混凝土壩結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)進(jìn)展和展望

黃世強(qiáng)（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

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混凝土壩結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)進(jìn)展和展望

黃世強(qiáng)
（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

混凝土壩建成后，在長期運(yùn)行過程中，由于壩體混凝土老化、鋼筋銹蝕，或因地震、人為活動、生物破壞等將產(chǎn)生缺陷或病害，由于大壩的缺陷、病害具有一定的隱蔽性，大壩安全檢測是發(fā)現(xiàn)和查明大壩缺陷、病害的重要手段，檢測成果也是評價大壩的安全性態(tài)和補(bǔ)強(qiáng)加固處理的重要依據(jù)。混凝土壩檢測新技術(shù)的發(fā)展對于提高大壩安全檢測技術(shù)水平具有重要的意義。

混凝土壩；安全檢測；技術(shù)進(jìn)展

0　引言

混凝土大壩在長期運(yùn)行過程中，由于壩體混凝土老化、鋼筋銹蝕，或因地震、人為活動、生物破壞等，大壩的安全性將逐漸降低。目前，世界各國對大壩安全管理日益重視，大壩安全管理機(jī)制逐步健全，管理制度日益完善，大壩安全風(fēng)險管理理論和應(yīng)急管理水平都有了長足的發(fā)展，大壩安全管理已經(jīng)從事故管理轉(zhuǎn)向隱患管理。由于混凝土壩的隱患、病害具有一定的隱蔽性，其位置、性質(zhì)、規(guī)模及發(fā)展趨勢需要使用專業(yè)設(shè)備和方法進(jìn)行專項(xiàng)檢測，大壩安全檢測是發(fā)現(xiàn)和查明大壩病害與隱患的重要手段，也是評價大壩安全性態(tài)和補(bǔ)強(qiáng)加固處理的重要依據(jù)。

1　混凝土壩檢測技術(shù)發(fā)展過程

大壩在長期運(yùn)行過程中，其安全性有可能逐漸降低，因大壩質(zhì)量問題導(dǎo)致潰壩事故時有發(fā)生。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，我國1954～2006年間共有3 498座大壩發(fā)生潰壩事故，其中大壩質(zhì)量問題和大壩漫頂是潰壩的最主要原因。自1959年12月2日法國馬爾巴塞拱壩（混凝土雙曲拱壩，壩高66.5 m）失事后，世界各國日益重視對大壩的巡視檢查和安全檢測工作。日本建設(shè)省于1969年開始對大壩進(jìn)行檢查；美國國會于1972年頒布了72-367號公共法令，即《美國大壩安全檢查條例》；在1973年第11屆國際大壩會議上，美國R.B.Jansen等人提出“對水工建筑物全面地進(jìn)行人工巡視檢查工作是大壩監(jiān)測程序的重要內(nèi)容”；隨后，意大利、法國、澳大利亞、加拿大、瑞典、芬蘭、挪威等國均作出了對大壩進(jìn)行巡視檢查和檢測的有關(guān)規(guī)定。

大壩巡視檢查的重要性不言而喻，但是巡視檢查局限于人工對大壩外部表面的檢查，難以發(fā)現(xiàn)壩體內(nèi)部存在的安全隱患與病害，為此尋找一種可經(jīng)濟(jì)、快速、準(zhǔn)確地確定壩體內(nèi)部隱患和病害的現(xiàn)場檢測方法逐漸為各國所重視，特別是類似醫(yī)學(xué)B超、X光等無損檢測方法，如超聲波法、聲納法、電磁法、電場法、彈性波法等。意大利國家電力局（ENEL）模型與結(jié)構(gòu)研究所（ISMES）首先研究了用聲波層析的方法對大壩進(jìn)行現(xiàn)場檢測，并于1991年在奧地利維也納召開的第17屆國際大壩會議上作為“大壩老化與補(bǔ)救措施”議題作了專題介紹，認(rèn)為這是一種“非破壞的、可靠的、可重復(fù)的、較經(jīng)濟(jì)的檢查大壩健康狀態(tài)最好的工具”。日本國際協(xié)力團(tuán)于1991年對我國豐滿大壩進(jìn)行過聲波層析檢測試驗(yàn)。美國大壩安全官員聯(lián)合會（ASDSO）在2001年和2002年年會上開始討論安全檢測的技術(shù)問題，涉及電法、探地雷達(dá)等技術(shù)。

