李秀琳，吕小彬，刘 岩，赵 磊，刘 泱，杨 述

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038； 2.内蒙古呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司，呼和浩特 010051)

1 概 述

内蒙古某沥青混凝土防渗面板抽水蓄能电站，上水库廊道外断面为倒梯形、内断面为标准城门洞型，洞内宽 1.5 m、高2.0 m，衬砌厚不小于60 cm，廊道分缝间距一般为10 m[1]。2015年巡检在廊道b0+013处发现裂缝，2019年再次巡检时发现裂缝有发展，表现为裂缝呈剪切扭动破坏的形式张开，个别裂缝较2015年的记录有所延伸，重点监测的裂缝局部出现破坏、有掉块风险。经统计该处裂缝有13条，集中分布于挖填分界b0+013～b0+016区间，廊道裂缝及其编号见图1。11#，13#两条裂缝靠近b0+016沿廊道环向发展，13#裂缝最大宽度将近1 cm并伴有错动，初步判定为贯穿性裂缝。12#缝位于11#和13#之间大坝侧边墙顶部弧段；其余裂缝分布于库盆侧边墙顶部的弧段。结合裂缝分布情况、廊道结构形式，通过裂缝深度检测查看裂缝是否贯通，提出缺陷修补方案。

廊道衬砌混凝土典型裂缝深度检测，首先采用规范推荐的表面波法和超声波法两种无损法。在裂缝发展最严重的b0+013～b0+016段选取3条宽度最大的裂缝，采用表面波法进行检测。为对比两种方法检测结果的差别，在b0+013～b0+016段又选取了4条裂缝，用常规的超声波法进行检测。另外，在b1+066～b1+076段选取4条典型的温度裂缝，采用常规的超声波法进行检测。最后在边墙缝宽较大处骑缝取芯，验证无损检测结果。

图1 廊道裂缝示意图

2 瑞利波平测法

2.1 平测法原理

瑞利波由在媒体边界面上的压缩波P波和剪切波S波相互作用而生成。冲击媒体表面所产生的弹性波中瑞利波能量最大，主要集中在距表面深度1倍波长范围内，信号容易被采集。瑞利波利用其衰减特性测混凝土结构裂缝深度，受缝内填充物、含水量以及钢筋影响很小，非常适合较深裂缝检测[2]。瑞利波在完整连续介质中传播，所发生的材料衰减、几何衰减可通过系统补正可保持瑞利波振幅不变，一旦遇到裂缝，波的能量减少和振幅减小[3]。见图2，通过测试裂缝前后瑞利波振幅变化得出振幅比，即可推算裂缝深度。

图2 面波法的概念

在半无限空间中瑞利波的上下方向的相对位移(即与表面位移比)w(z)沿深度方向的分布为：

(1)

其中：VR，VP，VS分别为瑞利波、P波和S波的传播速度；ζ为瑞利波的波数，有ζ=2π/λR。

由于瑞利波的上下方向变形(亦被测对象)与深度呈指数关系，可以想到裂缝深度H与裂缝前后振幅比x的关系可以假设为：

H=C·ln(x)

(2)

显然，C还应与瑞利波的波长λR相关，为此利用大型混凝土试块进行试验。在进行相关修正(如距离、材料等)后，得到图3所示的关系。

图3 C与λR的关系

基于最小二乘法可得：

C=-0.742 9λR

(3)

2.2 平测法结果

检测中传感器间距d取40 cm，采用双向激振的方式进行4次激振测试后，保持传感器位置不变，将冲击锤移动至原敲击位置的另一侧，再进行4次激振测试。每条裂缝共计进行8次激振测试。

在剪扭裂缝发展最严重的b0+013～b0+016段选取3条宽度最大的裂缝，靠近库盆的左侧墙11#和13#两条裂缝，靠近坝体的右侧墙1条进行平测法测缝深，见图4。裂缝典型的传感器信号见图5。

