李 果

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

在我国国民经济重大基础设施建设中混凝土建筑物应用广泛，但由于混凝土自身在施工过程中出现施工工艺不合理，或是在施工过程中由于水泥水化而产生的温度变形都容易使混凝土建筑出现裂纹[1-2]。广西桂中治旱乐滩水库引水灌区属大型灌区，其二期工程建设项目南干渠灌片，由于其地形地貌以及水文地质条件的特殊性，在建设过程中采用了大跨度混凝土渡槽施工技术。由于混凝土具有抗压、不抗拉的特性，产生的裂纹是永久性的，为混凝土结构埋下了一定的隐患。混凝土进行检测时，多使用混凝土内部裂纹无损检测方法，例如超声波回弹综合法、探地雷达等。但是由于桂中治旱乐滩水库引水灌区工程中的大跨度混凝土渡槽立墙中存在纵横交错的钢筋和绞线，会对传统方法中的超声波产生一定的干扰，造成裂纹深度检测结果不准确，因此，本文设计一种基于冲击反射的混凝土渡槽施工裂纹深度检测方法。

1 大跨度混凝土渡槽施工裂纹深度检测方法

1.1 检测仪器结构设计

本文设计的裂纹深度检测方法中，检测仪器的工作主要基于冲击反射原理，使用冲击锤撞击混凝土构件后，产生相应的冲击波，也叫作弹性波。在冲击锤内部结构中，包含一个加速度传感器，能够记录下检测过程中的敲击弹性波形[3-4]。震源发出的弹性波会以混凝土试件为传播介质，沿着内部或表面进行传播，从试件表面传播的弹性波最终由检波器接收；另一部分弹性波会在混凝土构件内部进行传播，最检波器接收到弹性波信号后传输给数据采集仪，接收到的信号在仪器内部经过一系列的换算和放大，通过数字的方式在计算机端进行显示。检测仪器的连接见图1。

图1 冲击反射法的检测仪器连接示意图

从图1可看出，检测仪器的主要由检波器、冲击振源、数模转换器、电缆以及笔记本电脑构成[5-6]。检测结构主要包含弹性波激发、数据采集、数据接收等功能。检波器内部采用的是100Hz固定频率的动圈加速度传感器，冲击锤为质量为0.2kg的钢锤或钢球，数模转换器为Geode 24道高精度宽频带地震仪，带有24bit-模数转换，其低截频为1.75Hz，高截频可以达到20000Hz。撞击激发的包括超声波在内的相关弹性波频率较低，波长较长，并具有很大能量，我们将其称之为基波。混凝土试件内部一般为不均匀介质，基波在传输的过程中也不会发生射散的现象，因此具有较长的传输距离[7-8]。在锤子或钢球进行激振时，弹性冲击力与试件的关系可以通过下式进行描述：

(1)

其中，tc为钢球与混凝土试件的接触时间，该试件的长短决定了应力波的频率大小，时间越短频率越高。上述参数对于混凝土试件的浅层以及一些较小尺寸的裂纹检测来说比较重要，tc的主要影响因素主要是钢球的半径，两者存在以下关系：

(2)

式中K——系数，该系数由两种接触物质的泊松比与杨氏模量来决定[9-10]；

R——钢球半径；

h——钢球与混凝土试件撞击面的距离。

至此完成检测仪器的结构设计。

1.2 裂纹建模与数据处理

为了深入探究裂纹深度以及形状对于冲击波传输的影响，对混凝土试件中的裂纹进行建模计算[11-12]。冲击波在混凝土介质中遇到裂纹后，其传输界面即不连续界面，在建模过程中将其简化为层状的介质模型，研究冲击波在混凝土—裂纹交界处的传输走向(见图2)。

图2 冲击波在混凝土裂缝传播特性

冲击波中包含横波与纵波，由计算可知，混凝土裂缝部分波的阻抗性大于其他部分，也就是说，冲击波在经过裂纹部分时，会形成一定的反射，在其表面可以接收到比较明显的反射回波[13-14]。这主要是由于冲击反射法在检测裂缝的过程中，波动场会随着地下介质的微小变化而发生改变(见图3)。

