基于耦合分析的水利工程混凝土滲漏監(jiān)測方法

陳濟釗

(廣寧縣水利水電工程質量監(jiān)督站，廣東 廣寧 526300)

0 引 言

水資源是人類賴以生存與發(fā)展的基礎能源，為更好地利用水資源，水利工程的修建一直是國家重點關注的民生工程之一[1]。在現(xiàn)代水利工程建設中，一般都是以混凝土加鋼筋的結構組成，而混凝土在設計、施工、運營過程中不可避免地會受到外界環(huán)境、操作技術以及材料質量的影響，可能存在裂縫、孔洞等現(xiàn)象，隨著強大的水壓，而出現(xiàn)混凝土滲漏問題?；炷烈坏┏霈F(xiàn)滲漏，水利工程的穩(wěn)定性和安全性就會快速降低，嚴重威脅人們的生命財產(chǎn)安全[2]。在此背景下，更好地對水利工程問題進行預測預報，提高水利工程建設質量以及水利工程混凝土滲漏監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。

對于水利工程混凝土滲漏監(jiān)測方法的研究有很多，如丁凱對地質雷達用于防滲墻工程質量檢測的方法進行了研究并應用；楊建中等進行了低應變反射波法基樁完整性檢測的應用研究；肖康等將物探法應用在漢江蜀河水電站進行圍堰滲漏部位探測，成功判斷出主要滲漏部位。以上方法雖然都能得出一定的結論，但是由于混凝土滲漏檢測試驗都是在常規(guī)試驗條件下進行的，沒有或是僅考慮到一種物理場對混凝土滲漏的影響，導致監(jiān)測結果與實際環(huán)境下水利工程混凝土滲漏結果存在較大誤差。

針對上述問題，本文基于耦合分析進行水利工程混凝土滲漏監(jiān)測方法研究。該研究首先建立混凝土樣本，分析實際環(huán)境下所遭受到的物理場并進行耦合，作用到混凝土樣本上，然后在混凝土樣本上布設監(jiān)測設備，最后結合Matlab軟件，得出混凝土樣本滲漏發(fā)展態(tài)勢曲線，分析耦合條件下，混凝土樣本的滲漏情況。結果表明，本文耦合分析下監(jiān)測出來的滲漏結果與實際結果更為接近，由此可知本文耦合分析很好地模擬了現(xiàn)實環(huán)境中水利工程混凝土所遭受的物理場，解決了以往水利工程混凝土滲漏監(jiān)測“考慮不周”的問題，為研究工程混凝土的滲透破壞奠定基礎。

1 多種物理場耦合作用下水利工程混凝土滲漏監(jiān)測研究

混凝土是水利工程建造的主要材料，具有良好的可可塑性、耐久性，且價格較低，原材料豐富。但是混凝土受到外界環(huán)境、操作技術以及材料質量等的影響，容易產(chǎn)生裂縫、孔洞，因此滲漏是水利工程混凝土易發(fā)病害之一[3]。滲漏的混凝土會逐漸破壞其結構，造成結構松散，導致整體失去效用，因此為保證混凝土結構的穩(wěn)定性和安全性，預測其使用壽命，以便及時進行修復，在水利工程混凝土正式建造前進行滲漏監(jiān)測研究是必要的。

1.1 混凝土樣本

首先按照施工要求，配比混凝土。本次制作混凝土樣本原料和配比情況見表1。

表1 混凝土樣本原料和配比情況

按照表1中配比混合制成混凝土漿，采用木模澆筑成型，形成尺寸為80 cm×30 cm×30 cm的長方體混凝土塊，將其放置在(20±5)℃室溫下約 24 h 后拆模，隨即放入養(yǎng)護室進行標準養(yǎng)護 28 d溫度為(20±2)℃，濕度為 95%以上[4]。

本次制成的混凝土樣本有3組：第1組混凝土樣本無損傷，作為參考系；第2組混凝土樣本表面有人造孔洞，孔洞直徑為1 cm，深度為3 cm；第3組混凝土樣本有人造裂縫，裂縫寬度為0.5 mm，深度2 cm。樣本圖見圖1。

圖1 混凝土樣本示意圖

1.2 多物理場耦合作用

耦合分析是指在進行目標物體的某種性能或性質變化情況分析時考慮到的兩種或兩種以上物理場產(chǎn)生的交叉作用[5]。為準確分析出混凝土滲漏情況，對水利工程混凝土遭遇的物理場進行分析，然后利用相關工具進行模擬物理場對混凝土樣本施加作用。