我國的大壩安全檢測起步于20世紀(jì)50年代，最初主要以鉆孔、取樣試驗(yàn)等破損或半破損手段為主，而后逐步發(fā)展超聲波法、回彈法、電視攝像法、電阻率法、探地雷達(dá)法、彈性波層析法（CT）、自然電位法、充電法、流場法等現(xiàn)場無損檢測方法，在各類大壩缺陷檢測、安全檢查、補(bǔ)強(qiáng)加固等方面發(fā)揮重要作用，其中豐滿水電站大壩的安全檢測具有一定的代表性，也見證了我國混凝土大壩安全檢測技術(shù)的發(fā)展歷程。

豐滿大壩始建于1937年，至1953年續(xù)、改建完成。由于歷史原因和當(dāng)時的技術(shù)水平，大壩建成后就存在嚴(yán)重的先天性缺陷，如混凝土強(qiáng)度偏低、均勻性差、壩體分縫處理不當(dāng)?shù)取?958～1970年期間，北京勘測設(shè)計研究院、東北勘測設(shè)計研究院、北京建設(shè)材料研究院、長江委長江科學(xué)研究院、上?？睖y設(shè)計研究院和豐滿發(fā)電廠等單位采用鉆孔取芯等方法，檢測混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量；1970～1990年，應(yīng)用鉆孔聲波、鉆孔電視攝像、聲波測缺、聲波測縫等現(xiàn)場檢測手段，以彌補(bǔ)室內(nèi)試驗(yàn)的不足；1991年和2006年，日本國際協(xié)力團(tuán)、中國水科院等單位采用彈性波（聲波）層析成像技術(shù)檢測壩體混凝土缺陷；2006～2008年間，華東勘測設(shè)計研究院采用鉆孔取芯、電視攝像、單孔聲波、對穿聲波、聲波CT、鉆孔變模、沖擊回波、孔內(nèi)高密度電法和探地雷達(dá)法等綜合方法對豐滿大壩混凝土的裂縫、內(nèi)部缺陷及灌漿試驗(yàn)效果進(jìn)行較為系統(tǒng)的檢測與評價。

經(jīng)過幾代人不懈的研究與應(yīng)用，我國大壩安全檢測已經(jīng)形成一套比較有效的檢測方法，并編制了DL/T 5251-2010《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術(shù)規(guī)程》、DL/T 5299-2013《大壩混凝土聲波檢測技術(shù)規(guī)程》、DB34/T 2290-2015《水利工程質(zhì)量檢測技術(shù)規(guī)程》，以指導(dǎo)與規(guī)范大壩安全檢測工作，目前大壩安全檢測技術(shù)水平已躋身國際先進(jìn)行列。1998年加拿大安大略省電力局邀請北京市市政工程研究所、長江科學(xué)院巖基所與加拿大安大略省電力局技術(shù)研究所、多倫多大學(xué)等單位共同對Otto Holden大壩進(jìn)行聲波檢測，獲得組織方較高的評價。

然而，現(xiàn)有的大壩安全檢測方法尚不夠系統(tǒng)和全面，無損檢測方法的檢測能力、精度及準(zhǔn)確性與業(yè)內(nèi)期望、工程需求尚有較大差距，例如大體積混凝土內(nèi)部缺陷、深裂縫的深度、深部壩基及帷幕質(zhì)量、復(fù)雜的滲漏通道等問題還無法完全依靠無損檢測手段解決。特別是近年來新建了大量“高壩、大庫、長引水”工程，檢測難度越來越大，現(xiàn)有的檢測手段更加難以滿足日后大壩安全檢測的需要，大壩安全檢測新技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫，新技術(shù)應(yīng)用有著巨大的發(fā)展空間。

2　混凝土壩結(jié)構(gòu)缺陷主要類型

壩體混凝土缺陷是指破壞混凝土連續(xù)性、完整性或降低混凝土強(qiáng)度和耐久性的蜂窩、孔洞、離析、裂縫、低強(qiáng)區(qū)、結(jié)合不良以及夾雜沙、泥、雜物等，主要分為表面缺陷、內(nèi)部缺陷及滲漏三大類，其中混凝土表面缺陷主要有蜂窩、麻面、孔洞、氣泡、缺損、碎裂、露筋、裂縫等。由于混凝土是一種多孔膠凝人造石材，具有抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低、延伸率小等特點(diǎn)，其表面容易產(chǎn)生裂縫。裂縫是壩體表面缺陷最主要的形式之一，混凝土收縮、溫度梯度、荷載作用或地基不均勻沉降等均可能出現(xiàn)裂縫?；炷羶?nèi)部缺陷主要包括蜂窩、孔洞、離析、裂縫、低強(qiáng)區(qū)、結(jié)合不良以及夾雜沙、泥、雜物等。另外，大壩在上下游水位差的作用下，庫水通過壩體裂縫、結(jié)合縫、不密實(shí)區(qū)等向下游滲漏，會造成膠凝材料流失、凍脹等危害。

