重大水工混凝土結(jié)構(gòu)隱患檢測(cè)與健康診斷研究

王明剛

（林同棪國(guó)際工程咨詢（中國(guó)）有限公司，重慶市 401121）

0 引 言

重大水工混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由大壩、溢洪道和地下結(jié)構(gòu)等組成，使用期限通常長(zhǎng)達(dá)幾十年乃至上百年。在我國(guó)，為充分利用水資源，已建成十幾萬(wàn)座大壩、水閘和大堤。它們是非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。但相關(guān)調(diào)查顯示，有三萬(wàn)多個(gè)項(xiàng)目狀況不佳。這些項(xiàng)目嚴(yán)重威脅下游河道地區(qū)人員和財(cái)產(chǎn)的安全。預(yù)計(jì)未來(lái)將有大量的舊水壩需要加固。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)水利部門對(duì)水利電力項(xiàng)目進(jìn)行了檢查。在這些檢查中[1，2]，發(fā)現(xiàn)了很多問題，如防洪標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量差，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，管理不善等。1960-1980年期間修建的水利工程缺陷尤為嚴(yán)重。水工混凝土結(jié)構(gòu)（包括混凝土壩，以及混凝土在水電站大壩、水工混凝土建筑中所采用的防滲系統(tǒng)）存在的主要問題有裂縫，滲流和侵蝕，熱疲勞，碳化等[3]。

針對(duì)上述問題，以裂縫、滲流和侵蝕、凍融、主要水工混凝土結(jié)構(gòu)碳化為重點(diǎn)，以建立的主要水工混凝土結(jié)構(gòu)智能系統(tǒng)為核心，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)理論與方法檢測(cè)，原位監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，理論和數(shù)值分析，深入研究了隱性缺陷，老化機(jī)理，健康診斷等方面的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，為科學(xué)研究提供了科學(xué)依據(jù)[4-6]。上述研究結(jié)果具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。本文總結(jié)了這些最新成果。

1 水工混凝土結(jié)構(gòu)智能化系統(tǒng)

混凝土結(jié)構(gòu)智能系統(tǒng)，它有一個(gè)人工大腦，一個(gè)可以感知的神經(jīng)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)內(nèi)部行為和外部環(huán)境，以及執(zhí)行結(jié)構(gòu)的主體反應(yīng)。該系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）神經(jīng)系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要包括高度自適應(yīng)的傳感器系統(tǒng)。用于檢測(cè)水工建筑物和地基的實(shí)時(shí)特征信息。

（2）腦系統(tǒng)：利用現(xiàn)代神經(jīng)理論、數(shù)學(xué)、力學(xué)、人工智能等理論，從神經(jīng)系統(tǒng)的信息中提取能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)行為的信息，然后對(duì)主要水工混凝土結(jié)構(gòu)的時(shí)變進(jìn)行評(píng)估。

（3）人體系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要用于執(zhí)行腦給的順序，特別是預(yù)警信息、控制環(huán)境變量（例如水位、抬升壓力等），使水工混凝土結(jié)構(gòu)在安全狀態(tài)下運(yùn)行。

其中，美國(guó)貝爾電話公司的A.D.Hall（1969）提出了系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)圖。將三維結(jié)構(gòu)圖引入預(yù)警系統(tǒng)的物理模型架構(gòu)中，得到如圖1所示的預(yù)警系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖[7]。

根據(jù)邏輯維，并考慮重大水工混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷的需要，將預(yù)警系統(tǒng)概化為數(shù)據(jù)融合、警源分析、警兆辨識(shí)、警情分析和警情發(fā)布等五個(gè)子系統(tǒng)，如圖2所示。

2 水工混凝土結(jié)構(gòu)的老化機(jī)理

圖1 預(yù)警系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

水工混凝土結(jié)構(gòu)老化問題的實(shí)質(zhì)是耐久性問題。其原因可分為物理作用和化學(xué)作用。針對(duì)上述問題，對(duì)裂縫的破壞機(jī)理、滲漏、沖刷、凍融、熱疲勞、碳化等進(jìn)行了研究。并對(duì)這些因素的聯(lián)合破壞機(jī)理亦進(jìn)行了研究。研究結(jié)果為隱性缺陷的物理原因分析和健康診斷提供了科學(xué)依據(jù)。

2.1 凍融條件下水工混凝土的結(jié)構(gòu)

研究在凍融作用下水泥基材料的力學(xué)性能和宏觀破壞特征的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以下機(jī)理：凍融破壞過程是損傷從表面向內(nèi)部發(fā)展的過程。凍融過程中混凝土的孔隙率，特別是直徑大于50 nm的毛細(xì)管體積增加了很多。因此，在快速凍融條件下，水泥漿體的破壞比緩慢凍融條件更容易發(fā)生。

