探地雷達(dá)及紅外熱成像在渠道混凝土襯砌脫空檢測中的應(yīng)用

周海嘯，王 凱，霍吉祥，李涵曼

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.南京瑞迪水利信息科技有限公司，江蘇 南京 210029)

混凝土面板以其優(yōu)異的防滲性能，在面板堆石壩及各類引調(diào)水工程渠系建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，但受變形模量差異及外界水力作用等影響，在運(yùn)行過程中混凝土面板與下部墊層料或土體間可能產(chǎn)生空隙，即所謂的脫空現(xiàn)象。由于脫空可能導(dǎo)致面板出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，破壞防滲體系，危及大壩安全或影響渠系運(yùn)行，因此，對脫空進(jìn)行預(yù)測和探測是研究的兩項主要內(nèi)容。其中，前者通過相對變位法[1]、隱單元法[2]、基于直接約束算法的接觸力學(xué)法[3]等方法進(jìn)行數(shù)值模擬，后者則是以探地雷達(dá)[4-5]、沖擊回波[6]等物探手段和紅外熱成像技術(shù)[7]進(jìn)行探測。目前研究主要集中于面板堆石壩混凝土面板脫空方面，而對渠系工程混凝土襯砌脫空及其帶來的影響研究相對較少。

趙口引黃灌區(qū)二期工程作為河南省糧食核心區(qū)建設(shè)規(guī)劃中重點建設(shè)的大型新建水利工程建設(shè)項目，被列入國家172項節(jié)水供水重大水利工程以及河南省17項重點水利工程。為減少渠道滲漏損失，提高輸水配水能力，增加渠坡的穩(wěn)定性，二期工程干渠(分干渠)等渠道均采用現(xiàn)澆混凝土襯砌。為了解襯砌與渠坡土體間的結(jié)合程度，采用探地雷達(dá)和紅外熱成像相結(jié)合的方法對工程各渠段混凝土襯砌進(jìn)行脫空檢測，旨在為保證工程安全及高效運(yùn)行提供依據(jù)。

1 檢測原理與方法

1.1 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)通過向目標(biāo)物發(fā)射高頻寬帶電磁波來探測地下結(jié)構(gòu)，電磁波在傳播過程中遇到結(jié)構(gòu)等變化時，會發(fā)生電磁特性的突變，其運(yùn)動軌跡、能量大小、反射波形等會發(fā)生變化，通過采集和分析反射信號，可對目標(biāo)物構(gòu)造、分布結(jié)構(gòu)、電磁特性、異常分布有所認(rèn)識，從而達(dá)到探測目標(biāo)物內(nèi)部隱患的目的。

采用雷達(dá)對混凝土面板進(jìn)行脫空探測為半定量檢測，主要是依據(jù)反射獲得的電磁波走時、波形波幅、頻率、能量衰減等情況以及表現(xiàn)出的同相軸形態(tài)和連續(xù)性來判斷脫空的位置和規(guī)模。一般而言，最上層混凝土面板或襯砌的相對介電常數(shù)6～11，中間脫空區(qū)空氣的相對介電常數(shù)為1.0，而下部墊層區(qū)或土體的相對介電常數(shù)則10～25，可見脫空區(qū)空氣的相對介電常數(shù)較其余兩者的差異十分明顯。因此，在采用探地雷達(dá)對脫空區(qū)域進(jìn)行探測時，在脫空區(qū)域會出現(xiàn)能量較強(qiáng)的反射界面[7]。

1.2 紅外熱成像

紅外熱成像是將來自目標(biāo)的紅外熱輻射轉(zhuǎn)變成可見熱圖像，通過直觀分析圖像中物體表面溫度分布情況，推定物體結(jié)構(gòu)狀態(tài)和內(nèi)部缺陷。