大壩在長期運(yùn)行過程中，混凝土因碳化、凍融、壓碎、剝蝕、脫落、沖蝕（空蝕和磨蝕）、變形等，或遭受地震、洪水等自然災(zāi)害時，都可能出現(xiàn)損傷、病害。壩體混凝土缺陷的存在會不同程度地影響大壩混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性。根據(jù)DL/T 5251-2010《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術(shù)規(guī)程》，缺陷按其對結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性影響程度分為四類：

Ⅰ類缺陷：屬輕微缺陷，對建筑物的安全性和耐久性無影響；

Ⅱ類缺陷：屬一般缺陷，對建筑物的安全性和耐久性有輕微影響；

Ⅲ類缺陷：屬嚴(yán)重缺陷，對建筑物的安全性和耐久性有一定影響，但進(jìn)一步發(fā)展危害嚴(yán)重；

Ⅳ類缺陷：屬特別嚴(yán)重的缺陷，危及建筑物安全的重大缺陷。

3　混凝土壩結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)

根據(jù)混凝土壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和缺陷類型，混凝土壩結(jié)構(gòu)缺陷檢測主要包括外觀檢查、混凝土性能檢測、混凝土裂縫檢測、混凝土內(nèi)部缺陷檢測、結(jié)合面質(zhì)量檢測和壩體滲漏檢測等。

3.1外觀檢查

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，70%以上的工程安全隱患是由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員在現(xiàn)場巡視檢查時發(fā)現(xiàn)的。外觀檢查主要通過目視檢查混凝土壩表面缺陷、裂縫和其他損傷，描述缺陷的部位、性質(zhì)、規(guī)模、程度及發(fā)展變化情況，評價表面缺陷對大壩結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的影響。

外觀檢查以目視觀察為主，使用卷尺、塞規(guī)、裂縫測寬儀、放大鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)、攝像機(jī)等器具，對大壩各部位表面進(jìn)行檢查與必要的量測；水下建筑物可使用水下電視、水下機(jī)器人或借助潛水員進(jìn)行水下檢查。外觀檢查主要檢查混凝土壩表面缺陷、裂縫、損傷和滲漏等。表面缺陷包括蜂窩、麻面、孔洞、露筋、疏松區(qū)等；混凝土裂縫包括部位、數(shù)量、走向、長度、寬度和可見深度等，并了解裂縫的變化情況；混凝土損傷包括壓碎、凍融、剝蝕、脫落及沖蝕（空蝕和磨蝕）等。

3.2混凝土性能檢測

混凝土性能檢測主要包括碳化深度檢測、混凝土抗壓強(qiáng)度檢測、彈性模量檢測、抗?jié)B性能檢測、抗凍性能檢測以及混凝土內(nèi)鋼筋分布、保護(hù)層厚度檢測等，評價大壩混凝土性能及變化趨勢。

3.2.1碳化深度檢測

混凝土長期暴露在空氣中，大氣中二氧化碳緩慢滲入混凝土，與混凝土內(nèi)部的氫氧化鈣反應(yīng)變成碳酸鈣，使混凝土由里及表逐漸由堿性變成中性。利用酚酞酒精溶液遇堿變紅色的原理可以檢測混凝土的碳化深度。檢測時，在混凝土表面用沖擊鉆鉆孔，清除孔內(nèi)粉末和碎屑后，用1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞內(nèi)壁的邊緣，碳化部分的混凝土（呈中性）不變顏色，而未碳化部分的混凝土（呈堿性）將變成紅色，測量不變色混凝土的深度即為碳化深度值。

3.2.2抗壓強(qiáng)度檢測

混凝土抗壓強(qiáng)度檢測方法主要有回彈法、超聲回彈綜合法和鉆孔取芯試驗(yàn)，其中回彈法、超聲回彈綜合法屬于無損檢測方法，但檢測準(zhǔn)確度相對較差，必要時需要鉆芯法驗(yàn)證和修正；鉆孔取芯試驗(yàn)屬于半破損檢測方法，檢測結(jié)果較為可靠。

回彈法是通過檢測混凝土表面硬度來推算混凝土抗壓強(qiáng)度。利用一個由彈簧驅(qū)動的重錘，通過彈擊桿彈擊混凝土表面，測定重錘被彈擊回來的距離（回彈值），并采用實(shí)驗(yàn)歸納方法建立混凝土強(qiáng)度與回彈值之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，進(jìn)而推算混凝土的抗壓強(qiáng)度。

