杨嘉明

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130062）

钢衬混凝土高压管道相当于一个多层衬砌的隧洞，钢衬能够承担部分内水压力和防止渗透，回填混凝土能够将部分内水压力传给围岩，因此，回填混凝土与钢衬之间必须紧密结合，回填混凝土的灌浆质量是钢衬混凝土施工中的关键。钢衬混凝土回填灌浆施工过程中形成的脱空、空隙或孔洞，是由于施工工艺的缺陷或技术能力的限制造成的。一般来说，竖井段的回填混凝土灌浆质量易于保证，斜井段次之，平洞段最难，尤其是平洞段顶拱至左右坝肩范围内。脱空缺陷将影响钢衬混凝土管道运行的安全性和耐久性。由于钢衬混凝土回填灌浆施工属隐蔽工程，仅依靠旁站监督管理很难完全避免出现质量问题。

1 方法介绍

用于检测钢衬混凝土回填灌浆质量的传统方法主要有冲击回波法、锤击法、中子法、内窥镜法、通风法、钻孔法等。其中锤击法是使用小铁锤敲击钢衬表面，通过声音定性判断脱空缺陷是否存在，该方法的缺点是需要感官经验，存在个体差异；中子法是利用快中子慢化原理，通过测量散射热中子的数量，判断混凝土脱空位置，该方法的缺点是需要放射性源，其运输和保存条件均十分苛刻；内窥镜、通风法和钻孔法都属于有损检测方法，会给钢衬结构带来破坏。而冲击回波法弥补了以上方法的不足，是一种简便、快捷、准确、有效的钢衬混凝土灌浆质量无损检测方法，被广泛应用[1]。

2 基本原理

冲击回波法是基于瞬态应力波的反射原理，也称脉冲回波法（Impact Echo，简称IE）。该方法主要用于快速检测混凝土结构构件的厚度及孔洞、蜂窝、裂缝等缺陷。检测时用铁锤敲击钢衬内表面，所产生的脉冲应力波向结构内部传播过程中，当碰到缺陷或波阻抗界面时，会产生反射应力波（冲击回波），反射应力波在结构表面与缺陷或底界面间发生多重反射，会引起瞬时共振，通过分析冲击回波信号的时间域和频率域曲线，以达到检测结构的厚度，或判定结构是否存在缺陷及缺陷所在位置[2]。混凝土结构厚度或缺陷深度H由下式计算：

式中：V——混凝土的应力纵波速度，km/s；t0——冲击回波旅行时间，μs。

通过适当的激发系统，产生具有较宽频带且足够能量的冲击波，接收系统接收到较强的多重回波信号，通过傅立叶变换处理回波信号得到频谱曲线并获得回波的优势频率f（Hz），可计算H：

3 检测方法

3.1 准备工作

根据规范要求，正式检测前宜开展试验检测工作，通过在钢衬外表沿轴向进行钢衬应力波速度测试，一般测试8～12 点，根据各点的距离与旅行时间计算钢衬应力波速度，一般钢衬应力波速度约为5.4 km/s；通过平面声波换能器测试充填混凝土试块的纵波速度，一般测试3～5 块，试块尺寸为150 cm×150 cm×150 cm，一般C20 混凝土应力波速度为3.4 km/s。

在钢衬与混凝土紧密结合的情况下，应力波反射界面为钢衬与混凝土的接触界面；当钢衬与混凝土之间脱空的情况下，应力波反射界面为钢衬与空气或钢衬与水的界面。根据应力波反射原理，可计算出有无缺陷情况下的应力波反射系数，见表1。不同界面的幅值反射系数和能量反射系数差异较大，当钢衬与混凝土脱空时，其反射波系数远大于钢衬与混凝土紧密接触情况，容易形成多次反射，故在钢衬表面测到的应力波能量将显著增加。

表1 反射系数计算表

结合冲击回波波形频谱图分析：如钢衬与混凝土结合密实，则反射波形呈现为一个主频，频率高、衰减快，且幅值较小；如钢衬与混凝土结合不密实，则反射波形呈现为振动频谱较宽，为多能量峰并列情况；如钢衬与混凝土脱空，则反射波形呈现为一个高频被一个低频调制而衰减较慢的形态，且幅值较大[3，4]。

3.2 检测布置

冲击回波法检测钢衬混凝土脱空缺陷一般分普测和详测两个阶段。普测阶段在钢衬的顶拱及左、右拱肩沿轴线方向各布置1条测线，逐一检测并对异常区域进行标记。详测阶段则针对普测阶段发现的脱空区域进行加密检测，以确定脱空范围。钢衬混凝土质量检测横断面布置示意图见图1。

图1 钢衬混凝土质量检测横断面布置示意图

沿测线方向布置激发点与接收点，采用单发单收共偏移观测方式，激发源采用恒定源。为便于现场测试，偏移距离与点距相同，一般宜取20 cm。完成测点的信号采集后，同步移动激发点和接收点，进行下一个测点的测试，直至完成整条测线的检测工作，将所有测点的冲击回波波形排列一起形成波列图。现场测试完毕后，通过计算分析各接收点应力波总能量，根据波动能量差异判断钢衬混凝土的脱空位置与范围。

4 项目概况

YF 水电站以发电为主兼有防洪、灌溉、转运木材等综合效益的大（1）型水电站。枢纽由拦河坝、引水系统、发电厂房及开关站等建筑物组成。大坝为混凝土宽缝重力坝，其右侧设有4 个中孔泄水洞，最大泄流能力为2 304 m3/s，进出口为7.0 m×5.3 m 矩形断面，孔身为直径5.3 m 的圆形断面。至检测时已运行55 年，钢衬段一直未进行维修，孔内漏水量大并常年积水，导致钢板整体锈蚀严重，部分锈蚀严重区出现防腐涂层脱落现象，同时部分钢板有变形情况出现。通过冲击回波法对4 个中孔钢衬段混凝土无损检测，对其脱空情况予以评价。

5 检测成果

最终检测成果见表2。

表2 中孔钢衬段混凝土无损检测结果

6 结语

综合上所述，此次检测发现，脱空明显且规模较大，1 m2以上脱空异常发育数量相对少，但占脱空总面积的比例高，后续影响大；1 m2以下脱空异常发育数量多，但占总面积比例低，后续影响小。

冲击回波法能量一般采用波动能量公式计算，采用波形、回波主频值和能量综合确定的钢衬与混凝土脱空缺陷判据及评价脱空程度较单一，参数更为可靠。冲击回波法凭借精度高、工期短、成本低的特点，能够快速准确地检测出钢衬混凝土脱空范围及厚度，为后续的补强灌浆处理，提供了可靠的依据。冲击回波法也可进行钢衬混凝土灌浆施工前后对比检测，对于指导施工、保证一次性施工质量更具建设意义。