一般而言，混凝土材料的熱導(dǎo)率最高，其次為墊層料或渠坡土體，而空氣的熱導(dǎo)率最小，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于之前兩種介質(zhì)。同時，由于面板厚度不大(大壩面板一般厚30～70cm，渠道襯砌一般厚10～20cm)，且面板熱導(dǎo)率相對較高，因此面板表面的溫度變化可以影響到下一層介質(zhì)。當(dāng)混凝土面板或襯砌與其下介質(zhì)之間存在脫空時，由于脫空部位存在空氣的充填，混凝土材料與其下介質(zhì)之間存在相對隔熱性結(jié)構(gòu)缺陷，熱傳導(dǎo)受阻，混凝土熱量不能及時向內(nèi)部傳遞。當(dāng)陽光照射充足，外界溫度相對較高時，位于表面混凝土材料會吸收來自陽光的輻射熱量，存在脫空的區(qū)域由于對應(yīng)部位熱傳導(dǎo)受阻而使得溫度快速升高，而非脫空區(qū)域由于熱量易向墊層料或土體傳導(dǎo)而升溫較慢，因此脫空區(qū)域在紅外熱像上表現(xiàn)為局部“熱斑”[8]。

2 實例應(yīng)用

2.1 工程概況

趙口引黃灌區(qū)位于河南省黃河南岸的豫東平原區(qū)，其中二期工程位于渦河以東(含渦河柘城以西部分)，涉及的糧食核心區(qū)主體范圍包括中牟、通許、尉氏、杞縣、太康、扶溝、西華、鹿邑、鄢陵、柘城等10縣以及開封市祥符區(qū)、城鄉(xiāng)一體化示范區(qū)、鼓樓區(qū)3個區(qū)。二期工程主要利用現(xiàn)狀灌排體系為基本框架進(jìn)行建設(shè)，共布置1條總干渠、9條干渠、6條分干渠、15條支渠、51條灌排合一河(溝)道。工程干渠(分干渠)等渠道采用10cm厚的現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行襯砌。襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C25，每隔4m設(shè)1道橫向伸縮縫和縱向伸縮縫，分縫均采用矩形縫，寬度采用2cm，縫內(nèi)填充閉孔塑料泡沫板，臨水面涂抹2cm厚密封膠，縫下鋪350g/m2土工布反濾。

由于二期工程沿線堤身主要以砂壤土、粉砂夾粉質(zhì)壤土為主，總體質(zhì)量松散-稍密，弱-中等透水性，因此渠外地下水位受外部環(huán)境影響相對較為明顯，水位變幅較大。受外水壓力及凍脹等影響，部分渠道混凝土襯砌存在不同程度的脫空現(xiàn)象，甚至局部存在開裂現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 東二干老飯店下游渠道混凝土襯砌開裂

2.2 基于探地雷達(dá)的脫空普查

采用探地雷達(dá)對趙口二期工程總干及主要干渠、分干渠和支渠的渠道混凝土襯砌進(jìn)行抽樣探測，各待測部位測線主要包括了順渠水平向及垂直布設(shè)兩種，其中前者高度距渠底1m，后者主要位于每塊混凝土襯砌的中部。根據(jù)已有研究，依據(jù)脫空程度不同，混凝土面板脫空情況可分為膠結(jié)緊密、接觸不密實、輕微脫空、脫空等4種情況[10]，本工程探測結(jié)果主要以前3種為主，其代表性雷達(dá)探測結(jié)果如圖2—4所示。

圖2 混凝土襯砌接觸緊密示例(主干渠渡槽下游1km處)

由圖2—4可以看出：

(1)圖2探測位置位于主干渠渡槽下游1km處，為混凝土襯砌接觸緊密的代表，其雷達(dá)圖像特征表現(xiàn)為混凝土襯砌與下部墊層間反射能量弱，總體同相軸連續(xù)，波幅變化小，該類雷達(dá)圖像特征占本次探測結(jié)果的大多數(shù)，說明工程渠道混凝土襯砌與下部土體總體膠結(jié)可靠。

(2)圖3探測位置位于東一干渠分水閘下游1km處，為混凝土襯砌接觸不密實的典型代表，其雷達(dá)圖像特征表現(xiàn)為混凝土襯砌與下部墊層間反射能量稍強(qiáng)，同相軸連續(xù)性較差，波幅變化稍大，但無明顯的多次反射。

圖3 混凝土襯砌接觸不密實示例(東一干渠分水閘下游1km處)

