1.深圳市东江水源工程管理处；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院；3.江苏筑升土木工程科技有限公司
摘要：地下输水箱涵由于运行时间长而出现漏水，而伸缩缝老化破损是其中重要原因。受地下水体及箱涵钢筋结构影响，传统的地质雷达电磁波法无法准确探知伸缩缝位置。本文以某大型地下输水箱涵工程作为背景，利用冲击映像法对箱涵伸缩缝进行检测，经现场开挖验证，表明冲击映像法是一种快速有效探测伸缩缝的无损检测方法。
关键词：冲击映像法；箱涵伸缩缝；无损检测
The Application of Impact Imaging Method in detecting of Box Culvert expansion joint
Liang Jianwen1，Feng Shaokong2，Peng dong3
（1.Shenzhen Municipal Administrative Office of Dongjiang River Water Resources Project；
2. School of Naval Architecture，Ocean & Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University；
3. Zhusheng Technologies of Civil Engineering）
Abstract：A leakage has been found in the reinforced concrete box culvert of a large diversion project for the reason of the expansion joint failure，which cannot be effectively detected by electromagnetic method for the influence of the water underground and the densely reinforcement. This article detects the box culvert expansion joint by the use of the impact imaging method base on one large diversion project. The site excavation proves that the impact imaging method is an effectively Nondestructive testing method.
Keywords：Impact Imaging Method；Box Culvert expansion joint
引言
钢筋混凝土箱涵是城市供水常用的管道形式，其中箱涵伸缩缝在运行使用时间达到一定年限后，可能出现不同程度的老化破损，同时受长期冲刷腐蚀及软土地基变形、负荷加重、周边施工影响，易造成因伸缩缝缺陷引起的渗漏、变形、破裂甚至地面坍塌等安全事故。通过无损检测方法探测地下箱涵伸缩缝位置是判断并及时处理箱涵缺陷的重要研究课题。目前，国内外对地下大型箱涵伸缩缝的无损探测均无现成的技术参数和成功经验，及现行的规范或标准。一般对地下结构的无损检测多采用地质雷达法进行判断，地质雷达法根据介质的介电常数异常进行箱涵病害的判断，但其数据解释高度依靠工程经验，无法进行数值化的评价，且结果形式非常抽象，受现场条件限制，判别难度非常大。本文首次利用冲击映像法对某大型地下钢筋混凝土箱涵伸缩缝进行无损探测，以求探索一种全新的探测方法。
1 工程概况
某工程有压输水箱涵段全长约13.9km，箱涵断面型式采用双孔（3.2m×4.0m）箱型现浇钢筋砼结构，标准段（节）长度为20 m，段与段之间伸缩缝设橡胶（或紫铜片）止水，砼强度设计值为C30，标准断面如图1.1所示。工程所在地地层岩性主要为：粘性土，土质均匀，覆土厚度约为2m。
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图1.1 输水箱涵标准剖面图
2 冲击映像法检测伸缩缝的原理
地面以及下部底层包括箱涵在内，可简化为层状半无限介质模型，中间介质和箱涵上部混凝土可视为两层均匀介质。根据理论分析，内部缺陷表面形成强反射界面，而介质表面也是强反射界面，弹性波将在两强反射界面间形成多次反射。地震波在地表激发，经中间介质传播，到达箱涵上表面是产生反射和折射，经过伸缩缝的地震波，由于伸缩缝的隔振作用，地震波被检波器接收时，能量变小，波形变小，工作原理图如图2-1所示。
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图2-1 冲击映像法工作原理示意图
假设地层图如图2-2所示地下深度为OA=h，有一个水平的速度分界面R，上、下两层的速度分别为V1和V2，且V2>V1。从激发点O至地面某一接收点D的距离为X，折射波旅行的路程为OK、KE、ED之和，则它的旅行时t为：
图2-2 水平两层介质水平时距曲线
为了简便起见，先作如下证明：从O，D两点分别作界面R的垂线，则OA＝DG＝h，再自A、G分别作OK，ED的垂线，几何上不难证明∠
这就是水平两层介质的折射波时距曲线方程。它表示时距曲线是一条直线，若令x=0，则可得时距曲线的截距时间t0（时距曲线延长与 轴相交处的时间值）
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由上式可知，折射波能从折射信息中提取下伏界面的界面速度，这是折射波不同于其它方法的一大特点。利用这个特点，折射波法可以用于寻找覆盖层下不同岩性的分界面。
3 冲击映像法检测方法
根据折射波场形成条件和特征，折射波观测系统必须把接收部分尽量放到待测地层折射波区范围。当水平层状介质满足折射条件的前提下，固定一个激发点，将排列沿测线由近及远进行时距观测，将得到由浅入深各层介质的地震波信息。在地震记录上可观察到各层介质折射波的动力学特点，从而判别层间干涉、波形置换特征。在时距曲线上将反映出各层介质折射波运动学的空间分布规律及介质的物理力学性质。为了消除表层不均匀及界面起伏的影响，往往采用相遇时距曲线观测系统，采集方式如图3-1所示。
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图3-1 冲击映像法数据采集方法
现场探查采用24个检波器，检波器为100Hz动圈式垂直分量速度型传感器，震源偏移距1m，测点间距1m。测线布置如图3-2所示平行于箱涵走向，自北向南，布置1条测线，测线长47m。然后分别在12m~13m、24m~25m、43m~44m之间多次给与锤击震源激发信号，每隔1m处接收折射信号并收集定量数据。
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图3-2 冲击映像法测线布置平面示意图
4 检测结果及验证
冲击映像法探测分布结果如图4-1~4-3所示，图中显示为折射波波形图，其中相位连续，表明地下为无接缝整段箱涵；其中波形不连续，表示此处存在伸缩缝。根据折射后得到的波形图，在16m~17m、36m-37m之间出现明显的能量骤减，据此可判断上述位置分别存在伸缩缝。现场对16m~17m之间进行开挖，开挖结果显示该位置确实存在箱涵伸缩缝。
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图4-2 测线第二段折射波波形图
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图4-3 测线第三段折射波波形图
5 结论
本文以某大型钢筋混凝土输水箱涵为实测工程背景，根据冲击映像法的原理研究地下输水箱涵伸缩缝的无损探测方法。经现场开挖验证，本文采用的探测方法是准确及有效的。该方法主要利用箱涵与伸缩缝材料对弹性波折射的差别进行判断，因此应同样适用于大型地下输水管道，如PCP、PCCP等管道承插口的无损探测，可为迅速找到输水管道接口并判断可能出现的缺陷提供参考。