通常混凝土所受的環(huán)境作用包括力學、化學、物理作用等，尤其對于海工混凝土而言，所處環(huán)境就更為復雜：①水利工程上的混凝土必然會持續(xù)來自水體的荷載作用力，而持續(xù)的荷載會導致混凝土產(chǎn)生裂縫并擴展，使得水滲透到縫隙中，產(chǎn)生滲漏；②水中尤其是海水中，會含有可溶性鹽和硫酸鹽，會對混凝土產(chǎn)生一定的腐蝕作用，且有可能擴大空洞規(guī)模，滲漏更為嚴重；③水波運動會對混凝土造成干濕循環(huán)交替的作用，而這種干濕循環(huán)交替會加速對混凝土的破壞作用，使得滲漏加劇[6]?？偠灾?，本文的多物理場耦合作用包括3種，即荷載、干濕交替、鹽溶液。根據(jù)上述描述，構建一個耦合物理場。

構建一個耦合物理場需要用到的荷載加載裝置、烘箱以及硫酸鈉溶液。具體構建過程如下：

1) 腐蝕物理場采用質量分數(shù)為5%的硫酸鈉溶液來構建。

2) 干濕交替物理場構建方法如下：首先將3組混凝土樣本放入烘箱中，設置烘烤溫度為60℃，烘烤時間為45 h，然后取出，室溫放置3 h，再放入硫酸鈉溶液中浸泡24 h，取出后室溫風干3 h。以上操作流程循環(huán)3次[7]。

3) 荷載物理場構建方法如下：采用四點彎曲彈簧加載裝置對干濕交替后的3組混凝土樣本進行長期恒定加載。荷載加載標準為40%的彎曲荷載率。

注：混凝土樣本進行耦合作用前，需要利用環(huán)氧樹脂對成型面和兩個端面進行密封處理。

1.3 檢測與布置

針對多物理場耦合作用下的3組混凝土樣本的滲透情況進行監(jiān)測。監(jiān)測點布置情況見圖2。

圖2 監(jiān)測點布置情況

將混凝土樣本1和樣本3放入裝有硫酸鈉溶液池內(nèi)，水深超過樣本高度；將水注入混凝土樣本2的孔洞，并保證孔內(nèi)一直充滿水[8]。在上述狀態(tài)下均保持10 h，期間每隔30 min采集數(shù)據(jù)一次。

混凝土樣本滲透情況監(jiān)測主要用到兩種工具：①探地雷達；②微波濕度儀。示意圖見圖3和圖4。

圖3 探地雷達原理示意圖

圖4 微波濕度儀原理示意圖

1.3.1 探地雷達

探地雷達可以應用于混凝土結構無損檢測、建筑結構探傷、橋梁隧道檢測、襯砌厚度及內(nèi)部缺陷檢測、路基病害檢測，路面及機場跑道厚度檢測及分層分析、路面下管線等埋設物探測、地質勘查、考古等行業(yè)領域。在本文中，探地雷達主要用于對混凝土樣本進行整體掃描，判定滲漏部位，也就是損傷部位[9]。

探地雷達首先將發(fā)射天線緊貼在物體表面，然后發(fā)射高頻電磁波，當高頻電磁波在物體中傳播時，一旦遇到存在電性差異的界面時，會產(chǎn)生反射回波信號，通過接收天線采集這些反射信號并數(shù)字化，最后根據(jù)這些反射信號推斷地下介質的空間位置、結構、形態(tài)和埋藏深度等狀態(tài)信息[10]。

在混凝土滲漏監(jiān)測中，滲透水流使?jié)B漏部位或浸潤線以下介質的相對介電常數(shù)增大,與未發(fā)生滲漏部位介質的相對介質常數(shù)有較大的差異,在雷達剖面圖上產(chǎn)生反射頻率較低、反射振幅較大的特征影像，以此可推斷發(fā)生滲漏的空間位置、范圍和埋藏深度[11]。