超聲回彈綜合法是通過測試彈擊混凝土表面的回彈量及混凝土的聲速，利用回彈量及聲速與混凝土抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而推定混凝土的抗壓強(qiáng)度。

鉆孔取芯是一種半破損檢測混凝土強(qiáng)度的方法，鉆取混凝土芯樣制作圓柱體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以核查和驗(yàn)證混凝土的強(qiáng)度。

3.2.3彈性模量檢測

混凝土彈性模量是指混凝土試件受壓形變時應(yīng)力與應(yīng)變之比，取軸心抗壓強(qiáng)度1/3時對應(yīng)的彈性模量。

3.2.4抗?jié)B性能檢測

建設(shè)期抗?jié)B性能檢測通常采用抗?jié)B等級試驗(yàn)來確定，詳細(xì)試驗(yàn)方法及評定標(biāo)準(zhǔn)參見相關(guān)規(guī)范；而運(yùn)行期一般采用壓水試驗(yàn)來確定。

3.2.5抗凍性能檢測

混凝土抗凍性能檢測通常采用凍融循環(huán)試驗(yàn)法來確定，詳細(xì)試驗(yàn)方法及評定標(biāo)準(zhǔn)參見相關(guān)規(guī)范。

3.2.6混凝土內(nèi)鋼筋分布及保護(hù)層厚度檢測

混凝土中鋼筋檢測主要采用電磁感應(yīng)法和雷達(dá)法。電磁感應(yīng)法是利用供給交變電流的線圈輻射電磁場，通過測量感應(yīng)電壓及其變化趨勢，確定鋼筋的位置和保護(hù)層厚度；雷達(dá)法是通過發(fā)射天線向混凝土中發(fā)射高頻電磁波，電磁波遇到鋼筋將產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射電磁波，根據(jù)反射電磁波的信號確定鋼筋的位置和鋼筋保護(hù)層厚度。

3.3混凝土裂縫深度檢測

混凝土壩的裂縫十分普遍，主要檢測裂縫的分布位置、走向、長度、寬度和深度等描述裂縫特征的主要參數(shù)，其中裂縫深度也是評價裂縫危害性的重要指標(biāo)之一，大體積混凝土的裂縫深度無法通過肉眼觀察到。混凝土裂縫常用鉆孔取芯、超聲波法或壓水試驗(yàn)等方法檢測，其中超聲波法最為常用，按照檢測方式不同，超聲波法又分為單面平測法、雙面透射法和鉆孔透射法。

3.3.1鉆孔取芯法

鉆孔取芯法屬于半破損檢測方法，在裂縫的中間位置騎縫鉆孔，鉆取完整芯樣觀察裂縫的尖滅位置，測量表面至尖滅位置的芯樣長度即為裂縫深度。鉆孔取芯法有時也與壓水試驗(yàn)配合使用。

3.3.2超聲波法

根據(jù)檢測方式不同，超聲波法分為單面平測法、雙面透射法和鉆孔透射法。

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)被測部位只有一個表面可供超聲波檢測時，可采用單面平測法檢測淺裂縫的深度。單面平測法適用于檢測深度小于500 mm的裂縫，根據(jù)超聲波繞過裂縫末端的傳播時間和混凝土聲速計算裂縫的深度。單面平測法檢測裂縫深度原理見圖1。

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)兩側(cè)都具備檢測條件時，可采用雙面超聲波透射法檢測裂縫的深度。檢測時，在裂縫的一側(cè)發(fā)射聲波，在裂縫延伸方向的另一側(cè)面接收聲波，將首波聲幅突變點(diǎn)對應(yīng)的聲波射線確定為通過裂縫末端的射線，兩個方向末端射線的交匯點(diǎn)即為裂縫的末端位置，該點(diǎn)深度即為裂縫深度。雙面透射法檢測裂縫深度原理見圖2。

圖1　超聲波單面平測法原理圖Fig.1 Schematic diagram of single plane ultrasonic

圖2　超聲波雙面透射法原理圖Fig.2 Schematic diagram of double plane ultrasonic

大體積混凝土一般難以滿足超聲波雙面透射法檢測條件。如果預(yù)估裂縫的深度大于500 mm，則應(yīng)采用鉆孔超聲波透射法檢測裂縫的深度。鉆孔超聲波透射法檢測原理與超聲波雙面透射法相同，繪制“聲波幅值-深度”曲線，將首波聲幅突變點(diǎn)對應(yīng)的聲波射線確定為裂縫末端位置，該測點(diǎn)深度即為裂縫深度。鉆孔聲波透射法檢測裂縫深度原理見圖3。

