紅外熱成像與探地雷達(dá)在大壩混凝土面板脫空檢測(cè)中的應(yīng)用

徐 濤，丁亮清，嚴(yán) 俊

(長(zhǎng)江地球物理探測(cè)(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(jié)構(gòu)，其壩體堆石料是人工填筑散粒體，有極大非連續(xù)性。在壩體填筑完成混凝土面板澆筑到蓄水或水庫(kù)運(yùn)行期間，壩體填筑料仍會(huì)持續(xù)非線形沉降；此外，庫(kù)水位升降造成水壓力反復(fù)作用于面板，面板也會(huì)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(dǎo)致混凝土面板局部不再與填筑體連續(xù)接觸，即混凝土面板下局部出現(xiàn)脫空。蓄水后，隨著水位反復(fù)升降，水壓力對(duì)脫空位置面板往復(fù)作用可能導(dǎo)致面板混凝土形成裂縫，裂縫嚴(yán)重時(shí)將會(huì)形成滲漏通道，給大壩造成巨大安全隱患。因此，對(duì)混凝土面板進(jìn)行檢測(cè)，查明面板與墊層間的脫空情況，對(duì)堆石壩安全具有重要意義。

本次采用遠(yuǎn)紅外熱成像技術(shù)與探地雷達(dá)掃描技術(shù)相結(jié)合，對(duì)湖南某水庫(kù)大壩混凝土面板進(jìn)行脫空檢測(cè)，結(jié)合鉆孔驗(yàn)證成果對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)。

2 檢測(cè)技術(shù)原理與方法

2.1 紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)

(1)檢測(cè)原理

紅外輻射是由原子和分子的運(yùn)動(dòng)引起的。在自然界中，任何高于絕對(duì)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(jù)和檢測(cè)技術(shù)的物理基礎(chǔ)。紅外輻射功率與物體的表面溫度密切相關(guān)，根據(jù)普朗克輻射定律，物體的絕對(duì)溫度只要不為0℃，它就有能量輻射；不同材料導(dǎo)熱系數(shù)不同，其熱輻射也不同。

由熱力傳導(dǎo)理論可以得出，當(dāng)混凝土面板與墊層料之間存在脫空時(shí)，由于水或空氣的充填，混凝土面板與墊層料之間存在相對(duì)隔熱性結(jié)構(gòu)缺陷，熱傳導(dǎo)受阻，混凝土熱量不能及時(shí)向內(nèi)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(xiàn)“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(cè)方法

紅外熱成像檢測(cè)就是利用紅外輻射原理對(duì)物體或材料進(jìn)行檢測(cè)，把來(lái)自目標(biāo)的紅外熱輻射轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)熱圖像，通過(guò)直觀分析物體表面溫度分布，推定物體結(jié)構(gòu)狀態(tài)和內(nèi)部缺陷。紅外熱像儀是用于紅外無(wú)損檢測(cè)的主要設(shè)備，其工作原理是通過(guò)對(duì)物體所輻射的紅外線進(jìn)行收集，對(duì)該物體表面不同部位的紅外線輻射強(qiáng)度進(jìn)行感應(yīng)、識(shí)別，將各點(diǎn)的紅外線輻射強(qiáng)度以不同的顏色表示，并最終轉(zhuǎn)換為紅外熱圖，從而達(dá)到了將不可見(jiàn)的紅外線轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的目的。

本次檢測(cè)中使用的紅外熱成像設(shè)備是美國(guó)FLUKE公司生產(chǎn)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(gè)視角中的近焦和遠(yuǎn)焦圖像。測(cè)量溫度范圍-20～800℃，溫度分辨率0.08℃。

2.2 探地雷達(dá)技術(shù)

(1)檢測(cè)原理

混凝土面板與填筑墊層料之間存在脫空，與兩者結(jié)合密實(shí)時(shí)比較會(huì)表現(xiàn)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(jié)合密實(shí)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(cè)提供了良好的地球物理?xiàng)l件。電磁波的傳播取決于介質(zhì)電導(dǎo)率和介電常數(shù)，前者主要影響電磁波探測(cè)深度，后者決定電磁波在物體內(nèi)傳播速度。當(dāng)利用探地雷達(dá)發(fā)送調(diào)頻脈沖電磁波時(shí)，電磁波以脈沖形式定向射入探測(cè)面板區(qū)域內(nèi)部，經(jīng)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(dá)接收，可通過(guò)記錄分析反射波到達(dá)時(shí)間t、反射波幅值、相位等信息來(lái)研究被探測(cè)介質(zhì)的分布和特性。

(2)技術(shù)方法

探地雷達(dá)測(cè)量方式一般分為剖面法和寬角法。剖面法是發(fā)射天線(T)和接收天線(R)以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)的一種測(cè)量方式，得到的結(jié)果是時(shí)間剖面圖，由于天線間距一般很小，故可認(rèn)為是自激自收時(shí)間剖面。寬角法是將發(fā)射天線固定在地面某點(diǎn)不動(dòng)，而將接收天線沿測(cè)線移動(dòng)，記錄目標(biāo)體內(nèi)各個(gè)不同界面反射波的雙程走時(shí)的測(cè)量方法，工作中一般采用剖面法進(jìn)行連續(xù)或密集點(diǎn)采樣。