1.3.2 微波濕度儀

由于探地雷達只能檢測出混凝土滲漏發(fā)生的空間位置、范圍和埋藏深度等，但是無法對滲漏程度進行準確判斷，因此需要微波濕度儀進行進一步探測。微波濕度儀是一個利用微波穿透物料的濕度檢測設備，其原理與探地雷達相類似，它是通過發(fā)射微波，然后采集反射后的微波信號，最后通過分析反射波的電磁參數(shù)，實現(xiàn)滲漏程度判斷[12]。總而言之，使用微波傳感器,測量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號的相移與衰減量，就可以換算出物體的含水量。

2 滲漏監(jiān)測結果分析

根據(jù)上述監(jiān)測結果，結合Matlab軟件，得出混凝土樣本滲漏規(guī)律，進行多種物理場耦合作用下水利工程混凝土滲漏情況分析。

2.1 第1組無損傷混凝土樣本

見表2和圖5。

表2 無損傷混凝土樣本滲透情況

圖5 無損傷混凝土樣本含水量變化趨勢

1) 由表2可知，隨著時間增長的延長，無損傷混凝土樣本滲透深度不斷加深，但是加深程度最終也僅達到1.326 0 cm，對整體混凝土結構影響程度并不大。

2) 由圖5中的A線趨勢可知，水在無損傷混凝土樣本中的滲漏比較平均，基本處在一個水平線上。

3) 由圖5中的B線變化趨勢可知，隨著深度(混凝土樣本高度)的增加，混凝土含水量越少，也就是越接近水面，含水量越大?？偠灾?，不存在損傷的混凝土滲漏情況不會影響整體結構的性能和狀態(tài)，與其說是“滲漏”，不如說是“滲透”[13]。

2.2 第2組表面有孔洞混凝土樣本

見表3和圖6。

表3 孔洞混凝土樣本滲透情況

續(xù)表3

圖6 孔洞混凝土樣本含水量變化趨勢

1) 由表3可知，隨著時間增長的延長，滲透深度不斷加深，且與表2中的滲透深度相比數(shù)值更大，且深度增長速度也更快，造成上述情況的主要原因是空洞的存在。

2) 由圖6(a)中的A線趨勢可知，混凝土樣本滲漏以孔洞為中心逐漸向四周擴散，且擴散狀態(tài)為水量逐漸衰減，最終滲透直徑達到1.093 2。

3) 由圖6(b)中的B線變化趨勢可知，以孔洞最終深度為起點，隨著深度(混凝土樣本高度)的增加，混凝土含水量越少，最終在600 min后，混凝土含水量停留在0.66%數(shù)值上[14]。總而言之，孔洞的存在會加速混凝土滲漏情況。

2.3 第3組有人造裂縫混凝土樣本

見表4和圖7。

表4 裂縫混凝土樣本滲透情況

圖7 裂縫混凝土樣本含水量變化趨勢

1) 由表4可知，隨著時間增長的延長，滲透深度不斷加深，在240 min后水已經(jīng)填滿整個縫隙，之后開始沿著縫隙逐漸滲透，但速度較慢。

2) 由圖7(a)中的A線趨勢可知，混凝土樣本滲漏以裂縫處為中心以逐漸衰減的態(tài)勢向四周擴散，但擴散直徑基本控制在0.6 cm以內(nèi)。

3) 由圖7(b)中的B線變化趨勢可知，滲透在240 min之間，速度最快。因為在這一時間段內(nèi)，水主要流往裂縫當中，之后速度減慢，但仍沿著縫隙向下延伸，含水量逐漸減少。

總而言之，在多物理場耦合作用下，混凝土已經(jīng)出現(xiàn)孔洞、裂縫等問題，而這一問題會加劇滲漏速度和滲漏程度。因此，在混凝土防治中，應該注意對孔洞、裂縫等問題的處理。而且一旦發(fā)生孔洞、裂縫等問題，需要在有效的時間內(nèi)，及時進行控制和處理[15]。

3 結 語

綜上所述，為更好地調(diào)配水資源，提高水資源利用率，水利工程的修建必不可少。在水利工程修建中，混凝土設施的建造是最常見的?；炷羶r格低廉，耐久性好，但是受到多物理場的耦合作用，也易發(fā)生滲漏現(xiàn)象。在此背景下，為更好地防治混凝土滲漏，探測其滲漏規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義。為此，本文進行了基于耦合分析的水利工程混凝土滲漏監(jiān)測方法研究。通過研究，分析了600 min內(nèi)混凝土在3種工況下的滲漏情況，取得了階段性成果，為水利工程問題的預測預報以及安全運行提供科學依據(jù)。