2.2 混凝土碳化過程的機(jī)理分析及對(duì)結(jié)構(gòu)影響

通過對(duì)許多試件進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥在混凝土中碳化會(huì)降低砂漿或混凝土的滲透性現(xiàn)象的機(jī)理。其機(jī)制是應(yīng)力區(qū)域中Ca（OH）2的減少,導(dǎo)致毛細(xì)管中碳酸鈣的形成。有效物質(zhì)的減少導(dǎo)致水泥漿體的收縮。收縮的限制導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，從而降低了混凝土的不透水能力。

2.3 水工混凝土的組合老化機(jī)理

通過研究幾種因素組合對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)果表明：混凝土凍融過程的碳化與混凝土的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，碳化可以在一定程度上提高混凝土的抗凍性能。其機(jī)理是凍融過程增加了水泥漿體的孔隙率，促進(jìn)了微裂紋的出現(xiàn)，加速了二氧化碳向混凝土中的擴(kuò)散。

3 水工混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷理論方法

水工混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷理論與方法的建立，主要有隱性缺陷檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、老化機(jī)制、時(shí)變分析的融合與融合結(jié)構(gòu)；各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的時(shí)變分析模型、綜合分析方法和物理成因分析模型；建立健康診斷綜合分析理論與方法；實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)腦系統(tǒng)的健康診斷。

3.1 融合和融合結(jié)構(gòu)健康診斷的理論和體系

綜合考慮主要水工混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)及其作為工程系統(tǒng)的環(huán)境，通過綜合融合上述研究成果，并應(yīng)用系統(tǒng)工程理論和方法，提出并建立健康診斷系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 主要水工混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷系統(tǒng)圖

3.2 各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目健康診斷的因果分析模型

監(jiān)測(cè)模型通常用于定量評(píng)估主要水工混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況。然而，由于影響健康的因素非常復(fù)雜，主要水工混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況不可能定量診斷。針對(duì)上述問題，建立了基于整體概念的因果分析模型，遺傳模擬退火算法，偏最小二乘法等。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，老化機(jī)理和時(shí)變分析的融合，建立了基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)權(quán)重線性組合模型和非線性組合模型。

3.3 健康診斷的綜合分析

考慮到主要的水工混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)及其周圍環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，健康診斷是一個(gè)多指標(biāo)，多層次的遞歸過程。借助系統(tǒng)工程觀點(diǎn)和可拓理論，在菱形思維模式和物質(zhì)要素?cái)U(kuò)展的基礎(chǔ)上，建立了主要水工混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷的多指標(biāo)多層次體系。

鑒于水工混凝土結(jié)構(gòu)在材料和結(jié)構(gòu)，以及各種荷載的復(fù)雜性，除了前述存在問題以外，可以認(rèn)為水工結(jié)構(gòu)的健康診斷系統(tǒng)還將從下述幾方面發(fā)展：

（1）由非實(shí)時(shí)診斷發(fā)展到實(shí)時(shí)診斷：

（2）由單一缺陷、損傷的診斷到全系統(tǒng)綜合診斷，尤其是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)聯(lián)合損傷診斷；

（3）由單一推理的安全評(píng)估到混合推理的安全評(píng)估：

（4）由單一問題（如裂縫）的災(zāi)害控制策略到混合問題（如裂縫、滲漏、老化等）的災(zāi)害控制策略。

4 結(jié) 論

重大混凝土結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和健康診斷對(duì)保證大型結(jié)構(gòu)的安全使用，保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。目前該研究還沒有形成完整、實(shí)用的理論和技術(shù)，還有許多問題等待解決。

針對(duì)裂縫，滲漏，侵蝕，凍融，溫度疲勞，碳化等主要水工混凝土結(jié)構(gòu)的主要科學(xué)技術(shù)問題，深入研究了隱患缺陷檢測(cè)與健康診斷的分析理論、方法與技術(shù)，在本文中，可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）以仿生學(xué)為基礎(chǔ)，將材料科學(xué)，控制論，人工智能，計(jì)算機(jī)科學(xué)融入智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，提出并建立了一個(gè)能夠感知內(nèi)部性能的神經(jīng)系統(tǒng)，腦系統(tǒng)和體系的主要水工混凝土結(jié)構(gòu)智能系統(tǒng)和外部環(huán)境。

（2）通過集成檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、老化機(jī)理、設(shè)計(jì)和施工復(fù)查等，建立健康等級(jí)體系和標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)地建立了主要水工混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷理論體系。

（3）目前該研究還沒有形成完整、實(shí)用的理論和技術(shù)，還有許多問題等待解決。在未來(lái)，一條有效的研究途徑就是利用模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)改進(jìn)和驗(yàn)證理論模型；另外一條有效方法就是采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)結(jié)果建立靜動(dòng)聯(lián)合模型，通過不斷的實(shí)踐，解決一系列問題。