水工混凝土構(gòu)件裂縫檢測方法及應(yīng)用

栗寶鵑，張美多，劉康和，王志豪，李 琦，李嘉欣

(1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 勘察院，天津 300222；2.黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西 太原 030022)

1 引 言

水工結(jié)構(gòu)工程缺陷是水利工程安全的重大隱患[1-3]。近年來，隨著國家對水利設(shè)施建設(shè)投資力度的逐漸增加，新建、擴建的水利水電工程也逐漸增多，這些水利水電工程的運行條件極其復(fù)雜，尤其是水工建筑物的水下部分，在長期水下運行的過程中，會出現(xiàn)不同程度的工程問題和病害險情，常見的主要有以下幾種類型：庫區(qū)淤積、閘門前淤堵，閘門銹蝕和漏水，壩體裂縫、不均勻沉降、面板周邊縫脫空、壩坡塌陷，壩體、壩基滲漏，消力池、水下邊墻、泄槽、引水渠等混凝土沖刷，隧洞混凝土襯砌裂縫、漏水、沖蝕等。

我國是世界水庫大壩最多的國家，現(xiàn)有9.8萬座水庫大壩，在這些水利工程中，水工混凝土結(jié)構(gòu)存在著各種類型的缺陷。其中裂縫是最主要、最常見的病害形式之一。以調(diào)查的32座大壩為例，裂縫和滲漏這兩類主要病害占到100 %，其次為泄洪過流建筑物的沖磨、氣蝕，占68.7 %。此外，裂縫還會引起其他病害，如滲漏溶蝕、環(huán)境水侵蝕、凍融破壞及鋼筋銹蝕等。這些不同類型、分布、尺度、規(guī)模的裂縫嚴(yán)重影響著水工結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，因此，對混凝土質(zhì)量全過程的控制和檢測是確保工程使用壽命的重要措施。

2 方法與原理

對水工混凝土構(gòu)件進(jìn)行裂縫檢測的方法主要分為三類，分別為人工探視法、破損檢測法和無損檢測法[3,4]。裂縫寬度檢測儀法屬于人工探視法的一種，該方法可自動采集裂縫圖像，并對裂縫寬度進(jìn)行判讀，具有簡單直觀、容易操作的優(yōu)點，不足之處是僅能對混凝土構(gòu)件表觀的裂縫進(jìn)行檢測，對構(gòu)件內(nèi)部的裂縫沒有效果；鉆孔錄像和鉆芯取樣法均屬于破損檢測方法，該方法的優(yōu)點是可以直接檢測到裂縫的寬度、深度、方向等參數(shù)，不足之處是成本高、對混凝土構(gòu)件具有破壞性，且“一孔之見”難以實現(xiàn)對內(nèi)部裂縫的大范圍平面檢測；超聲波法、雷達(dá)波法、紅外熱像法等均屬于無損檢測法，優(yōu)點是不破壞水工混凝土構(gòu)件的原有結(jié)構(gòu)，不足之處是只能進(jìn)行定性檢測，無法對裂縫長度實現(xiàn)定量測量。

2.1 技術(shù)路線

本研究以無損檢測方法為主，輔以破損檢測法和人工探視法。其中，鑒于紅外熱像法中的外加熱源對混凝土構(gòu)件溫度場的影響作用，主要采用超聲波法和雷達(dá)波法。在從“定性”到“定量”的一體化檢測思路指導(dǎo)下，具體實施過程分為四部分(詳見圖1，技術(shù)流程)：在普探階段，采用探地雷達(dá)法探測裂縫的總體分布；在詳查階段，采用超聲橫波反射三維成像的方法，詳查裂縫的縱深向分布；在判定階段，分別采用裂縫測寬法和表面聲波法來判定裂縫的表面寬度和貫穿深度；在驗證階段，采用鉆孔電視來驗證探測結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。

圖1 技術(shù)流程

2.2 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)是一種基于電磁波傳播理論的物探方法，利用電磁波理論對水工混凝土構(gòu)件進(jìn)行裂縫檢測，其理論基礎(chǔ)是當(dāng)電磁波遇到電性(介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率)差異的界面時，其傳播路徑、電磁場強度及波形等將因界面的電性差異而產(chǎn)生變化[5-11]。根據(jù)電磁波反射原理可知：當(dāng)混凝土均勻、質(zhì)量較好時，只在混凝土襯砌界面與圍巖界面形成反射波；當(dāng)混凝土與圍巖之間存在裂縫時，因脫空縫中多以空氣或水充填，則會產(chǎn)生較大的波阻抗差異，形成強反射現(xiàn)象(圖2a)。

