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　　受濒水特性、检测面制约等不利因素影响，传统的无损检测手段如超声法等无法对水利工程进行有效测试。大坝等大体积水工结构检测常见的钻探作业费工费时，且对结构造成局部损伤，不适合大量使用。既有的技术手段难以对水工构筑物的质量状况进行准确、全面的检测评估。

　　主动式应力波作为一种新型混凝土无损检测技术，对大中型混凝土构件的形体尺寸、内部缺陷等具有良好的检测效果。依托水利部948项目（编号201317），我院2014年引进一套美国OLSON公司的"水工混凝土结构无损检测平台".系统针对水工闸坝及其枢纽工程等不同构筑物特点，采用一种或多种综合的检测手段，实现在役工程运行期间的安全检测和新建工程的质量控制；采用模块化设计，通过功能单元切换，不同的混凝土结构可以选择适用的检测方法；针对水工大坝特点，集成了利用声波脉冲原理开发的坝体层析成像测试系统，可在水库不降低库水的条件下实现水库大坝坝体内部薄弱区域的隐患探测，为水库大坝除险加固和安全鉴定提供了全新的、先进的检测和评估手段。

　　1应力波技术

　　应力波法通过敲击混凝土表面，在其内部产生三种形式应力波，即P波（纵波）、S波（横波）和R波（瑞利波），详见图1;应力波在混凝土中传播过程中，于不同声阻抗介质面上会产生多次反射并产生共振，利用速度（或加速度）传感器接收其波形信号；通过快速傅立叶变换（FFT），在频谱图中拾取目标结构的特征主频（见图2），对混凝土内部状况进行评估。

　　本次引进的水工混凝土结构无损检测平台由信号采集处理系统（主机）与扫描式冲击回波、表面波、薄板冲击瞬态响应和大坝声波成像系统组成。

　　2工程应用研究

　　2.1隐蔽构件形体尺寸检测

　　利用扫描式冲击回波测试系统（IES）可以测试混凝土构件厚度。IES系统具有先进的自动冲击器和集成式滚动传感器，能连续扫描测试结构，直接形成被测结构的三维图像。课题组分别制作了10cm、20cm、30cm等不同厚度的阶梯模型试板进行验证测试，结果见图4、图5.根据测试结果和形成的三维图像，结构试件的不同厚度反映明显，达到了相应的精度要求。某水闸内港侧消力池挡墙采用扶壁式结构，扶壁间距4m.现场在挡墙面板（立壁）布置了多条水平测线，测试构件情况与结果见图6、图7.根据测试得到的结构三维图像，挡墙背部的扶壁位置清晰，定位准确，反映的构件厚度与结构实际情况较吻合，表明该系统可用于单面条件下的构件厚度和构件隐蔽形体的检测和判定。

　　2.2混凝土裂缝检测

　　瑞利波主要集中在介质表面附近传播，传播速度与介质的物理力学特性关系密切。在构件表面激振产生连续频率的瑞利波，通过信号分析处理，形成构件深度与波速关系的剖面图，对介质在深度方向的不均匀性做出评价。课题组制作了预埋特定深度裂缝的混凝土模型，利用表面波频谱分析测试系统（SASW-SA）进行缝深测试，测试构件与结果见图8、图9.根据测试结果，波速在深度21cm左右发生明显突变，判定此处深度为构件裂缝的延伸深度，这与模型预设的实际裂缝深度基本吻合，表明表面波频谱分析测试系统可用于混凝土构件裂缝的深度检测与判断。

　　2.3混凝土板脱空检测

　　某水库大坝溢洪道陡槽采用30cm厚的150#混凝土衬砌。现场利用薄板冲击瞬态响应测试系统（SIR-2）检测底板的脱空及下部支撑状况，溢洪道外观与测试结果见图10、图11.根据测试结果，槽板下游分缝附近存在一个导纳异常区域，即轮廓图中的高亮信号区。根据现场勘查，该部位受多年泄流淘刷，下部已明显脱空。同一区域的探地雷达扫描数据验证了这一结果。

　　2.4砌石拱坝内部缺陷检测

　　某拦河坝为混凝土砌石单曲拱坝，现场测试坝高8m（不含淤积层），最大测试坝厚3.5m.在大坝上游侧布设9个串联式水听器（竖向间距1m），在坝体下游侧相应位置采用力锤逐次敲击。激振产生的弹性波在坝体内部传播，形成检测断面内测线的交叉布置型式。检测数据根据走时成像原理，将速度函数信号作为投影数据，在网格数学模型下利用同时迭代重建技术（SIRT）等反演算法求解方程，得到检测断面上弹性波速度的分布，实现CT断层扫描成像。通过断面上的应力波（P波）速度分布，评价坝体内部的混凝土质量与缺陷状况。大坝现场及坝体扫查成像结果见图12、图13.坝体断面波速分布图较直观地反映出上部坝体和偏下游侧坝体存在波速较低的疑似质量薄弱区。该检测结果通过现场观测到的下游坝体表面渗白浆、渗水等坝体外观现状可得到一定程度的反映。

　　3系统技术特点

　　根据水工混凝土结构无损检测平台在大坝、溢洪道、水闸等多种水工构筑物检测的应用效果分析，该应力波无损测试平台具有以下技术特点：

　　（1）扫描式冲击回波测试系统（IES）具有单面测试能力，解决了单临空面结构无法对测的问题。系统采用先进的滚动传感器技术，测试效率达到（3000~5000）点/h;多条测线数据经过后分析可快速形成三维图像，直观显示内部缺陷位置及程度。扫描式冲击回波单元适用深度7~50cm,能在较平整表面对板状结构的尺寸厚度及内部缺陷进行检测，理想的扫描速率在0.3m/s左右，厚度测试精度可达5%.

　　（2）表面波频谱分析测试系统（SASW-SA）利用表面瑞利波的色散特性，确定随深度变化的各分层结构的剪切波波速剖面图，计算剪切模量和杨氏模量，评估结构的内部分层情况及内在缺陷类型，适用于混凝土结构的材料特性、分层、溶蚀破坏、碳化程度、裂缝深度及裂缝处理效果等测试。通过调整接收传感器的间距，有效测试深度可达3.6m;对路面结构或混凝土衬砌厚度和刚度的测量精度在5%以内。

　　（3）薄板冲击瞬态响应测试系统（SIR-2）利用薄板结构对冲击产生的机械阻抗变化判断分层结构结合强度及底部支撑强度，适用于溢洪道板等较大混凝土板件下部分层和空洞区域定位、隧洞衬砌板支撑条件及前后加固层之间结合紧密情况、隧洞的衬砌与围岩结合情况的测试。该系统理想的测试厚度在0.6m以内。

　　（4）大坝声波成像系统（AT）采用高稳定性、高精度的水听器组合单元，可在水环境下对不同深度的坝段进行切片式内部质量层析扫查，无需排空库水，为浆砌石坝、混凝土坝等水库大坝的除险加固和安全鉴定提供了全新的检测和评估手段。

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