冲击回波技术在水工流道钢衬砌混凝土质量无损检测中的应用

【摘要】作为一种快速高效的无损检测技术，冲击回波法是目前水电工程钢衬砌混凝土质量无损检测的主要方法。本文通过对冲击回波法的原理、数据处理与解释的论述，结合工程实例，总结冲击回波技术在水工流道钢衬砌混凝土质量无损检测的应用。

【关键词】冲击回波；钢衬砌混凝土；无损检测；对比；能量

1、概述

水工流道钢衬混凝土结构型式目前广泛应用在国内的各水电站中。钢衬混凝土的衬砌结构型式具有安全性高、节省钢板、简化施工工艺、降低工程投资等一系列优点。钢衬混凝土的工作特点相当于一个多层衬砌的隧洞，钢衬的功用是承担部分内水压力和防止渗透，回填混凝土的功用是将部分内水压力传给周围的介质，因此，回填混凝土与钢衬之间必须紧密结合，回填混凝土的质量是钢衬混凝土施工中的一个关键。冲击回波法为近年发展起来的无损检测技术，目前在水电站水工流道钢衬砌混凝土质量无损检测中发挥了重要的作用。

2、冲击回波法原理

在结构表面施加脉冲应力波，脉冲应力波向结构内部传播，在应力波传播过程中遇到结构内部的波阻抗差异界面时，将产生反射应力波（回波），并向结构表面传播，被埋设在结构表面的传感器所接收。根据反射波的旅行时间T和混凝土应力波（纵波）波速v即可计算反射界面的深度h，计算公式为：

如果选用适当的激发系统，能产生相应频率又有足够能量的冲击波，接收到信号较强的多次反射波（冲击回波），使用快速傅立叶变换处理信号获得频谱，读取回波频率（优势频率f），则优势频率f与波阻抗差异界面深度h相关：

根据管道钢衬混凝土结构特点，由于钢衬较薄，钢衬与混凝土界面的反射应力波（回波）旅行时间一般不超过50μs，而冲击应力波信号的主频一般为2kHz～10kHz，周期为500～100μs，在垂直反射的情况下，直达波与反射波信号的相位差仅为10μs左右，为应力波主信号周期的1/50～1/10，反射波与直达波之间微小的相位差异导致无法有效地将反射波信号分离出来，而且一般反射波能量远小于直达波能量，故无法利用冲击回波法在时间域或频率域进行计算，因此直接拾取冲击回波的初至或首波进行钢衬混凝土质量检测是困难的。

在钢衬与混凝土紧密结合的情况下（质量完好），钢衬与混凝土界面的波阻抗差异为33.96Mkg/（m2s），界面应力波反射系数为-0.68；在钢衬脱空情况下（有缺陷），钢衬与空气的波阻抗差异为：42.12Mkg/（m2s），界面应力波反射系数约为-1.0；钢衬与水的波阻抗差异为：40.62Mkg/（m2s）， 界面应力波反射系数为-0.93。故在钢衬脱空时的界面应力波反射系数较大，则反射波的幅度及能量均大于正常钢衬混凝土，而且钢衬表面为自由界面，经反射波在钢衬（板）内部形成多次反射，则在钢衬表面测到的应力波能量增加更为显著。

钢衬表面在冲击作用下产生应力波，对于平面谐波，钢衬表面激振点附近的质点振动速度方程为：

波动动能方程：

波动总动能公式：

对于同样的激发能量与激发条件，在激发点周围相同接收距离的情况下，直达波的能量是基本一致的。

在钢衬表面激发应力波，一部分应力波沿钢衬表面扩散传播，另一部分能量向混凝土传播，在钢衬与混凝土界面，或钢衬与空气（或水）界面，应力波将产生不同程度的反射波，反射波叠加在直达波之上，使质点的波动能量有所改变。若假定相距激发点200mm处的直达波能量为E0，则反射波能量为： E′=E- E0

通过研究应力波动能量的变化为检测钢衬质量及缺陷提供了重要途径。

3、冲击回波试验和工程实例

（1）冲击回波法试验

在某工地选取钢衬混凝土紧密接触（完好）和脱空两处进行对比试验，采用HX-GMM-S80B高能超磁致伸缩震源激发应力波，激励电压为800V，以RS—ST01C非金属声波检测仪及SY06加速度传感器接收应力波信号，偏移距为200mm，测试时，两处设置采样参数完全一致，测试波形见图2和图3。

试验表明，正常与缺陷钢衬混凝土的波形形态差异较大，无论信号主频、波幅、波动持续时间及总能量具有明显的差异，其中波动总能量差异尤为明显，故利用冲击应力波的能量变化可以分析与判断钢衬混凝土脱空缺陷。

（2）某电站冲击回波法钢衬砌混凝土质量检测工程实例

某电站为混凝土双曲拱坝，由泄水建筑物、引水发电系统等组成，最大坝高110m，坝轴线长472m，坝顶宽6m，总库容12.17亿立m3。引水隧洞全长208.50m，其中上段为钢筋混凝土衬砌，下段为钢管混凝土衬砌。压力钢管段采用Q390C钢板制作而成，板厚28～38mm，管外回填厚度800mm的混凝土。

根据检测要求冲击回波法钢衬砌混凝土质量检测采用HX-GMM-S80B高能超磁致伸缩震源激发应力波，激励电压为800V，以RS—ST01C非金属声波检测仪及SY06加速度传感器接收应力波信号；现场检测采用间隔为4，采样点数为1024，偏移距为200mm。

图4和图5为该电站钢衬砌混凝土质量检测冲击回波能量曲线图和冲击回波列图。

根据能量计算公式计算该水电站压力支管每个各测点的冲击回波波动能量，并通过统计分析确定波动能量临界值δ，将波动能量临界值作为判断钢衬与混凝土脱空缺陷及程度的依据。经统计分析，本次测区波动能量临界值为1000，钢衬混凝土脱空缺陷评判标准见表2。

根据钢衬混凝土脱空缺陷评判标准，电站压力支管压检测段成果分析评价结果见表3。压力支管左拱肩和拱顶测线分别有1段和2段波动能量超过临界值，但低于3倍临界值，属于轻微脱空缺陷，缺陷段长度分别为0.8m和1.8m；右拱肩测线各测点波动能量均低于临界值，钢衬与混凝土无明显脱空缺陷。支管检测段未发现较严重的钢衬与混凝土脱空缺陷。

4、结语

冲击回波法能够较准确地检测出管道钢衬混凝土的脱空缺陷。冲击回波能量与发射能量、偏移距离、接收仪器、传感器以及设置参数有关，在实际工作中，同一结构形式的管道钢衬混凝土，激发接收等采集参数一般保持不变；不同结构形式的管道钢衬混凝土，脱空缺陷评判标准应分别建立。

参考文献：

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