利用探地雷達(dá)對混凝土構(gòu)件進(jìn)行裂縫檢測，具體的原理如下圖2(b)所示。首先，通過發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射電磁波；然后，接收天線接收并記錄來自地下的電磁波信號；最終，通過數(shù)據(jù)處理，結(jié)合工程地質(zhì)情況，實現(xiàn)對地下介質(zhì)的推斷和解釋。在上述過程中，電磁波的傳播特性由電導(dǎo)率σ和介電常數(shù)∈決定，其中，電導(dǎo)率主要決定電磁波的探測深度；在電導(dǎo)率適中的情況下，介電常數(shù)主要決定電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，因此，在不同電性的分界面上都會產(chǎn)生回波，并以旅行時間的形式來表示，具體如下：

圖2 探地雷達(dá)測試原理示意圖

(1)

式(1)中，h為裂縫深度(m)，x為發(fā)射天線和接收天線之間的距離(m)；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度(m/ns)。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度如下：

(2)

式(2)中，c為電磁波在真空的傳播速度(0.3 m/ns)；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ur為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。

探地雷達(dá)檢測混凝土裂縫具有速度快、穿透能力強、無需耦合劑等特點，可確定裂縫缺陷的形狀和方向，不足之處是對混凝土裂縫的識別需要借助探地雷達(dá)圖像來進(jìn)行，因此，對檢測人員的水平要求較高。除此之外，該方法適用于大尺度混凝土裂縫的監(jiān)測，對局部小尺寸裂縫的識別存在困難。

2.3 超聲橫波反射三維成像法

超聲波是頻率大于20 kHz、以波動形式在彈性介質(zhì)中傳播的機械波[12-15]。超聲波法主要是使用超聲波探頭測量超聲波脈沖在混凝土中的傳播速度、首波幅度和接收信號的主頻率等聲學(xué)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)及其相對變化，來判斷混凝土裂縫的深度情況[16-19]。超聲波法的探測方式有三種，即單面平測法、雙面斜測法和鉆孔對測法，其中，單面平測法適用于混凝土構(gòu)件只有一個可測表面且裂縫預(yù)估深度不大于被測構(gòu)件厚度一半的情況。

超聲橫波反射法有三個主要特點：①其基本原理是采用橫波反射，即超聲橫波質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致，也就是平行于混凝土表面，與超聲縱波相比，其反射系數(shù)和反射波幅更大，因此，對混凝土內(nèi)部脫空、裂縫等缺陷的反應(yīng)也更敏感；②陣列式干耦合換能器，傳統(tǒng)探測換能器為“一發(fā)一收”，超聲橫波反射的換能器則為單發(fā)多收，以4×12點陣列換能器為例，換能器控制單元將第一列換能器用作發(fā)射，其余列的換能器用作接收，重復(fù)進(jìn)行，直到前11列都作過發(fā)射器為止，可形成21(2n-3)條有效孔徑掃查線(圖3)；③采用陣列合成孔徑原理，即通過采用合成孔徑聚焦算法，對同一點的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行時延和疊加處理，由此得到高信噪比、高分辨率的圖像。

圖3 4 × 12 點陣列換能器超聲橫波反射波束路徑示意圖

如水工混凝土構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷，一部分應(yīng)力脈沖在缺陷位置會提前發(fā)生反射，缺陷部位的反射信號就會經(jīng)過構(gòu)件底部到達(dá)接收端，因此射線路徑更短(圖4)。信號處理軟件根據(jù)換能器接收到的反射脈沖的到達(dá)時間，來推斷構(gòu)件內(nèi)部缺陷的位置。

圖4 混凝土缺陷射線路徑傳播示意圖

超聲橫波反射三維成像法的優(yōu)點與其特性密切相關(guān)：①超聲橫波避免了超聲縱波在混凝土中的散射問題，提高了探測精度；②干耦合技術(shù)提高了工作效率，陣列式換能器提高了數(shù)據(jù)的采集量；③合成孔徑技術(shù)不僅提高了數(shù)據(jù)精度，還提高了圖像質(zhì)量。該技術(shù)實現(xiàn)了對地下目標(biāo)高精度、高信噪比、高分辨率、高效率的采集與成像。

