探地雷達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行，因此，對脫空進行預(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]等方法進行數(shù)值模擬，后者則是以探地雷達[4-5]、沖擊回波[6]等物探手段和紅外熱成像技術(shù)[7]進行探測。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行脫空檢測，旨在為保證工程安全及高效運行提供依據(jù)。

1 檢測原理與方法

1.1 探地雷達

探地雷達通過向目標(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，從而達到探測目標(biāo)物內(nèi)部隱患的目的。

采用雷達對混凝土面板進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，在采用探地雷達對脫空區(qū)域進行探測時，在脫空區(qū)域會出現(xiàn)能量較強的反射界面[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)澆混凝土進行襯砌。襯砌混凝土強度等級為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 基于探地雷達的脫空普查

采用探地雷達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，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，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行抽樣探測的基礎(chǔ)上，還綜合探地雷達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)進行重點探測，以下以開裂修補后的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，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；綜合采用探地雷達和紅外熱成像的方法對存在開裂的重點位置進行了檢測，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行探測。

根據(jù)脫空檢測結(jié)果，可極大地提高工程養(yǎng)護及補強等工作的針對性，從而保證工程安全、高效的運行。