圖3　鉆孔聲波透射法原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of borehole acoustic wave

3.4混凝土內(nèi)部缺陷檢測

混凝土內(nèi)部缺陷檢測主要檢測大體積混凝土內(nèi)部的蜂窩、孔洞、離析、裂縫、低強(qiáng)區(qū)、結(jié)合不良以及夾雜沙、泥、雜物等。混凝土壩通常為大體積混凝土，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在混凝土壩表面檢測混凝土內(nèi)部缺陷十分困難，通常采用鉆孔取芯進(jìn)行檢測或借助鉆孔進(jìn)行聲波、電視攝像、聲波CT檢測、鉆孔變?；驂核囼?yàn)等。

3.4.1鉆孔取芯檢測

鉆孔取芯檢測法是鉆取混凝土芯樣，通過觀察芯樣的混凝土骨料分布、膠結(jié)質(zhì)量、密實(shí)度以及是否存在蜂窩、孔洞、離析、裂縫及夾渣等缺陷，對芯樣進(jìn)行描述與鑒定，評價混凝土的外觀質(zhì)量；截取芯樣制作試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗?jié)B試驗(yàn)、抗凍試驗(yàn)等。

3.4.2鉆孔電視攝像

由于低強(qiáng)度混凝土或缺陷孔段混凝土的鉆孔采取率通常較低，芯樣碎裂后難以觀察到混凝土的真相，鉆孔電視攝像可真實(shí)重現(xiàn)孔壁原狀，結(jié)合芯樣確定缺陷混凝土的位置、范圍及性質(zhì)。

3.4.3聲波檢測法

混凝土為非勻質(zhì)彈塑性材料，在缺陷混凝土中傳播的聲波一般具有低聲速和強(qiáng)衰減等特性，可通過檢測混凝土中的聲速和聲幅判別缺陷混凝土。由于影響混凝土聲速、聲幅的因素很多，聲速、聲幅的變化范圍也較大，難以統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)，因此一般根據(jù)聲速、聲幅值及相對變化綜合判定混凝土缺陷。根據(jù)檢測方式不同，聲波檢測法主要有表面聲波檢測法、單孔聲波檢測法和對穿聲波檢測法。

表面聲波檢測法是在混凝土表面，將一個發(fā)射換能器和兩個或多個接收換能器按一定的間距布置在直線上，通過測量到達(dá)各接收換能器的聲波旅行時間計算混凝土的聲波速度，由此判斷缺陷混凝土的位置及范圍。

單孔聲波檢測法是將一發(fā)雙收聲波探頭放入孔中，通過測量兩只接收換能器的聲波旅行時差計算孔壁混凝土聲波速度，繪制“聲速-孔深”曲線，根據(jù)聲速、聲幅及其變化趨勢評價混凝土的質(zhì)量，確定孔內(nèi)缺陷混凝土的位置、范圍及嚴(yán)重程度。

當(dāng)兩個混凝土結(jié)構(gòu)表面、兩鉆孔或鉆孔與混凝土結(jié)構(gòu)表面之間存在對穿條件時，可采用一側(cè)（孔）發(fā)射聲波另一側(cè)（孔）接收聲波的對穿檢測方式。通過測量各聲波射線的旅行時間、首波幅值等參數(shù)，計算混凝土聲速，根據(jù)各射線的聲速、聲幅及其變化評價混凝土的質(zhì)量，確定面（孔）與面（孔）之間缺陷混凝土的位置、范圍及規(guī)模，推測缺陷性質(zhì)及嚴(yán)重程度。

