超聲波檢測(cè)在王集引黃閘安全鑒定中的應(yīng)用研究

李曉磊，耿 波

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

水閘竣工投入使用以后，由于工程運(yùn)營(yíng)主管部門對(duì)涵閘工程內(nèi)部等隱蔽部位現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題無(wú)法掌握，從而使得工程在運(yùn)行中所產(chǎn)生的問(wèn)題不能及時(shí)修復(fù)，造成工程帶病運(yùn)行，影響了工程的使用[1]。因此，為確保水閘工程能夠發(fā)揮正常的防汛排澇功能，使主管部門對(duì)涵閘工程問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施做出正確決策，對(duì)運(yùn)行多年的水閘進(jìn)行安全鑒定勢(shì)在必行[2]。在安全鑒定中，水閘混凝土缺陷狀態(tài)的評(píng)價(jià)是判定水閘安全狀態(tài)的一項(xiàng)重要工作，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算影響巨大[3]。

2 水閘混凝土缺陷的通常檢測(cè)方法

在現(xiàn)行水閘安全鑒定中，混凝土強(qiáng)度一般由回彈值及碳化深度進(jìn)行大致計(jì)算，但內(nèi)部缺陷仍無(wú)法進(jìn)行判斷[4]。如果使用小型取芯設(shè)備進(jìn)行取樣，會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)造成永久損傷，本身混凝土結(jié)構(gòu)在使用多年后處于安全的邊緣狀態(tài)，可能直接打破平衡造成人員或財(cái)產(chǎn)損失，因此無(wú)損的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部檢測(cè)是較有意義的一種模式[5]。超聲波CT作為一種較為常見(jiàn)的檢測(cè)手段，以其快捷、無(wú)損、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)可以廣泛推廣[6]。

3 超聲波法的原理

超聲波法測(cè)缺是通過(guò)混凝土中超聲波聲學(xué)參數(shù)的變化對(duì)混凝土缺陷進(jìn)行判定的方法，混凝土內(nèi)部的缺陷會(huì)破壞聲通道的連續(xù)性及聲波的能量，從而導(dǎo)致聲學(xué)參數(shù)發(fā)生突變[7]。通過(guò)聲學(xué)參數(shù)對(duì)比分析，可以準(zhǔn)確判定混凝土的內(nèi)部質(zhì)量好壞。超聲法使用的儀器為巖海超聲ST1010C型非金屬超聲波探測(cè)儀[8]。

首先計(jì)算各測(cè)區(qū)的混凝土聲速，將各測(cè)區(qū)的聲速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用下式計(jì)算各測(cè)區(qū)混凝土聲速的平均值(mV)和標(biāo)準(zhǔn)差(SV)。

Vi=L/Ti

(1)

(2)

(3)

其中，L為測(cè)距，mm；Vi，Ti為第i點(diǎn)的聲速聲時(shí)值,km/s;n為參與統(tǒng)計(jì)的測(cè)點(diǎn)數(shù)。

通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)聲速值進(jìn)行大小排序，即V1≥V2…≥Vn+1……，將后面明顯較小的數(shù)據(jù)視為可疑，并將可疑數(shù)據(jù)中最大值Vn連同其前面的數(shù)據(jù)按式(2),式(3)計(jì)算出mV和SV值，并按下式計(jì)算異常情況的判斷值(V0)：

V0=mV-λ1·SV。

其中，λ1為異常值判定系數(shù)，通過(guò)CECS 21：2000超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程查得，將V0與Vn相比較，當(dāng)Vn≤V0時(shí)，則Vn及排列于其后的各數(shù)據(jù)均為異常值，則去掉Vn，再用V1～Vn-1進(jìn)行計(jì)算和判別，直到不出現(xiàn)異常值為止[9]。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 王集引黃閘工程概況

王集引黃閘于1989年12月建成，設(shè)計(jì)防洪水位為52.50 m，屬于一級(jí)水工建筑物，主要混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件是混凝土閘門板和閘墩，其中，涵閘趾處堤頂高程為55.00 m，底板高程為45.50 m。

