重大水工混凝土結構隱患檢測與健康診斷研究

王明剛

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121）

0 引 言

重大水工混凝土結構系統由大壩、溢洪道和地下結構等組成，使用期限通常長達幾十年乃至上百年。在我國，為充分利用水資源，已建成十幾萬座大壩、水閘和大堤。它們是非常重要的基礎設施，產生巨大的社會和經濟效益。但相關調查顯示，有三萬多個項目狀況不佳。這些項目嚴重威脅下游河道地區人員和財產的安全。預計未來將有大量的舊水壩需要加固。

自20世紀80年代以來，我國水利部門對水利電力項目進行了檢查。在這些檢查中[1，2]，發現了很多問題，如防洪標準低，施工質量差，設計錯誤，管理不善等。1960-1980年期間修建的水利工程缺陷尤為嚴重。水工混凝土結構（包括混凝土壩，以及混凝土在水電站大壩、水工混凝土建筑中所采用的防滲系統）存在的主要問題有裂縫，滲流和侵蝕，熱疲勞，碳化等[3]。

針對上述問題，以裂縫、滲流和侵蝕、凍融、主要水工混凝土結構碳化為重點，以建立的主要水工混凝土結構智能系統為核心，結合現場理論與方法檢測，原位監測，實驗室實驗，理論和數值分析，深入研究了隱性缺陷，老化機理，健康診斷等方面的檢測與監測，為科學研究提供了科學依據[4-6]。上述研究結果具有重要的科學意義和實用價值。本文總結了這些最新成果。

1 水工混凝土結構智能化系統

混凝土結構智能系統，它有一個人工大腦，一個可以感知的神經系統。結構內部行為和外部環境，以及執行結構的主體反應。該系統的主要功能如下：

（1）神經系統：該系統主要包括高度自適應的傳感器系統。用于檢測水工建筑物和地基的實時特征信息。

（2）腦系統：利用現代神經理論、數學、力學、人工智能等理論，從神經系統的信息中提取能準確反映結構行為的信息，然后對主要水工混凝土結構的時變進行評估。

（3）人體系統：該系統主要用于執行腦給的順序，特別是預警信息、控制環境變量（例如水位、抬升壓力等），使水工混凝土結構在安全狀態下運行。

其中，美國貝爾電話公司的A.D.Hall（1969）提出了系統工程三維結構圖。將三維結構圖引入預警系統的物理模型架構中，得到如圖1所示的預警系統三維結構圖[7]。

根據邏輯維，并考慮重大水工混凝土結構健康診斷的需要，將預警系統概化為數據融合、警源分析、警兆辨識、警情分析和警情發布等五個子系統，如圖2所示。

2 水工混凝土結構的老化機理

圖1 預警系統的三維結構原理圖

圖2 預警系統的總體結構圖

水工混凝土結構老化問題的實質是耐久性問題。其原因可分為物理作用和化學作用。針對上述問題，對裂縫的破壞機理、滲漏、沖刷、凍融、熱疲勞、碳化等進行了研究。并對這些因素的聯合破壞機理亦進行了研究。研究結果為隱性缺陷的物理原因分析和健康診斷提供了科學依據。

2.1 凍融條件下水工混凝土的結構

研究在凍融作用下水泥基材料的力學性能和宏觀破壞特征的變化。根據實驗結果，發現以下機理：凍融破壞過程是損傷從表面向內部發展的過程。凍融過程中混凝土的孔隙率，特別是直徑大于50 nm的毛細管體積增加了很多。因此，在快速凍融條件下，水泥漿體的破壞比緩慢凍融條件更容易發生。

2.2 混凝土碳化過程的機理分析及對結構影響

通過對許多試件進行快速碳化試驗，發現水泥在混凝土中碳化會降低砂漿或混凝土的滲透性現象的機理。其機制是應力區域中Ca（OH）2的減少,導致毛細管中碳酸鈣的形成。有效物質的減少導致水泥漿體的收縮。收縮的限制導致裂縫的出現，從而降低了混凝土的不透水能力。