3.4.4聲波CT法

聲波層析成像法簡稱聲波CT，是基于射線理論的聲波速度CT。利用位于同一平面內(nèi)的兩個鉆孔或相對的兩個混凝土結(jié)構(gòu)表面，以扇型觀測方式獲得大量交叉的聲波射線，讀取各射線的聲波初至?xí)r間。依據(jù)每條聲波射線的起止點(diǎn)空間坐標(biāo)和聲波旅行時間，遵循Fermat原理及Hyngens原理追蹤最小走時、最短路徑的射線，采用Radon變換反演擬合重構(gòu)模型每個單元的聲波速度，獲取斷面聲速剖面圖像。根據(jù)斷面聲波速度的分布特征判斷其內(nèi)部結(jié)構(gòu)或構(gòu)造形態(tài)，斷面中相對低速區(qū)即可能為缺陷混凝土，由此確定大壩混凝土缺陷的分布和位置。由于壩體橫斷面一般呈梯形，壩體上、下游壩面間距較大且呈上小下大形態(tài)，局部因壩體內(nèi)部設(shè)備占位、廊道布置等原因?qū)е侣暡ㄉ渚€呈不均勻分布，特別在壩體中下部聲波射線密度變稀，局部甚至為空白，影響大壩聲波CT檢測的分辨率與準(zhǔn)確性（與聲波射線長度及分布密度有關(guān)）。因此通常會在壩體內(nèi)鉆孔，利用鉆孔之間或鉆孔與壩面之間進(jìn)行聲波CT檢測，可有效縮短斷面尺寸，提高聲波CT檢測的效果。聲波CT檢測原理見圖4。

圖4　聲波CT檢測原理圖Fig.4 Schematic diagram of acoustic CT detection

3.4.5探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法是一種用于探測介質(zhì)內(nèi)部分布的廣譜（1 MHz～1 GHz）電磁技術(shù)。一般來說，缺陷混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)及含水率均不同于正?；炷粒潆妼?dǎo)率、介電常數(shù)等電性參數(shù)與正?；炷链嬖诿黠@的差異，電磁波遇到缺陷混凝土?xí)r將產(chǎn)生反射電磁波。通過分析反射電磁波信號的強(qiáng)度、相位、頻率、旅行時間及同相軸的形態(tài)，可確定缺陷混凝土的位置及范圍。雷達(dá)天線的中心頻率決定探地雷達(dá)的有效探測深度與分辨率，天線中心頻率越高，信號衰減越快，有效探測深度越小，分辨率越高。天線中心頻率的選擇主要考慮缺陷混凝土的尺度、埋深及分辨率等因素。對于淺部、小范圍分布的缺陷混凝土，宜用高頻天線，而對于深部、廣泛分布的缺陷混凝土，應(yīng)使用低頻天線。

3.4.6鉆孔變模檢測

鉆孔變模檢測是運(yùn)用鉆孔變模儀檢測混凝土變形特性參數(shù)的一種原位試驗(yàn)方法。由地面高壓油泵通過井下探頭給孔壁施加徑向壓力，同時測得孔壁的徑向變形量，計算混凝土的變形模量。

3.4.7鉆孔壓水試驗(yàn)

鉆孔壓水試驗(yàn)是用栓塞將鉆孔隔離出一定長度的孔段，并向該孔段注水，根據(jù)注水壓力與流量的關(guān)系確定混凝土的滲透特性。壓水試驗(yàn)可采用單點(diǎn)法或五點(diǎn)法。

3.5壩體滲漏檢測

大壩在上下游水位差的作用下，庫水通過壩體裂縫、結(jié)合縫、不密實(shí)區(qū)等向下游滲漏，可采用示蹤法、充電法、壓水法和偽隨機(jī)流場法檢測壩體滲漏。

3.5.1示蹤法

示蹤法是根據(jù)滲漏水的水溫、電導(dǎo)率或溶解氧濃度的相似性原理，或根據(jù)染料、食鹽、同位素示蹤劑濃度分析滲漏水的來源。根據(jù)示蹤劑的來源不同，示蹤法分為天然示蹤法和人工示蹤法。天然示蹤法主要有溫度示蹤法、電導(dǎo)率示蹤法和溶氧值示蹤法，人工示蹤法分為染色示蹤法、鹽類示蹤法和同位素示蹤法等。天然示蹤法是根據(jù)水庫下游滲漏水的水溫、電導(dǎo)率或溶解氧濃度與在水庫庫區(qū)各部位及垂直方向上的實(shí)測水溫、電導(dǎo)率或溶解氧濃度相比較，以相似性原則分析滲漏水的來源位置。人工示蹤法是在水庫特定位置或鉆孔中投放染料、食鹽或同位素示蹤劑，在大壩下游各滲漏水點(diǎn)或其他部位檢測示蹤劑及濃度，分析上游庫水與滲漏水的來源關(guān)系；由于示蹤劑稀釋的速度與地下水滲透流速有關(guān)，可以計算滲流速度，并根據(jù)滲流速度的變化確定是否存在滲流流場。

3.5.2充電法

因地下水或庫水通常具有良導(dǎo)電性，充電法是通過人工向滲出水點(diǎn)施加直流電壓，使?jié)B水通道形成充電效應(yīng)，通過檢測充電后的場區(qū)電位變化和電場分布，分析推斷滲漏水通道的位置和走向。鉆孔充電法還可以測定地下水的流向及流速。