这3条严重的剪扭裂缝在表面波检测时的一个共同特征是近端传感器(与激振锤在裂缝的同一侧)接收到的弹性波信号的电压幅值要远远高于远端传感器(在裂缝的另一侧)：3条裂缝在两端激振情况下近端传感器的电压幅值一般在8 V左右，而远端传感器的电压幅值只有不到0.2 V，相差近40倍，也就是说虽然两个传感器的间距只有40 cm，但表面波信号基本无法跨缝传播(图2)。按照式(2)计算，3条裂缝的深度都超过1 m，因此判断这3条裂缝已经贯穿整个廊道衬砌厚度。

图4 平测法检测的剪扭裂缝之一(b0+014.7靠近库盆侧)

图5 平测法检测两道传感器典型信号

3 超声波

3.1 超声波法原理

超声波检测混凝土裂缝深度的原理是：利用脉冲波在混凝土中传播的时间(或速度)及接收波的振幅和频率等声学参数的变化来检测混凝土中的缺陷[4]。混凝土中的裂缝破坏了混凝土的整体性，超声波只能绕过裂缝(或空洞)传播到接收换能口，因此传播路径增大，测得的声时必然延长或导致传播速度降低。影响超声波检测混凝土裂缝深度的精度的因素主要有两个：一个是裂缝内充有水或其它杂质，裂缝基本处于闭合状态；另一因素是缝内有钢筋穿过。这样脉冲波经缝内杂质或钢筋耦合后直接穿过裂缝到达接收换能口，因此采用超声波法测量具有这两种情况的裂缝深度时其结果会有一定偏差。

3.2 超声波法检测结果

选取的典型裂缝的超声波法深度检测结果见表1。

表1 超声波法检测裂缝深度结果

从表1中看出，b0+011 ～ b0+021段中几条剪扭裂缝采用超声波法测试裂缝深度的结果都比较浅，最深的只有37 cm。根据表面波法检测的结果以及这些剪扭裂缝产生的原因分析，判断这些剪扭裂缝都应该是贯穿整个廊道衬砌厚度的。造成检测误差较大的主要原因是超声波测缝深只适用于比较规则的垂直向下发展的裂缝，而b0+011 ～ b0+021段中的剪扭裂缝则不同。

对于b1+066 ～ b1+076段中的几条典型疑似温度裂缝，采用超声波法检测缝深的结果普遍都比较小，最深不超过20 cm。但需要指出的是，实际工程经验表明，超声波法检测裂缝的深度一般比实际情况要浅，这主要是由于超声波采用P波检测的原理造成的。

4 取芯法

左边墙取芯法测廊道与填筑体之间是否脱空，芯样骑缝穿过b0+016周边长度最长、宽度最大的裂缝。芯样显示裂缝为斜缝，不是想象中垂直贯廊道立面，裂缝发展方向与立面倾角约45°，典型斜截面剪应力最大造成的剪切破坏，见图6。

图6 量尺寸推断裂缝倾角

5 结 论

内蒙古某抽水蓄能电站廊道裂缝深度检测，表面波法检测b0+013～b0+016段3条发育最严重的剪扭裂缝时，由于表面波信号基本无法跨缝传播，导致远端传感器接收到的电压幅值非常微弱。经计算分析，判断这3条严重的剪扭裂缝均已贯穿整个廊道衬砌厚度。采用超声波法检测b1+066～b1+076段中的几条典型疑似温度裂缝时，缝深的结果普遍都比较小，最深不超过20 cm。但由于超声波法检测缝深原理的限制，测试的缝深可能比实际的要浅。取芯检测结果表明，b0+013～b0+016段的裂缝沿与衬砌表面大约呈45°向衬砌内部发展，符合混凝土在受扭转作用下产生剪切裂缝的特征。综上所述，由于该廊道一端嵌固在开挖的基岩中，另一端浇筑在堆石填方上，整个浇筑段在填方侧产生非常大的扭矩，导致该段廊道衬砌混凝土在基岩嵌固端出现比较严重的剪扭裂缝。