探地雷達及紅外熱成像在渠道混凝土襯砌脫空檢測中的應用

周海嘯，王 凱，霍吉祥，李涵曼

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.南京瑞迪水利信息科技有限公司，江蘇 南京 210029)

混凝土面板以其優異的防滲性能，在面板堆石壩及各類引調水工程渠系建設中得到廣泛的應用，但受變形模量差異及外界水力作用等影響，在運行過程中混凝土面板與下部墊層料或土體間可能產生空隙，即所謂的脫空現象。由于脫空可能導致面板出現結構性裂縫，破壞防滲體系，危及大壩安全或影響渠系運行，因此，對脫空進行預測和探測是研究的兩項主要內容。其中，前者通過相對變位法[1]、隱單元法[2]、基于直接約束算法的接觸力學法[3]等方法進行數值模擬，后者則是以探地雷達[4-5]、沖擊回波[6]等物探手段和紅外熱成像技術[7]進行探測。目前研究主要集中于面板堆石壩混凝土面板脫空方面，而對渠系工程混凝土襯砌脫空及其帶來的影響研究相對較少。

趙口引黃灌區二期工程作為河南省糧食核心區建設規劃中重點建設的大型新建水利工程建設項目，被列入國家172項節水供水重大水利工程以及河南省17項重點水利工程。為減少渠道滲漏損失，提高輸水配水能力，增加渠坡的穩定性，二期工程干渠(分干渠)等渠道均采用現澆混凝土襯砌。為了解襯砌與渠坡土體間的結合程度，采用探地雷達和紅外熱成像相結合的方法對工程各渠段混凝土襯砌進行脫空檢測，旨在為保證工程安全及高效運行提供依據。

1 檢測原理與方法

1.1 探地雷達

探地雷達通過向目標物發射高頻寬帶電磁波來探測地下結構，電磁波在傳播過程中遇到結構等變化時，會發生電磁特性的突變，其運動軌跡、能量大小、反射波形等會發生變化，通過采集和分析反射信號，可對目標物構造、分布結構、電磁特性、異常分布有所認識，從而達到探測目標物內部隱患的目的。

采用雷達對混凝土面板進行脫空探測為半定量檢測，主要是依據反射獲得的電磁波走時、波形波幅、頻率、能量衰減等情況以及表現出的同相軸形態和連續性來判斷脫空的位置和規模。一般而言，最上層混凝土面板或襯砌的相對介電常數6～11，中間脫空區空氣的相對介電常數為1.0，而下部墊層區或土體的相對介電常數則10～25，可見脫空區空氣的相對介電常數較其余兩者的差異十分明顯。因此，在采用探地雷達對脫空區域進行探測時，在脫空區域會出現能量較強的反射界面[7]。

1.2 紅外熱成像

紅外熱成像是將來自目標的紅外熱輻射轉變成可見熱圖像，通過直觀分析圖像中物體表面溫度分布情況，推定物體結構狀態和內部缺陷。

一般而言，混凝土材料的熱導率最高，其次為墊層料或渠坡土體，而空氣的熱導率最小，且遠遠小于之前兩種介質。同時，由于面板厚度不大(大壩面板一般厚30～70cm，渠道襯砌一般厚10～20cm)，且面板熱導率相對較高，因此面板表面的溫度變化可以影響到下一層介質。當混凝土面板或襯砌與其下介質之間存在脫空時，由于脫空部位存在空氣的充填，混凝土材料與其下介質之間存在相對隔熱性結構缺陷，熱傳導受阻，混凝土熱量不能及時向內部傳遞。當陽光照射充足，外界溫度相對較高時，位于表面混凝土材料會吸收來自陽光的輻射熱量，存在脫空的區域由于對應部位熱傳導受阻而使得溫度快速升高，而非脫空區域由于熱量易向墊層料或土體傳導而升溫較慢，因此脫空區域在紅外熱像上表現為局部“熱斑”[8]。