图3 裂缝检测示意图

在检测过程中对于混凝土上的一点施加振动的过程中，对固定的偏移距离的位置进行波形接收。当波在介质中传播中遇到裂纹时，介质产生了变化，因而波也会发生反射现象。在得到相关数据后，对数据波形进行处理(见图4)。

图4 数据分析流程

在图4所示的数据分析流程中，通过对存在缺陷的数值进行定义，生成缺陷判断标准，并根据相关的标准和强度得到平面分布图。

1.3 裂纹深度检测与计算

在完成波数据接收之后，当已知裂纹到敲击点的距离与裂纹到传感器的距离，且敲击的时刻与P波到达传感器的时刻之差也通过数据采集而获取到具体的值，那么渡槽施工的裂纹就可以通过公式计算出来。P波从发射到接收之间的传播时间可以记作Δt，裂纹的深度可以通过下列公式求出：

(3)

式中Lab——波探测到裂纹前的传输距离；

Lbc——波探测到裂纹后的传输距离；

H1——敲击点到裂纹的距离；

D——裂纹深度；

H2——传感器到裂纹的距离；

CP——P波的传输速度。

将上式进行整理，可以得到

(4)

为了便于测量Δt的值，本文设置了两个传感器，当小钢球撞击到混凝土表面后，能够得到两个传感器记录的波形，使用t0表示开始敲击的时刻，令t1表示P波达到第一个传感器的时刻，由于P波的到达会使电压开始上升，令t2表示P波经过衍射后到达第二个传感器的时刻，由于经过衍射后成为了张力波，因此会导致向下产生位移[15]。Δt是t2与t0的差，可表示为

(5)

其中，H3为t1与t0期间P波传输的距离，至此可以完成大跨度混凝土渡槽施工裂纹深度的检测方法设计。

2 检测方法有效性测试

2.1 工程概况

大型预应力混凝土渡槽立墙是桂中治旱乐滩水库引水灌区二期工程的重要组成部分(见图5)。

图5 桂中治旱乐滩水库引水灌区二期工程大跨度混凝土渡槽立墙

图6 立墙剖面配筋示意图

如图6所示，这些钢筋和绞线在立墙内部，因此当形成裂纹后，无法使用电磁波与超声波进行检测，这些金属会对超声波雷达等传统的探伤检测形成干扰。根据工程的实际混凝土渡槽立墙结构和现场的施工条件，在待检测的墙体上布置若干条测线(见图7和表1)。

图7 检测线布置

需要注意的是，测线0与上一条测线的间距指的是测线0与八字墙顶的距离，八字墙高1.4m。在每一条测线上，每间隔0.2m布置一个检测点。在完成检测点的布置之后，使用本文设计的裂纹深度检测方法对墙体裂纹进行检测。为了验证本文方法的有效性，使用传统方法共同进行检测，并对两种检测方法的误差进行分析。

表1 测线参数

2.2 实验结果与分析

在上述条件下，得到两种方法的检测结果(见表2)。

表2 两种方法的检测结果

在得到两种方法的检测结果后，为了验证检测方法的准确性，对该渡槽立墙进行了取芯验证，最终得到的结果为：该渡槽立墙的裂纹深度为48.5mm，很明显，本文设计的深度检测方法得到的结果与取芯验证得到的结果更加相近，说明本文设计的方法在实际应用的过程中具有更高的准确性。

3 结 语

我国水利工程中渠系建筑物大跨度混凝土渡槽的应用越来越常见。这种混凝土建筑中出现裂缝的现象比较多。本文针对桂中治旱乐滩水库引水灌区二期工程中的大跨度混凝土渡槽立墙裂缝检测中出现的问题进行研究，提出一种基于冲击反射的裂纹深度检查方法，能够有效避免立墙中钢筋混凝土对于超声波的干扰，防止在检测过程中出现较大的误差。但是由于时间等限制，本文方法在某些方面还有待进一步提高，在今后的研究过程中将逐步优化。