基于无损检测法的混凝土面板堆石坝健康检测.pdf

第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023收稿日期 2023-04-22作者简介 欧阳晋平(1987-),男,江西婺源人,高级工程师,研究方向为水利水电工程施工.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.11.030基于无损检测法的混凝土面板堆石坝健康检测欧阳晋平(婺源县水利水电建筑工程有限公司,江西 上饶 333200)摘 要为了检测混凝土面板堆石坝(CFRD)的状况,同时检测混凝土面板和下支撑层之间的任何现有空腔,采用脉冲响应法(IR)和电阻率层析成像法(ERT),对混凝土面板进行无损检测(NDT),获得有关混凝土动态刚度和平均迁移率的信息,并使用 ERT 方法的二维(2D)电阻率截面,分析板结构下的空腔检测。IR 方法的检测结果表明,预计在质量较差的混凝土和混凝土面板下方空腔中,会发现具有低动态刚度和高平均迁移率的区域。ERT 方法的检测结果表明,具有高电阻率的区域预计是混凝土面板和下支撑层之间的空腔。在两种方法中,低动态刚度、高平均迁移率和高电阻率的趋势意味着不稳定的混凝土条件和可能出现的空腔。两种方法的检测结果显示出良好的相关性,表明无损检测方法在空腔估计方面的可行性。关键词混凝土面板堆石坝;面板;空腔;冲动响应法;电阻率层析成像中图分类号 TV698.1 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)11-0141-051 概 述混凝土的破坏和开裂将造成严重的损害,对混凝土结构进行安全检查和评估尤为重要1。与其他类型的大坝相比,混凝土面板堆石坝施工相对容易、管理经济、受天气和地震影响较小2。混凝土面板可用作防渗结构,在混凝土面板后面空腔中发生的损坏,可能导致坝体变形和倒塌;在混凝土板下方出现空腔,则可能由于液压或静载荷而产生裂缝3-4。混凝土面板的脆弱性对混凝土面板堆石坝的稳定性产生不利影响,应用于混凝土面板堆石坝的混凝土面板的核心功能是具有机械性能,以防止外力引起的开裂或瞬间产生的混凝土拉应力5。无损检测方法和计算机图像分析技术,是广泛使用于混凝土面板安全检查和评估混凝土结构状况的重要方法6。通过无损检测方法,可以一定程度上避免由混凝土面板引起的稳定性问题。利用脉冲响应法和电阻率层析成像法进行混凝土面板堆石坝的安全检查和质量控制。脉冲响应法广泛用于混凝土面板下方的空腔检查,并用于基于动态刚度和平均迁移率研究混凝土面板的条件。本文开发使用无损电极的电阻率层析成像法,以降低混凝土的接触电阻,防止破坏研究对象,并通过二维(2D)电阻率截面来研究混凝土面板的条件。因此,通过对两种方法之间相关性的分析,对混凝土面板的无损检测进行研究。2 材料与方法2.1 研究对象本文所研究的混凝土面板堆石坝高度125m,波峰长度 601m,最大水库容量 26.3108m3,上游坡度与下游坡度之比 1 1.5。大坝的第 1 步在1989 年完成,第 2 步在 2006 年完成。顶部混凝土面板厚度 0.3m,钢加强件的设计采用 0.4%141第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,20230.5%的钢比,并以 200 300mm 间隔布置,以有效应对裂纹。研究对象的 IR 和 ERT 测量线示意图见图1。混凝土面板均位于中心,上游宽度 15m。IR 调查在步骤 1 和步骤 2 中进行,ERT 调查在步骤 2 中的 CF-13 和 CF-19 中进行。通过 IR 调查,在步骤 2 中获得 21 个站点,长度 79m;在步骤 1 中获得 23 个站点,长度 80m。ERT 调查采用 32 条通道电缆,在考虑混凝土面板厚度和钢筋厚度的情况下,电极间距和线路长度分别设置为 1 和 31m。