 Site testing

針對(duì)可能存在透水通道的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)高位井，采用沖擊映像法進(jìn)行下部缺陷空間分布檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置如圖13。

圖13 測(cè)線示意Fig. 13 Schematic of survey line

由圖13可見(jiàn)，在高位井內(nèi)南北方向每隔0.5 m布置一條測(cè)線，共12條，每條測(cè)線長(zhǎng)43 m。每條測(cè)線上間隔0.5 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共87個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)線跨越平臺(tái)之間斜坡區(qū)域時(shí)，以水平距離進(jìn)行測(cè)點(diǎn)位置控制。數(shù)據(jù)采集采用的偏移距為0.5 m。采樣間隔20.833 μs，記錄時(shí)長(zhǎng)為0.17 s，采樣延遲為0.004 s，每一組數(shù)據(jù)記錄8 139個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

以測(cè)線L5為例進(jìn)行波形分析，圖14和圖15分別為測(cè)線L5的波形分布和標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值分布。由圖14可知，波形響應(yīng)在4～8、9～20、24～27 m范圍內(nèi)存在明顯響應(yīng)增強(qiáng)的現(xiàn)象。由圖15可知，與波形響應(yīng)增強(qiáng)區(qū)域?qū)?yīng)，在9～20 m范圍內(nèi)存在較多的響應(yīng)能量放大區(qū)域，最大標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值達(dá)到5倍。

圖14 測(cè)線L5波形羅列Fig. 14 Waveform list of survey line L5

圖15 標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值曲線Fig. 15 Energy value curve of the normalized response

圖16為修正后的標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值分布，圖16中標(biāo)示出沖擊響應(yīng)能量達(dá)到1.38時(shí)的等高線。根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可見(jiàn)，以標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值達(dá)到1.38為參考值，可以認(rèn)為區(qū)域內(nèi)存在大面積的層間脫空或者疏松狀況。

圖16 檢測(cè)區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)能量值分布Fig. 16 Energy value distribution of the normalized response in test area

3.4 高位井下部滲漏病害評(píng)價(jià)

從圖16可見(jiàn)，檢測(cè)對(duì)象高位井下部存在混凝土與碎石層間、以及碎石層與基礎(chǔ)土層間的兩種脫空、疏松帶病害。病害分布在高位井南側(cè)4～18 m范圍內(nèi)，并在東西方向連續(xù)貫通。結(jié)合圖10中的觀測(cè)病害，高位井下部的脫空疏松帶的貫通性存在，明確了泵站內(nèi)透水通道的存在，且通道分布在1.0～1.5 m深度范圍。建議對(duì)該透水通道進(jìn)行封堵處理。

4 結(jié) 論

1)在層狀介質(zhì)彈性波傳遞理論的基礎(chǔ)上，采用有限元數(shù)值方法，模擬計(jì)算彈性波在多層介質(zhì)中的傳播特性。通過(guò)不同工況下的模擬計(jì)算，獲得了標(biāo)準(zhǔn)化沖擊響應(yīng)能量值。明確了層間缺陷類型對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化沖擊響應(yīng)能量值的影響，缺陷的存在對(duì)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度具有放大效應(yīng)，其放大性依存于激發(fā)方式。通過(guò)對(duì)檢測(cè)工藝引起的誤差進(jìn)行修正后，采用標(biāo)準(zhǔn)化沖擊響應(yīng)能量值可以準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)多層介質(zhì)層間缺陷的空間分布。

2)針對(duì)某運(yùn)營(yíng)泵站的工程病害問(wèn)題，開(kāi)展了沖擊映像法的工程應(yīng)用。結(jié)合已發(fā)現(xiàn)的病害，明確了泵站內(nèi)透水通道的存在以及其空間分布。并對(duì)今后的加固維護(hù)提出了具體的建議。

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ApplicationofImpactedImageMethodtoWater-SeepageDiseaseTestingofHydraulicStructure

ZHU Renjie, CHE Ailan, HUI Xiangyu, FENG Shaokong

(School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,P.R.China)

The impacted image method is a kind of nondestructive examination method based on the principle of elastic wave reflection, which has advantages of rapid detection and visualization of results. And it can fast evaluate the underground medium along the vertical and horizontal directions Aiming at the characteristics and common diseases of hydraulic structure and its foundation, the correlation analysis on elastic wave propagation characteristics, defect location and defect size was carried out by dynamic finite element method, which was taking the characteristics of elastic wave propagation in multilayer medium with different interface as the theoretical foundation. The relationship between the impact response energy of medium surface and defect location and size was especially focused. The plane distribution of defects in the medium was cleared. The impact factors on error of the impacted image method were also evaluated. On this basis, taking the concrete hydraulic structures seepage disease detection project as the background, the method which was adapt to the data acquisition, analysis, result correction and visualization processing of the hydraulic structure detection was discussed in detail. Finally, the defect distribution and possible infiltration paths were evaluated.

hydraulic engineering; multi-layered medium; elastic wave propagation characteristics; impacted image method; hydraulic structure; water-seepage disease

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.10

2016-03-21；

2016-11-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11372180);

朱仁杰(1994—)，男，上海人，博士生，主要從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方面的研究。E-mail：903739310@qq.com。

車愛(ài)蘭(1969—)，女，吉林吉林人，教授，主要從事巖土體動(dòng)力特性及相關(guān)測(cè)試技術(shù)方面的研究。 E-mail：alche@sjtu.edu.cn。

O 319.56

A

1674-0696(2017)11-048-08

(責(zé)任編輯：譚緒凱)