2.4 表面聲波法

表面聲波法屬于聲波穿透測試法的一種[8]，聲波穿透法是采用脈沖波在混凝土中進(jìn)行傳播，通過測試聲波在混凝土中的波速、首波振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對變化來判斷混凝土的缺陷及位置。其中，聲波波速是反映混凝土完整性和混凝土強度的重要參數(shù)，聲波波幅反映了聲波在混凝土中的衰減程度，聲波頻率也是判斷微小缺陷的一個重要參考量。表面聲波法的檢測原理[20-22](圖5)：當(dāng)無裂隙時，波直接從發(fā)射換能器傳播到接收換能器，此時測出的是混凝土的波速；如有裂隙，則波的傳播路徑要繞過裂隙進(jìn)行傳播，傳播時間變長，根據(jù)三角關(guān)系可計算出裂隙的深度。

圖5 超聲平測法探測原理

根據(jù)裂縫深度與被測構(gòu)件厚度的關(guān)系以及可測試表面的情況，聲波穿透法的測試方式可分為三種，分別為：單面平測法、雙面斜測法和鉆孔對測法。以單面平測法為例，根據(jù)測試目的可分為跨縫測試和背景測試，根據(jù)測試目的的不同，其測線布置方式分為跨縫和不跨縫兩種。其中，跨縫測試時應(yīng)將發(fā)射和接收換能器對稱分布在裂縫的兩側(cè)，主要是測試裂縫的深度；不跨縫測試又稱為背景測試，在測試時應(yīng)將發(fā)射和接收換能器均放置在裂縫同一側(cè)，然后根據(jù)設(shè)置將兩個換能器等間距向兩側(cè)移動，主要是為跨縫測試提供不同深度的背景值。因此，為便于比較，跨縫測試與背景測試的孔間距應(yīng)相同或相近。

2.5 其他技術(shù)方法

在上述技術(shù)路線實施的過程中，還采用了裂縫測寬法和鉆孔電視法[8]。裂縫測寬法主要通過顯微傳感器采集視頻圖像來識別裂縫輪廓和讀取裂縫表面的寬度。鉆孔電視法主要通過鉆孔孔壁的影像資料來對井壁結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育程度等表觀現(xiàn)象進(jìn)行解讀。

綜上所述，采用多種方法的綜合技術(shù)路線克服了單一物探方法的限制，可實現(xiàn)對水工混凝土構(gòu)件中裂縫的系統(tǒng)檢測。

3 案例分析

本研究實例為某水利樞紐水輪機層地面混凝土裂縫檢測。根據(jù)數(shù)據(jù)資料記錄，該處自2012年開始出現(xiàn)裂縫并存在滲水問題，在每年11月下旬至次年3月之間滲水問題嚴(yán)重且存在帶壓現(xiàn)象。經(jīng)多次灌漿和鑿溝導(dǎo)排處理之后，混凝土地面灌漿嘴錯綜密集、排水管縱橫交錯，但問題仍未得到很好地解決。目前該區(qū)地面仍存在十余處裂縫。為保證工程質(zhì)量及運行安全，亟待對該處的水工混凝土構(gòu)件進(jìn)行裂縫檢測。

選用探地雷達(dá)法進(jìn)行普查。首先要進(jìn)行測線選取，這里選擇的是一條貫穿18#、19#裂縫的順壩軸線方向的測線，測線長度6.9 m。根據(jù)圖像解譯結(jié)果(圖6)可知，在探測范圍內(nèi)，測線位置為0.9～5.4 m、埋深在0.18 m以下的黑色多變性虛線框中表現(xiàn)為同相軸不連續(xù)且反射雜亂的特征，推測為混凝土構(gòu)件內(nèi)部填充不密實的區(qū)域，該區(qū)域黃色虛線處分布有兩處反射波組異常錯斷的區(qū)域，其中，18#裂縫異常延伸約為50 cm，19#裂縫異常延伸約為40 cm。

圖6 某測線探地雷達(dá)探測成果

在普查的基礎(chǔ)之上，選擇18#裂縫進(jìn)行詳探，本實施案例采用A1040 MIRA型低頻超聲波斷層掃描儀進(jìn)行超聲橫波反射三維成像檢測。在檢測過程中，采樣選取Mapping模式，采樣頻率為50 kHz，網(wǎng)格間距選取0.1 m。鑒于18#裂縫延伸較長，在該條裂縫上選取兩塊區(qū)域進(jìn)行超聲橫波三維反射成像，其測區(qū)范圍均覆蓋18#裂縫。其中，測區(qū)1網(wǎng)格大小0.9 m×0.9 m，成圖區(qū)域1.3 m×0.9 m，測試成果如圖7(a)所示，根據(jù)超聲橫波反射XZ剖面圖像推測，18#裂縫縱向延伸約50 cm；測區(qū)2網(wǎng)格大小0.8 m×0.8 m，成圖區(qū)域1.2 m×0.8 m，測試成果如圖7(b)所示，根據(jù)XZ剖面圖像：推測18#裂縫延伸約55 cm。