图 1 脉冲响应法(IR)与电阻率层析成像法(ERT)示意图2.2 无损检测方法的应用IR 是一种通过基于弹性波对混凝土表面施加机械冲击来检测结构内部缺陷的方法,其示意图见图 2。在 IR 测量期间,通过无线保真(wi-fi)模式,实现 DAQ 和笔记本电脑之间的通信,并以无线方式保存数据。IR 方法从附着在冲击锤上的称重传感器中测得的冲击力,以及使用地震检波器测量的弯曲运动速度,获得传递函数。传递函数定义为速度谱与力谱之比,称为迁移率。在0800Hz 频率范围内的迁移率还包括基于具体研究对象的条件和完整性的参数信息。动态刚度定义为在小于 80Hz 的频率下斜率的倒数,其中迁移率在迁移率-频率图中线性增加。动态刚度表示测量点周围的灵活性,并取决于研究对象的质量、板的厚度和板的支撑状态。平均迁移率定义为100800Hz 频率范围内迁移率的算术平均值。由施加的冲击源引起的弹性波因板的固有刚度而衰减。在 100800Hz 范围内的平均迁移率与板的密度和厚度直接相关。当板的厚度变薄或试样的两层之间的距离减小时,平均迁移率增加。图 2 脉冲响应法(IR)测试示意图 ERT 调查通常应用于地下勘探,是一种地球物理勘探技术,用于通过测量由电流电极流过的电流引起的电极之间的电位差,来调查地质结构和地面状况。本研究使用偶极-偶极阵列的 ERT方法,来获得电阻率分布的 2D 截面。使用无损电极是因为 ERT 调查中使用的不锈钢电极可能会导致研究对象的破坏。图 3 为使用偶极-偶极阵列的 ERT 调查示意图。电势差(V)通过在 ERT 调查期间流动电流(I)来测量,表征如下:241欧阳晋平:基于无损检测法的混凝土面板堆石坝健康检测第 11 期图 3 典型电阻率层析成像法(ERT)勘测的偶极-偶极阵列a=kVI(1)k=n(n+1)(n+2)a(2)式中:a为地下介质的视电阻率;k 为几何因子;a为电极间距;n 为电极分离指数。为审查 ERT 混凝土勘测的适用性而构建的混凝土模型见图 4。该模型尺寸为 2.46.01.0m3。钢筋以 0.2m 的间隔布置在混凝土左侧中心,具有直径 25mm 的网孔。空腔位于混凝土底部中心,尺寸为 2.42.00.3m3。沙子、砾石和黏土用于支撑空腔左侧和右侧的混凝土,同时减少由于固结而导致的空腔高度变化。图 4 无损电极进行 ERT 勘测的混凝土模型示意图3 结果与分析3.1 脉冲响应结果由于每个步骤的施工时间和混凝土厚度不同,因此无法绝对评估动态刚度和平均迁移率。随着板厚度的减小,IR 方法的参数显示出平均迁移率的差异。此外,动态刚度随着反射层厚度的减小而减小。图 5 为每个步骤的动态刚度和平均迁移率图。动态刚度与平均迁移率之间呈反比关系,总体动态刚度从上到下(IR 点 1-19)下降,然后在底部(IR 点 20 和 21)趋于急剧增加。特别是在IR 点 12-19 处,整个混凝土面板显示出相对较低的动态刚度和高平均迁移率(红色虚线框)。在该框所示的整个混凝土面板中,预计 CF-23 将是最脆弱的。在步骤 1 和步骤 2 中,混凝土面板显示出在动态刚度和平均迁移率方面保持相对恒定的趋势。与其他点相比,IR 点 4、22 和 23 显示出较低的动态刚度和较差的混凝土质量。特别地,CF-23 的 IR 点 4 倾向于具有低动态刚度和高平均迁移率,这些点在支撑混凝土面板和预测潜在空腔方面相对较弱。341第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023图 5 步骤 1、步骤 2 中 CF-9、CF-13、CF-19 和 CF-23 处混凝土面板的动态刚度和平均迁移率3.2 电阻率层析成像结果图 6 为使用 GPR 的 CF-13 和 CF-19 的 ERT勘测结果以及空腔估计区。总体 ERT 结果显示,深达 2m 的电阻率范围较低,其原因是钢筋的影响较大。