水工混凝土構件裂縫檢測方法及應用

趙建旻

（商丘市引黃灌區管理處，河南 商丘 476000）

在水利工程建設過程中，混凝土是基礎的建筑施工材料，但是在混凝土實際施工運用中，會經常出現裂縫的問題，但是此種問題并不能完全不能控制。要想使混凝土的質量達到施工標準，就要采取材料質量控制以及科學合理的施工管理制度等多項手段。在水利工程施工中，一旦混凝土出現裂縫，就要運用合適的加固方法，在最大程度上保證其結構安全性，這樣一來，在保證混凝土施質量的同時，也能使水利工程的施工質量達到預計標準。對水工混凝土構件進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。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，并對裂縫寬度進行判讀，具有簡單直觀、容易操作的優點，不足之處是僅能對混凝土構件表觀的裂縫進行檢測，對構件內部的裂縫沒有效果;鉆孔錄像和鉆芯取樣法均屬于破損檢測方法，該方法的優點是可以直接檢測到裂縫的寬度、深度、方向等參數，不足之處是成本高、對混凝土構件具有破壞性，且“一孔之見”難以實現對內部裂縫的大范圍平面檢測;超聲波法、雷達波法、紅外熱像法等均屬于無損檢測法，優點是不破壞水工混凝土構件的原有結構，不足之處是只能進行定性檢測，無法對裂縫長度實現定量測量。

一、水利工程混凝土產生裂縫的原因

關于水利工程的建設，需要使用大量的混凝土，而混凝土由水泥、集料、外加劑、粉煤灰等組成。在混凝土凝集成型這個過程中內部會形成細小的裂縫，為了避免這些細小裂縫對混凝土抗滲性能的影響，需要了解這些來裂縫的產生原因。根據現有水利工程使用，發現經過長時間蓄水、攔水等，加上使用年限的影響，水利工程會出現不同程度的裂縫問題。為了保證水利工程的使用價值，往往會對工程局部裂縫進行修補，若修補不及時，不但會降低水利工程抗滲能力，還可能對水利工程質量造成嚴重影響。

二、技術路線

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件溫度場的影響作用，主要采用超聲波法和雷達波法。

在從“定性”到“定量”的一體化檢測思路指導下，具體實施過程分為四部分:在普探階段，采用探地雷達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果的正確性和準確性。

三、探地雷達法

探地雷達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件進行裂縫檢測，其理論基礎是當電磁波遇到電性(介電常數、電導率、磁導率)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生變化。根據電磁波反射原理可知:當混凝土均勻、質量較好時，只在混凝土襯砌界面與圍巖界面形成反射波;當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，則會產生較大的波阻抗差異，形成強反射現象。

探地雷達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圖像來進行，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測，對局部小尺寸裂縫的識別存在困難。

四、超聲橫波反射三維成像法

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件只有一個可測表面且裂縫預估深度不大于被測構件厚度一半的情況。

超聲橫波反射法有三個主要特點:

（一）其基本原理是采用橫波反射，即超聲橫波質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，其反射系數和反射波幅更大，因此，對混凝土內部脫空、裂縫等缺陷的反應也更敏感;

（二）陣列式干耦合換能器，傳統探測換能器為“一發一收”，超聲橫波反射的換能器則為單發多收，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射，其余列的換能器用作接收，重復進行，直到前11 列都作過發射器為止，可形成21(2n-3)條有效孔徑掃查線(圖3);

（三）采用陣列合成孔徑原理，即通過采用合成孔徑聚焦算法，對同一點的采集數據進行時延和疊加處理，由此得到高信噪比、高分辨率的圖像。

如水工混凝土構件內部存在缺陷，一部分應力脈沖在缺陷位置會提前發生反射，缺陷部位的反射信號就會經過構件底部到達接收端，因此射線路徑更短。信號處理軟件根據換能器接收到的反射脈沖的到達時間，來推斷構件內部缺陷的位置。

超聲橫波反射三維成像法的優點與其特性密切相關: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干耦合技術提高了工作效率，陣列式換能器提高了數據的采集量;③合成孔徑技術不僅提高了數據精度，還提高了圖像質量。該技術實現了對地下目標高精度、高信噪比、高分辨率、高效率的采集與成像。

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