4.2 超聲波檢測(cè)測(cè)線布置

為了方便檢測(cè)和描述，水閘混凝土結(jié)構(gòu)編號(hào)示意如圖1所示。采用超聲波檢測(cè)法抽測(cè)了墩2、墩3、閘門1、閘門2和閘門3的混凝土內(nèi)部密實(shí)性。將以上部位分別作為一個(gè)構(gòu)件，每個(gè)構(gòu)件布置4條平行測(cè)線，測(cè)線間距為100 mm，每一條測(cè)線的測(cè)點(diǎn)數(shù)為10個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距50 mm，測(cè)線避開(kāi)鋼筋和裂縫，采集數(shù)據(jù)時(shí)，激發(fā)檢波器與接收檢波器始終處于閘墩兩側(cè)水平相對(duì)位置，每次移動(dòng)步距0.1 m。測(cè)試布置如圖2所示，閘門測(cè)試布置類同。

實(shí)施檢測(cè)時(shí)，用鋼絲刷、砂輪等處理測(cè)區(qū)表面，使其滿足測(cè)試要求。使用黃油作為耦合劑，提高聲波信號(hào)的質(zhì)量。

4.3 檢測(cè)結(jié)果

各部件混凝土密實(shí)性超聲測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各部件混凝土密實(shí)性超聲測(cè)試結(jié)果匯總表

墩2混凝土結(jié)構(gòu)總測(cè)點(diǎn)數(shù)n=40，平均聲速mV=3.84 km/s，均方差SV=0.035 km/s，聲速臨界值V0=3.76 km/s，表1中聲速最小值為3.78 km/s，大于聲速臨界值V0，故墩2混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度較好。墩3混凝土結(jié)構(gòu)總測(cè)點(diǎn)數(shù)n=40，平均聲速mV=3.84 km/s，均方差SV=0.038 km/s，聲速臨界值V0=3.76 km/s，表1中聲速最小值為3.77 km/s，大于聲速臨界值V0，故墩3混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度較好。閘門1混凝土結(jié)構(gòu)總測(cè)點(diǎn)數(shù)n=40，平均聲速mV=4.03 km/s，均方差SV=0.048 km/s，聲速臨界值V0=3.94 km/s，表1中聲速最小值為3.95 km/s，大于聲速臨界值V0，故閘門1混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度較好。閘門2混凝土結(jié)構(gòu)總測(cè)點(diǎn)數(shù)n=40，平均聲速mV=4.01 km/s，均方差SV=0.044 km/s，聲速臨界值V0=3.93 km/s，表1中聲速最小值為3.94 km/s，大于聲速臨界值V0，故閘門2混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度較好。閘門3混凝土結(jié)構(gòu)總測(cè)點(diǎn)數(shù)n=40，平均聲速mV=4.04 km/s，均方差SV=0.040 km/s，聲速臨界值V0=3.96 km/s，表1中聲速最小值為3.97 km/s，大于聲速臨界值V0，故閘門3混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度較好。

4.4 復(fù)核計(jì)算

鑒于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部密實(shí)，無(wú)明顯空洞的情況，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件復(fù)核內(nèi)容主要包括：閘室底板、邊墩、中墩，根據(jù)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力特點(diǎn)，利用Sap2000進(jìn)行計(jì)算的模型如圖3所示。

計(jì)算工況如下：

1)閘室及胸墻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為混凝土殼計(jì)算。

2)4種計(jì)算工況，分別為建成無(wú)水、設(shè)計(jì)引水、設(shè)計(jì)防洪擋水、設(shè)計(jì)引水+地震4種工況。

中墩、邊墩、底板、胸墻、閘門內(nèi)力均取各計(jì)算工況最大值，按正截面純彎構(gòu)件配筋，裂縫寬度按正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，各工況內(nèi)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖4～圖7；內(nèi)力和配筋結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 配筋計(jì)算及裂縫寬度驗(yàn)算表

由計(jì)算結(jié)果分析，原邊墩、中墩、底板、胸墻、閘門的配筋面積及裂縫寬度均滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范要求，其混凝土結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

超聲波檢測(cè)法作為一種無(wú)損、快捷的檢測(cè)水閘混凝土內(nèi)部缺陷的方法，避免了對(duì)水閘混凝土結(jié)構(gòu)的人為損壞，計(jì)算結(jié)果科學(xué)且具備較強(qiáng)的代表性，能夠?yàn)樗l結(jié)構(gòu)的復(fù)核計(jì)算快速提供依據(jù)，值得在水閘安全鑒定中大范圍推廣普及[10]。