圖7 超聲橫波反射三維成像成果

采用裂縫測寬法測量裂縫寬度時，為確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先要對裂縫進(jìn)行“吸塵”處理，確保浮土不會填充縫隙。在18#裂縫中分別選取兩端和中間三個典型位置進(jìn)行測量，裂縫寬度分別為0.14 mm、0.16 mm和0.26 mm，平均縫寬為0.19 mm，由此，對18#裂縫的寬度有了直觀認(rèn)識。

在寬度檢測之后，再對裂縫進(jìn)行深度檢測，主要采取的是表面聲波法。從混凝土構(gòu)件中選取沒有灌漿的裂縫，采用表面聲波法進(jìn)行檢測。以18#裂縫為例，首先，順縫測量時，根據(jù)換能器內(nèi)邊緣距離L′與聲時t之間的關(guān)系進(jìn)行時距曲線擬合(圖8)，可得聲速值為3.918 km/s，作為超聲波在混凝土中的傳播速度；然后，根據(jù)跨縫測量所得各點距離與時間，結(jié)合超聲波在混凝土中的傳播速度，計算得出裂縫深度值為36.1 cm。

圖8 順縫測量時距擬合曲線

借助18#裂縫附近鉆孔取芯的位置，采用鉆孔電視法獲取電視影像(圖9)。通過影像解讀可知：在0.61 m左右的位置，存在一條近水平裂縫，初步推斷為18#裂縫的分支裂縫，此外，在1.0～1.2 m的位置，為混凝土不密實的區(qū)域。

圖9 位于18#附近鉆孔電視影像

4 問題與討論

通過采用不同方法對18#裂縫的表面寬度及縱向深度進(jìn)行檢測并對結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：

1)采用綜合物探方法只能對混凝土裂縫的存在進(jìn)行定性判斷，在目前的儀器設(shè)備和技術(shù)條件下，定量檢測存在困難。

2)鑒于水工混凝土構(gòu)件的安全特殊性，有時難以在裂縫位置進(jìn)行以鉆孔電視為主的破損檢測，只能借助周邊鉆孔電視圖像進(jìn)行輔助判斷。

3)表面聲波法計算的裂縫深度與其他方法推斷的結(jié)果存在較大誤差，經(jīng)分析初步推斷原因為地面存在“雨點狀”凹坑，由此導(dǎo)致?lián)Q能器與地面耦合程度變差，能量分散所致。

對上述結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)裂縫異常與混凝土填充不密實區(qū)同時存在，且對這些裂縫進(jìn)行灌漿填充之后效果不明顯，根據(jù)已有資料可知，混凝土中有鋼筋分布，據(jù)此，對裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，可能有以下幾種：

1)混凝土填充不密實是導(dǎo)致裂縫的主要原因。對水工混凝土構(gòu)件來說，混凝土填充不密實容易導(dǎo)致水的滲入，由此產(chǎn)生滲透壓力而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，從而加大水的滲入，而產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。

2)鋼筋銹蝕作用與鋼筋混凝土裂縫的形成互為因果。填充不密實為鋼筋混凝土構(gòu)件中水的產(chǎn)生和作用提供前提條件，從而為鋼筋銹蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生提供了誘因。水工混凝土構(gòu)件可因鋼筋銹蝕作用而產(chǎn)生銹蝕裂縫，同時，水工混凝土構(gòu)件也可因裂縫的產(chǎn)生而加重銹蝕作用。

5 結(jié) 論

采用綜合物探方法對水工混凝土裂縫進(jìn)行檢測，并以18#裂縫為例進(jìn)行分析說明，得出以下結(jié)論：

1)以“普探—詳查—判定—驗證”為基本思路的水工混凝裂縫檢測方法，可系統(tǒng)地實現(xiàn)對裂縫從“定性”到“定量”檢測的轉(zhuǎn)換，但裂縫檢測的準(zhǔn)確度還有待于提高，裂縫檢測的技術(shù)方法和流程有待于進(jìn)一步完善。

2)18#裂縫雖然不是貫穿縫，但裂縫周圍存在擴展的分支裂縫，兼之裂縫周圍存在混凝土不密實的區(qū)域，這些綜合因素是水工混凝土地面產(chǎn)生滲透的原因。