考虑到钢筋的影响,位于空腔估计区域中的 CF-13 在深度2m 内具有非均匀的高电阻效应,见图 6(a)。此外,通过 GPR 证实,高阻区与空腔估计区重合。然而,没有空腔估计区的 CF-19 在水平方向上表现出均匀的低电阻率效应,直至深度约 2m,见图 6(b)。因此,根据 ERT 勘测,在深度 2m 内的高电阻率影响可以解释为可能存在空腔。图 6 步骤 1 中 CF-13、CF-19 的电阻率层析成像(ERT)勘测结果3.3 脉冲响应与电阻率层析成像结果的相关性基于 2D 截面的电阻率分布、动态刚度和平均迁移率,分析 IR 和 ERT 结果之间的相关性。图 7 为 CF-13 和 CF-19 的 IR 和 ERT 调查结果。在图 7(a)中,基于 GPR 的空腔估计区域位于 IR点 1-3 和 6-12 处。然而,当包括空腔估计区域的 IR 和 ERT 结果时,IR 点为 6-12。由于对 IR点 6-12 进行了 ERT 测量,因此有可能在深度 2m内识别出具有高电阻率效应的异常区。在图 7(b)中,没有出现空腔估计区,并且显示了相对稳定的参数。为了比较 IR 和 ERT 结果,对 IR 点4-14 进行分析。根据 ERT 调查结果所示,在深度 2m 内的低电阻率效应趋于均匀。但在某些点上,动态刚度较低(IR 点 9),平均迁移率较高(IR点 6),但混凝土质量不差。因此,与 CF-13 相比,可以从 IR 和 ERT 调查的结果中确认 CF-19是高质量混凝土的位置。441欧阳晋平:基于无损检测法的混凝土面板堆石坝健康检测第 11 期图 7 步骤 1 中 CF-13、CF-19 的测量结果 图 8 为在步骤 1 中 CF-13 具有最低动态刚度时的 IR 点4 的一致性分析。结果显示,相干因子显示出高可靠性,最大值 0.99,平均值 0.96 以上。然而,当频率高于 300Hz 时,相干因子降低至约 0.2,可靠性降低。由图 8 可知,动态刚度非常低,但平均迁移率没有显示出这样的异常。因此,预计平均迁移率实际上会更高,预计混凝土质量较差。图 8 步骤 1 中 CF-13 的脉冲响应(IR)点 4 的一致性分析结果4 结 论1)与传统的无损检测方法不同,ERT 调查可以通过可视化目标对象的电阻率分布来评估预期有空腔的区域,还可以结合 IR 调查来分析混凝土的脆弱性,且不会破坏研究对象。2)ERT 测量仅应用于步骤 1,结果表明在深度 2m 内存在高电阻率效应的异常。预计该效应来自混凝土面板和下层之间的空腔,且仅在 CF-13 中得到证实。此外,它与通过 GPR 确定的空腔估计区重合。因此,ERT 调查被认为适合调查空腔的存在。3)根据 IR 和 ERT 调查的结果显示,由于动态刚度低且高电阻率区域的平均迁移率高,因此两种调查类型之间的空腔估计区域之间存在高度相关性。因此,可以预期在 IR 和 ERT 方法中,可以研究混凝土面板的开裂和破坏以及下支撑层的损失。4)在混凝土面板上应用无损检测方法,可以为调查混凝土的状态和存在的任何空腔提供有用的信息,并且预期无损检测方法可以用作各种类型混凝土结构的状态和稳定性评估方法。参考文献1 张忠.预制混凝土装配式结构施工安全评价体系研究D.福州:福建工程学院,2020.2 朱安龙,孙屹,张萍,等.混凝土面板堆石坝跨尺度有限单元模拟技术的开发与应用J.水利水电技术(中英文),2023,54(2):118-128.3 邹德高,彭俊,李俊超,等.沥青混凝土面板堆石坝强震变形模式和极限抗震能力分析J.水电与抽水蓄能,2022,8(6):15-20.4 刘利成.混凝土面板堆石坝病害特征分析及除险加固措施J.城市建筑,2022,19(22):130-132.5 池仑.混凝土面板堆石坝变形和渗漏特性研究J.地下水,2022,44(4):125-127,305.6 白宁铂.无损检测在建筑结构工程质量检测中的应用J.中国设备工程,2023(8):174-176.541