紅外熱成像與探地雷達在大壩混凝土面板脫空檢測中的應用

徐 濤，丁亮清，嚴 俊

(長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010)

1 概述

混凝土面板堆石壩以堆石體為支承結構，其壩體堆石料是人工填筑散粒體，有極大非連續性。在壩體填筑完成混凝土面板澆筑到蓄水或水庫運行期間，壩體填筑料仍會持續非線形沉降；此外，庫水位升降造成水壓力反復作用于面板，面板也會擠壓填筑料體。由于剛性混凝土面板是線形彈性材料，與大壩填筑體非線性變形不一致，導致混凝土面板局部不再與填筑體連續接觸，即混凝土面板下局部出現脫空。蓄水后，隨著水位反復升降，水壓力對脫空位置面板往復作用可能導致面板混凝土形成裂縫，裂縫嚴重時將會形成滲漏通道，給大壩造成巨大安全隱患。因此，對混凝土面板進行檢測，查明面板與墊層間的脫空情況，對堆石壩安全具有重要意義。

本次采用遠紅外熱成像技術與探地雷達掃描技術相結合，對湖南某水庫大壩混凝土面板進行脫空檢測，結合鉆孔驗證成果對該技術的應用效果進行總結。

2 檢測技術原理與方法

2.1 紅外熱成像檢測技術

(1)檢測原理

紅外輻射是由原子和分子的運動引起的。在自然界中，任何高于絕對零度的物體都是紅外輻射源，紅外線的輻射特性是紅外成像的理論依據和檢測技術的物理基礎。紅外輻射功率與物體的表面溫度密切相關，根據普朗克輻射定律，物體的絕對溫度只要不為0℃，它就有能量輻射；不同材料導熱系數不同，其熱輻射也不同。

由熱力傳導理論可以得出，當混凝土面板與墊層料之間存在脫空時，由于水或空氣的充填，混凝土面板與墊層料之間存在相對隔熱性結構缺陷，熱傳導受阻，混凝土熱量不能及時向內部傳遞，從而形成熱量聚集，造成混凝土表層溫度升高而在紅外熱像上出現“熱斑”，其范圍和程度可反映出該部位的受害程度及范圍。

(2)檢測方法

紅外熱成像檢測就是利用紅外輻射原理對物體或材料進行檢測，把來自目標的紅外熱輻射轉變成可見熱圖像，通過直觀分析物體表面溫度分布，推定物體結構狀態和內部缺陷。紅外熱像儀是用于紅外無損檢測的主要設備，其工作原理是通過對物體所輻射的紅外線進行收集，對該物體表面不同部位的紅外線輻射強度進行感應、識別，將各點的紅外線輻射強度以不同的顏色表示，并最終轉換為紅外熱圖，從而達到了將不可見的紅外線轉化為可見光的目的。

本次檢測中使用的紅外熱成像設備是美國FLUKE公司生產的Ti480型紅外熱像儀，可提供640×480高分辨率紅外掃描圖像，可拍攝整個視角中的近焦和遠焦圖像。測量溫度范圍-20～800℃，溫度分辨率0.08℃。

2.2 探地雷達技術

(1)檢測原理

混凝土面板與填筑墊層料之間存在脫空，與兩者結合密實時比較會表現出明顯不同的物性差異。脫空形成混凝土-空氣(水)界面與周圍混凝土面板結合密實部位的混凝土-墊層料界面存在較大的電性差異，這為采用電磁波探測提供了良好的地球物理條件。電磁波的傳播取決于介質電導率和介電常數，前者主要影響電磁波探測深度，后者決定電磁波在物體內傳播速度。當利用探地雷達發送調頻脈沖電磁波時，電磁波以脈沖形式定向射入探測面板區域內部，經存在電性差異的混凝土-空氣(水)-墊層料界面反射回波被雷達接收，可通過記錄分析反射波到達時間t、反射波幅值、相位等信息來研究被探測介質的分布和特性。

(2)技術方法

探地雷達測量方式一般分為剖面法和寬角法。剖面法是發射天線(T)和接收天線(R)以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式，得到的結果是時間剖面圖，由于天線間距一般很小，故可認為是自激自收時間剖面。寬角法是將發射天線固定在地面某點不動，而將接收天線沿測線移動，記錄目標體內各個不同界面反射波的雙程走時的測量方法，工作中一般采用剖面法進行連續或密集點采樣。

探地雷達成果圖像的解釋是依據反射波的強度，波形變化及其反射波同相軸的連續性等特征來判斷混凝土與墊層料的結合情況。本次采用的雷達設備是美國SIR3000型探地雷達，雷達天線頻率900MHz，發射率100kHz，探測方式為測線連續掃描。

3 工程應用實例

某水庫大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長198.8m，最大壩高120m，大壩上、下游坡比均為1∶1.4，壩體采用灰巖料填筑而成。面板設計混凝土面積24373m2，面板分27塊澆筑，寬度分為12m和7m兩種，面板頂部厚30cm，底部最大厚度53cm，面板最大斜長136m。自2008年5月開始，大壩滲漏量明顯增大，2010年10月達到800L/s，2012年9月達到1240L/s，大壩安全受到嚴重威脅。2014—2015年對大壩混凝土面板進行了修復和灌漿處理。