探地雷達(dá)成果圖像的解釋是依據(jù)反射波的強(qiáng)度，波形變化及其反射波同相軸的連續(xù)性等特征來(lái)判斷混凝土與墊層料的結(jié)合情況。本次采用的雷達(dá)設(shè)備是美國(guó)SIR3000型探地雷達(dá)，雷達(dá)天線頻率900MHz，發(fā)射率100kHz，探測(cè)方式為測(cè)線連續(xù)掃描。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某水庫(kù)大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長(zhǎng)198.8m，最大壩高120m，大壩上、下游坡比均為1∶1.4，壩體采用灰?guī)r料填筑而成。面板設(shè)計(jì)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(zhǎng)136m。自2008年5月開(kāi)始，大壩滲漏量明顯增大，2010年10月達(dá)到800L/s，2012年9月達(dá)到1240L/s，大壩安全受到嚴(yán)重威脅。2014—2015年對(duì)大壩混凝土面板進(jìn)行了修復(fù)和灌漿處理。

為有效檢測(cè)評(píng)估混凝土面板脫空缺陷情況，采用紅外熱成像、探地雷達(dá)掃描等物探方法對(duì)大壩混凝土面板脫空情況進(jìn)行檢測(cè)，其中紅外熱成像是采用面積性普查，探地雷達(dá)掃描測(cè)線普查及可疑區(qū)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(jìn)行，選取遠(yuǎn)(全)景和近景掃描，分高溫時(shí)段和低溫時(shí)段對(duì)混凝土面板進(jìn)行熱成像。在遠(yuǎn)景掃描獲得混凝土面板溫度異常部位進(jìn)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(yuǎn)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(gè)面板混凝土紅外溫度場(chǎng)在環(huán)境溫度下的分布情況，在低溫?zé)釄D上可看到兩個(gè)較明顯熱斑H1、H2，推測(cè)該區(qū)域可能存在面板脫空混凝土熱傳導(dǎo)受阻，散熱速度較其他結(jié)合密實(shí)區(qū)域慢，從而形成局部熱斑。

圖1 大壩混凝土面板遠(yuǎn)紅外掃描全景熱圖

(2)通過(guò)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(fā)現(xiàn)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(yīng)部位自然光圖像

圖3 7#面板紅外熱成像熱斑部位及相應(yīng)部位自然光圖像

3.2 探地雷達(dá)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(dá)測(cè)線共計(jì)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(cè)對(duì)稱分布。探地雷達(dá)掃描成果分析如下所示。

(1)從9#面板R9- 1線探地雷達(dá)測(cè)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(xiàn)強(qiáng)反射界面，呈長(zhǎng)條帶狀，與紅外熱成像成果中的熱斑異常H3區(qū)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(dá)測(cè)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(xiàn)強(qiáng)反射界面，呈長(zhǎng)橢球狀，與紅外熱成像成果中的熱斑異常H4區(qū)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(shí)其他面板探地雷達(dá)測(cè)線掃描成果，出現(xiàn)電磁波強(qiáng)反射界面相應(yīng)的紅熱成像成果中也有不同程度溫度異常反應(yīng)。

圖4 9#面板紅外熱成像異常部位對(duì)應(yīng)探地雷達(dá)掃描成果及鉆孔驗(yàn)證

圖5 7#面板局部紅外熱成像異常部位對(duì)應(yīng)探地雷達(dá)局部掃描成果

3.3 綜合成果分析

通過(guò)綜合分析紅外熱成像成果和探地雷達(dá)檢測(cè)成果可得：①本次紅外熱成像檢測(cè)發(fā)現(xiàn)熱斑17處，其中有15處與探地雷達(dá)檢測(cè)面板脫空異常吻合程度較好；②脫空部位多數(shù)位于大壩面板水平橫縫EL510m以下區(qū)域，推測(cè)形成原因可能是水庫(kù)蓄水期間庫(kù)水位的變化在495～520m范圍內(nèi)有關(guān)，反復(fù)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(yán)重，分析主要與兩岸支承壩體的山體構(gòu)造差異有關(guān)；④8#面板上以及12#面板上紅外熱斑異常，在相應(yīng)的探地雷達(dá)掃描測(cè)線上未見(jiàn)明顯異常反映。由于該兩處部位在探測(cè)前剛進(jìn)行過(guò)注漿修補(bǔ)施工，分析可能與面板修補(bǔ)注漿處理后漿液凝固過(guò)程中的散熱有關(guān)。

4 結(jié)論

結(jié)合堆石壩混凝土面板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合采用紅外熱成像、探地雷達(dá)掃描等無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)混凝土面板脫空情況進(jìn)行檢測(cè)，取得了理想的檢測(cè)效果，成果滿足要求。通過(guò)鉆孔驗(yàn)證進(jìn)一步證明了采用上述技術(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

(1)采用探地雷達(dá)電磁波掃描技術(shù)對(duì)混凝土面板堆石壩全斷面掃描，穿透性強(qiáng)、成果連續(xù)性好，對(duì)面板脫空病害有較好的識(shí)別效果，在探測(cè)分辨率及探測(cè)深度上能夠滿足脫空定位要求。

(2)紅外熱成像技術(shù)掃描速度快，工作效率高，可做到全覆蓋掃描，對(duì)溫度異常反應(yīng)靈敏，工作效率較高；同時(shí)可彌補(bǔ)探地雷達(dá)線性掃描工作盲區(qū)，真正實(shí)現(xiàn)全面檢測(cè)。

(3)實(shí)際工程檢測(cè)過(guò)程中，建議先對(duì)大壩混凝土面板開(kāi)展不同環(huán)境溫度下的全方位紅外熱掃描，再針對(duì)紅外溫度異常部位重點(diǎn)開(kāi)展探地雷達(dá)掃描工作。遠(yuǎn)探測(cè)與近掃描相結(jié)合，避免測(cè)線布置的盲目性、隨機(jī)性，做到檢測(cè)工作具有針對(duì)性、有針對(duì)性，能夠提高工作效率和檢測(cè)成果可靠性。