(3)圖4探測位置位于東二干渠老飯店節(jié)制閘下游100m處，為混凝土襯砌輕微脫空的典型代表，其雷達(dá)圖像特征表現(xiàn)為混凝土襯砌與下部墊層間反射能量較強(qiáng)，同相軸連續(xù)性較差，波幅變化較大，同時存在輕微多次反射現(xiàn)象，該類特征主要出現(xiàn)在混凝土襯砌開裂部位，在本工程中出現(xiàn)相對較少。

圖4 混凝土襯砌輕微脫空示例(東二干渠老飯店節(jié)制閘下游100m處)

2.3 重點部分的綜合探測

在采用探地雷達(dá)對工程總干及主要干渠、分干渠和支渠的渠道的混凝土襯砌進(jìn)行抽樣探測的基礎(chǔ)上，還綜合探地雷達(dá)和紅外熱成像對已出現(xiàn)襯砌開裂部位(東二干渠老飯店節(jié)制閘下游，如圖1所示)進(jìn)行重點探測，以下以開裂修補(bǔ)后的4#混凝土襯砌為例。

由于渠道較大壩具有線路長、高度低的特點，因此紅外熱成像主要選取近景掃描的方式進(jìn)行，距離混凝土襯砌2～3m。4#混凝土襯砌紅外熱成像結(jié)果如圖5所示。

圖5 4#面板紅外熱成像結(jié)果

由圖5可以看出，原混凝土開裂位置已通過密封膠進(jìn)行處理，受其材質(zhì)吸熱影響，該部位溫度相對較高，溫度35.1～35.7℃，除密封膠及地下水排水孔外，襯砌板整體溫度呈現(xiàn)“上低下高”的趨勢，即4#襯砌板上部總體溫度較低，而下部溫度則相對較高，表明下部脫空程度較上部更為嚴(yán)重，也與混凝土開裂位置相一致。

在4#混凝土襯砌板上共布置13條測線，其中水平向6條，從上至下依次為H1～H6，測量方向自上游至下游，豎直向布置測線7條，從上游至下游依次為S1～S7，測量方向至上而下，具體位置如圖6所示。

圖6 4#混凝土襯砌板雷達(dá)測線布置

為對比反映4#襯砌板上部和下部脫空程度的不同，分別選取上部的水平測線H2和下部的水平測線H5以及豎直測線S4作為代表測線，其雷達(dá)探測結(jié)果如圖7所示。

圖7 4#混凝土襯砌板代表測線雷達(dá)探測結(jié)果(自上而下分別為H2、H5和S4)

由圖7可以看出：

(1)對比測線H2和H5的探測結(jié)果，可以看出在混凝土襯砌與其下土體之間的界面位置，下部測線H5較上部測線H2的反射明顯較強(qiáng)，對應(yīng)位置H5的波幅變化也明顯大于H2的，表明H5位置處的脫空程度較H2處嚴(yán)重。

(2)比較測線S4不同距離處的探測結(jié)果，可以看出其上部(0.0～2.0m)的界面反射明顯弱于下部(2.0～3.2m)，其混凝土開裂位置(2.3m左右)反射最為明顯，脫空最為顯著。

紅外熱成像結(jié)果與雷達(dá)探測結(jié)果具有較好的一致性，都表明4#混凝土襯砌下方存在一定程度的脫空，從而導(dǎo)致其混凝土開裂，其中上部脫空程度相對較小，而下部脫空較為嚴(yán)重。

3 結(jié)語

采用探地雷達(dá)對總干及主要干渠、分干渠和支渠的抽檢結(jié)果表明，混凝土襯砌與下部渠坡土體間結(jié)合程度總體較好，大多數(shù)顯示為結(jié)合緊密狀態(tài)，而少部分為接觸不密實和輕微脫空狀態(tài)，其中后者主要存在于混凝土開裂部位；綜合采用探地雷達(dá)和紅外熱成像的方法對存在開裂的重點位置進(jìn)行了檢測，兩者探測結(jié)果具有較好的一致性，表明這兩種方法可有效對脫空程度進(jìn)行探測。

根據(jù)脫空檢測結(jié)果，可極大地提高工程養(yǎng)護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)等工作的針對性，從而保證工程安全、高效的運(yùn)行。