為有效檢測評估混凝土面板脫空缺陷情況，采用紅外熱成像、探地雷達掃描等物探方法對大壩混凝土面板脫空情況進行檢測，其中紅外熱成像是采用面積性普查，探地雷達掃描測線普查及可疑區域詳查。

3.1 紅外熱成像

紅外熱成像在距大壩混凝土面板10～150m范圍上游面進行，選取遠(全)景和近景掃描，分高溫時段和低溫時段對混凝土面板進行熱成像。在遠景掃描獲得混凝土面板溫度異常部位進行紅外熱成像拍攝。具體成果分析如下所示。

(1)在同一天中午和晚上，原位拍攝大壩混凝土面板遠景紅外熱成像圖(如圖1所示)，色譜范圍從深灰至淺白色，代表溫度由低到高。綜合比較整個面板混凝土紅外溫度場在環境溫度下的分布情況，在低溫熱圖上可看到兩個較明顯熱斑H1、H2，推測該區域可能存在面板脫空混凝土熱傳導受阻，散熱速度較其他結合密實區域慢，從而形成局部熱斑。

圖1 大壩混凝土面板遠紅外掃描全景熱圖

(2)通過清理面板表面的覆蓋物，拍攝面板異常部位近景局部熱成像圖及自然光圖像，排除掉面板色差干擾后，發現H3、H4兩處明顯熱斑(如圖2、圖3所示)，分別位于9#和7#面板。

圖2 9#面板紅外熱成像熱斑部位及相應部位自然光圖像

圖3 7#面板紅外熱成像熱斑部位及相應部位自然光圖像

3.2 探地雷達掃描

在3#～19#共17塊面板上布置了與面板拼縫平行的縱向探地雷達測線共計25條，其中7m寬面板在中間位置布置1條，12m寬面板布置2條，分別在面板中線左右兩側對稱分布。探地雷達掃描成果分析如下所示。

(1)從9#面板R9- 1線探地雷達測線掃描成果(如圖4所示)可以看出在面板高程497.9～498.8m處出現強反射界面，呈長條帶狀，與紅外熱成像成果中的熱斑異常H3區域位置吻合較好，因此推斷該處存在混凝土面板與墊層接合面脫空。

(2)從7#面板R7- 1線探地雷達測線掃描成果(如圖5所示)可以看出在面板高程493.5～494.4m處出現強反射界面，呈長橢球狀，與紅外熱成像成果中的熱斑異常H4區域位置吻合程度較好，因此推斷該處存在面板與墊層接合面脫空。

同時其他面板探地雷達測線掃描成果，出現電磁波強反射界面相應的紅熱成像成果中也有不同程度溫度異常反應。

圖4 9#面板紅外熱成像異常部位對應探地雷達掃描成果及鉆孔驗證

圖5 7#面板局部紅外熱成像異常部位對應探地雷達局部掃描成果

3.3 綜合成果分析

通過綜合分析紅外熱成像成果和探地雷達檢測成果可得：①本次紅外熱成像檢測發現熱斑17處，其中有15處與探地雷達檢測面板脫空異常吻合程度較好；②脫空部位多數位于大壩面板水平橫縫EL510m以下區域，推測形成原因可能是水庫蓄水期間庫水位的變化在495～520m范圍內有關，反復作用僅造成底部墊層的局部虧坡，未形成貫通性脫空；③面板左半部分脫空情況相較右半部分嚴重，分析主要與兩岸支承壩體的山體構造差異有關；④8#面板上以及12#面板上紅外熱斑異常，在相應的探地雷達掃描測線上未見明顯異常反映。由于該兩處部位在探測前剛進行過注漿修補施工，分析可能與面板修補注漿處理后漿液凝固過程中的散熱有關。

4 結論

結合堆石壩混凝土面板結構特點，綜合采用紅外熱成像、探地雷達掃描等無損檢測方法對混凝土面板脫空情況進行檢測，取得了理想的檢測效果，成果滿足要求。通過鉆孔驗證進一步證明了采用上述技術的可靠性和準確性。

(1)采用探地雷達電磁波掃描技術對混凝土面板堆石壩全斷面掃描，穿透性強、成果連續性好，對面板脫空病害有較好的識別效果，在探測分辨率及探測深度上能夠滿足脫空定位要求。

(2)紅外熱成像技術掃描速度快，工作效率高，可做到全覆蓋掃描，對溫度異常反應靈敏，工作效率較高；同時可彌補探地雷達線性掃描工作盲區，真正實現全面檢測。

(3)實際工程檢測過程中，建議先對大壩混凝土面板開展不同環境溫度下的全方位紅外熱掃描，再針對紅外溫度異常部位重點開展探地雷達掃描工作。遠探測與近掃描相結合，避免測線布置的盲目性、隨機性，做到檢測工作具有針對性、有針對性，能夠提高工作效率和檢測成果可靠性。