3.5.3壓水法

利用滲漏水通道的逆向性，在滲漏出口安裝引水管，通過引水管壓入染料水（如紅色的高錳酸鉀溶液），在壓力作用下逆向注入滲漏通道中，維持一定壓力持續(xù)壓水直至上游有染料水滲出，該滲出部位即為滲漏入口。

3.5.4偽隨機(jī)流場法

偽隨機(jī)流場法是通過對滲漏出口供電，在大壩上下游水中形成人工電場，通過測定庫區(qū)電流場的分布，根據(jù)“偽隨機(jī)”電流場與滲漏水流場之間的關(guān)系，分析電流場和異常水流場的時空分布形態(tài)，間接測定滲漏水流場，從而達(dá)到檢測滲漏入口的目的。偽隨機(jī)流場法檢測大壩滲漏原理見圖5。

圖5　偽隨機(jī)流場法檢測滲漏入口原理圖Fig.5 Schematic diagram of pseudo-random flow-field method

4　當(dāng)前大壩安全檢測技術(shù)的不足

混凝土壩通常體積巨大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，部分壩體位于水下深處，可供檢測的工作面少，而且場區(qū)可能存在水輪機(jī)持續(xù)振動、強(qiáng)電磁和大游散電流等干擾，現(xiàn)有的無損檢測方法均不同程度地存在局限性或不適用性，一般采用鉆孔取芯和借助鉆孔進(jìn)行其他方法檢測深部混凝土。鉆孔取芯屬于破損檢測方法，鉆孔不宜大量布置。而鉆孔取芯以“點(diǎn)”檢測，即使輔以聲波透射、聲波CT等方法，也是以“面”檢測，對于大體積壩體混凝土，顯然難以達(dá)到全面、系統(tǒng)檢測的目的。另外，無損方法的有效檢測深度和檢測精度也難以滿足檢測要求，如探地雷達(dá)法的檢測深度與檢測精度相矛盾，檢測深度大則其檢測精度必然低；而超聲波單面平測法僅可檢測深度不足500 mm的裂縫深度，對深裂縫無能為力；面波法等其他一些無損檢測裂縫深度的方法尚不成熟。

另外，部分檢測方法的準(zhǔn)確性、可靠性也難以保證，如回彈法、超聲回彈綜合法檢測混凝土的強(qiáng)度，往往需要鉆芯驗(yàn)證和修正。對于混凝土的深部裂縫，還缺乏十分簡便、有效的檢測手段。對于滲漏途徑復(fù)雜的壩體或壩基滲漏，偽隨機(jī)流場法、壓水法、示蹤法等現(xiàn)有的滲漏檢測手段能力有限，大多只能檢測到集中滲入點(diǎn)，而無法確定滲漏途徑，除非另外布置鉆孔，在鉆孔中輔助檢測。

目前，針對運(yùn)行大壩的缺陷檢測還缺乏系統(tǒng)、全面的檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術(shù)規(guī)程》、《大壩混凝土聲波檢測技術(shù)規(guī)程》、《水利工程質(zhì)量檢測技術(shù)規(guī)程》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還不能全面覆蓋混凝土壩結(jié)構(gòu)缺陷的各項(xiàng)檢測工作，往往需要借用其他行業(yè)或工程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施大壩安全檢測工作，針對性和適用性不強(qiáng)，檢測成果質(zhì)量也難以保證。特別是近年新建了大量高壩工程，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行后，壩體混凝土結(jié)構(gòu)缺陷將逐漸暴露，運(yùn)行期定檢工作也將啟動，部分大壩不能放空檢查或無法完全放空檢查，水下檢查將更為困難，特別是水深超過60 m后，潛水檢查難度增大。隨著時間的推移，大壩混凝土表面水生植物不斷生長，依靠潛水員或水下機(jī)器人的表面檢查愈加困難，對發(fā)展混凝土壩結(jié)構(gòu)缺陷檢測新技術(shù)將更為迫切。

5　新技術(shù)展望

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大壩安全檢測新方法、新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備的研發(fā)取得了快速發(fā)展，部分大壩安全檢測新技術(shù)的應(yīng)用已初顯優(yōu)勢。展望未來，大壩安全檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢可歸納為以下幾方面。