2.3 水工混凝土的組合老化機理

通過研究幾種因素組合對混凝土結構和性能的影響，結果表明：混凝土凍融過程的碳化與混凝土的微觀結構有關，碳化可以在一定程度上提高混凝土的抗凍性能。其機理是凍融過程增加了水泥漿體的孔隙率，促進了微裂紋的出現，加速了二氧化碳向混凝土中的擴散。

3 水工混凝土結構健康診斷理論方法

水工混凝土結構健康診斷理論與方法的建立，主要有隱性缺陷檢測、監測、老化機制、時變分析的融合與融合結構；各監測項目的時變分析模型、綜合分析方法和物理成因分析模型；建立健康診斷綜合分析理論與方法；實現智能系統腦系統的健康診斷。

3.1 融合和融合結構健康診斷的理論和體系

綜合考慮主要水工混凝土結構，基礎及其作為工程系統的環境，通過綜合融合上述研究成果，并應用系統工程理論和方法，提出并建立健康診斷系統，如圖3所示。

圖3 主要水工混凝土結構健康診斷系統圖

3.2 各監測項目健康診斷的因果分析模型

監測模型通常用于定量評估主要水工混凝土結構的健康狀況。然而，由于影響健康的因素非常復雜，主要水工混凝土結構的健康狀況不可能定量診斷。針對上述問題，建立了基于整體概念的因果分析模型，遺傳模擬退火算法，偏最小二乘法等。通過對現場檢測，老化機理和時變分析的融合，建立了基于小波神經網絡的最優權重線性組合模型和非線性組合模型。

3.3 健康診斷的綜合分析

考慮到主要的水工混凝土結構，基礎及其周圍環境是一個復雜的系統工程，健康診斷是一個多指標，多層次的遞歸過程。借助系統工程觀點和可拓理論，在菱形思維模式和物質要素擴展的基礎上，建立了主要水工混凝土結構健康診斷的多指標多層次體系。

鑒于水工混凝土結構在材料和結構，以及各種荷載的復雜性，除了前述存在問題以外，可以認為水工結構的健康診斷系統還將從下述幾方面發展：

（1）由非實時診斷發展到實時診斷：

（2）由單一缺陷、損傷的診斷到全系統綜合診斷，尤其是靜態和動態聯合損傷診斷；

（3）由單一推理的安全評估到混合推理的安全評估：

（4）由單一問題（如裂縫）的災害控制策略到混合問題（如裂縫、滲漏、老化等）的災害控制策略。

4 結 論

重大混凝土結構損傷識別和健康診斷對保證大型結構的安全使用，保證國民經濟發展和人民生命財產安全具有重要意義。目前該研究還沒有形成完整、實用的理論和技術，還有許多問題等待解決。

針對裂縫，滲漏，侵蝕，凍融，溫度疲勞，碳化等主要水工混凝土結構的主要科學技術問題，深入研究了隱患缺陷檢測與健康診斷的分析理論、方法與技術，在本文中，可以歸納為以下幾點：

（1）以仿生學為基礎，將材料科學，控制論，人工智能，計算機科學融入智能結構系統，提出并建立了一個能夠感知內部性能的神經系統，腦系統和體系的主要水工混凝土結構智能系統和外部環境。

（2）通過集成檢測、監測、老化機理、設計和施工復查等，建立健康等級體系和標準。系統地建立了主要水工混凝土結構健康診斷理論體系。

（3）目前該研究還沒有形成完整、實用的理論和技術，還有許多問題等待解決。在未來，一條有效的研究途徑就是利用模型試驗、現場觀測改進和驗證理論模型；另外一條有效方法就是采用靜態和動態觀測結果建立靜動聯合模型，通過不斷的實踐，解決一系列問題。