5.1大壩安全監(jiān)測與檢測技術(shù)的一體化

大壩安全檢測目的是查明大壩在某個時點(diǎn)的三維空間性態(tài)，而大壩安全監(jiān)測是反映大壩在某個時段的三維空間性態(tài)及變化情況，因此大壩安全監(jiān)測實(shí)際上是大壩安全檢測的“四維”檢測結(jié)果。展望未來，大壩安全監(jiān)測將不再局限于監(jiān)測應(yīng)力、應(yīng)變、滲壓、位移、沉降等被動式的監(jiān)測手段，在壩體中增加預(yù)埋聲波換能器、聲發(fā)射傳感器、電位傳感器、雷達(dá)探頭等設(shè)備，特別是數(shù)字式、分布式智能傳感器的應(yīng)用，不僅可以監(jiān)測大壩狀態(tài)的變化，還可以查明導(dǎo)致大壩性態(tài)變化的缺陷性質(zhì)、位置、程度、規(guī)模、范圍及變化情況。如聲發(fā)射監(jiān)測，不僅可以監(jiān)測混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變變化和斷裂發(fā)生的時刻，還能確定混凝土斷裂的位置及后續(xù)擴(kuò)展延伸情況。

5.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議將傳感器與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。基于監(jiān)測與檢測技術(shù)的一體化，并將大壩及壩基中大量預(yù)埋的各類智能傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)連接大壩安全監(jiān)控信息系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、識別、監(jiān)控與反饋，到達(dá)實(shí)時、動態(tài)監(jiān)測大壩安全性狀及監(jiān)控壩體與壩基缺陷形成、發(fā)展變化情況，有效確保大壩的安全運(yùn)行。工程安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6　工程安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Monitoring management structure based on engineering safety IoT

5.3大壩表面缺陷遙測掃描檢查技術(shù)

在建混凝土大壩越來越高，檢查壩面缺陷的難度也越來越大，人工登高檢查效率低且不安全，遙測掃描檢查技術(shù)的應(yīng)用將日益普遍。遙測掃描檢查系統(tǒng)包括高精度伺服電機(jī)控制的CCD攝像頭配備可變焦長鏡頭、傾角儀和激光測距儀，可在300 m范圍內(nèi)自動遙測掃描大壩表面缺陷，建立三維大壩模型和缺陷位置及物理特性參數(shù)，如裂縫位置、走向、長度、寬度等，目前技術(shù)可分辨0.1 mm寬度的裂縫。壩面遙測掃描檢查工作原理見圖7。

5.4水下全景聲納掃描成像檢查

隨著高壩的大量建成，依靠潛水員或水下機(jī)器人的水下檢查更難以滿足要求，大壩混凝土表面水生植物也影響目視和視頻檢查效果，水下全景聲納掃描成像檢查方法將會用于大壩水下檢查。利用聲納生成高分辨率的3D全景圖像，可精確獲得水下混凝土結(jié)構(gòu)及表面缺陷數(shù)據(jù)，達(dá)到檢查水下建（構(gòu)）筑物外觀缺陷的目的。水下全景聲納掃描成像檢查原理見圖8。

圖7　壩面遙測掃描檢查工作原理圖Fig.7 Schematic diagram of remote measurement and inspection of dam surface

圖8　水下全景聲納掃描成像檢查原理圖Fig.8 Schematic diagram of underwater panoramic sonar scan imaging

5.5高精度三維檢測方法

大壩規(guī)模宏大，壩基面積寬廣，現(xiàn)有的鉆孔“點(diǎn)”式、CT“面”式檢測方法都難以滿足全面檢測的要求，類似醫(yī)用彩超、三維CT、核磁共振等三維掃描和斷面切片技術(shù)將廣泛應(yīng)用于大壩安全檢測，高精度且大范圍的三維聲波CT、三維電磁波CT、三維探地雷達(dá)以及其他三維檢測技術(shù)將在大壩安全檢測中發(fā)揮重要作用。

作者郵箱：huang_sq@ecidi.com

Title:Development and prospect of defect detection technology for concrete dams//by

HUANG Shiqiang//PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

Due to concrete aging，steel bar corrosion，earthquakes，artificial influence，biological damage or other factors，defects or diseases would occur in concrete dam during long-term operation.As the concealment of dam defects or diseases，dam safety detection is an important method to detect and identify the defects and defects，which provides an important basis for evaluating the safety state of dam and reinforcement.The development of new technology of concrete dam detection is of great significance to improve the level of dam safety detection technology.

concrete dam；safety detection；technical progress

TV698.1

A

1671-1092（2016）03-0001-09

2016-02-01

黃世強(qiáng)（1964-），男，浙江瑞安人，教授級高級工程師，主要從事工程物探、檢測與監(jiān)測工作。