2 實例應用

2.1 工程概況

趙口引黃灌區位于河南省黃河南岸的豫東平原區，其中二期工程位于渦河以東(含渦河柘城以西部分)，涉及的糧食核心區主體范圍包括中牟、通許、尉氏、杞縣、太康、扶溝、西華、鹿邑、鄢陵、柘城等10縣以及開封市祥符區、城鄉一體化示范區、鼓樓區3個區。二期工程主要利用現狀灌排體系為基本框架進行建設，共布置1條總干渠、9條干渠、6條分干渠、15條支渠、51條灌排合一河(溝)道。工程干渠(分干渠)等渠道采用10cm厚的現澆混凝土進行襯砌。襯砌混凝土強度等級為C25，每隔4m設1道橫向伸縮縫和縱向伸縮縫，分縫均采用矩形縫，寬度采用2cm，縫內填充閉孔塑料泡沫板，臨水面涂抹2cm厚密封膠，縫下鋪350g/m2土工布反濾。

由于二期工程沿線堤身主要以砂壤土、粉砂夾粉質壤土為主，總體質量松散-稍密，弱-中等透水性，因此渠外地下水位受外部環境影響相對較為明顯，水位變幅較大。受外水壓力及凍脹等影響，部分渠道混凝土襯砌存在不同程度的脫空現象，甚至局部存在開裂現象，如圖1所示。

圖1 東二干老飯店下游渠道混凝土襯砌開裂

2.2 基于探地雷達的脫空普查

采用探地雷達對趙口二期工程總干及主要干渠、分干渠和支渠的渠道混凝土襯砌進行抽樣探測，各待測部位測線主要包括了順渠水平向及垂直布設兩種，其中前者高度距渠底1m，后者主要位于每塊混凝土襯砌的中部。根據已有研究，依據脫空程度不同，混凝土面板脫空情況可分為膠結緊密、接觸不密實、輕微脫空、脫空等4種情況[10]，本工程探測結果主要以前3種為主，其代表性雷達探測結果如圖2—4所示。

圖2 混凝土襯砌接觸緊密示例(主干渠渡槽下游1km處)

由圖2—4可以看出：

(1)圖2探測位置位于主干渠渡槽下游1km處，為混凝土襯砌接觸緊密的代表，其雷達圖像特征表現為混凝土襯砌與下部墊層間反射能量弱，總體同相軸連續，波幅變化小，該類雷達圖像特征占本次探測結果的大多數，說明工程渠道混凝土襯砌與下部土體總體膠結可靠。

(2)圖3探測位置位于東一干渠分水閘下游1km處，為混凝土襯砌接觸不密實的典型代表，其雷達圖像特征表現為混凝土襯砌與下部墊層間反射能量稍強，同相軸連續性較差，波幅變化稍大，但無明顯的多次反射。

圖3 混凝土襯砌接觸不密實示例(東一干渠分水閘下游1km處)

(3)圖4探測位置位于東二干渠老飯店節制閘下游100m處，為混凝土襯砌輕微脫空的典型代表，其雷達圖像特征表現為混凝土襯砌與下部墊層間反射能量較強，同相軸連續性較差，波幅變化較大，同時存在輕微多次反射現象，該類特征主要出現在混凝土襯砌開裂部位，在本工程中出現相對較少。

圖4 混凝土襯砌輕微脫空示例(東二干渠老飯店節制閘下游100m處)

2.3 重點部分的綜合探測

在采用探地雷達對工程總干及主要干渠、分干渠和支渠的渠道的混凝土襯砌進行抽樣探測的基礎上，還綜合探地雷達和紅外熱成像對已出現襯砌開裂部位(東二干渠老飯店節制閘下游，如圖1所示)進行重點探測，以下以開裂修補后的4#混凝土襯砌為例。

由于渠道較大壩具有線路長、高度低的特點，因此紅外熱成像主要選取近景掃描的方式進行，距離混凝土襯砌2～3m。4#混凝土襯砌紅外熱成像結果如圖5所示。

圖5 4#面板紅外熱成像結果

由圖5可以看出，原混凝土開裂位置已通過密封膠進行處理，受其材質吸熱影響，該部位溫度相對較高，溫度35.1～35.7℃，除密封膠及地下水排水孔外，襯砌板整體溫度呈現“上低下高”的趨勢，即4#襯砌板上部總體溫度較低，而下部溫度則相對較高，表明下部脫空程度較上部更為嚴重，也與混凝土開裂位置相一致。

在4#混凝土襯砌板上共布置13條測線，其中水平向6條，從上至下依次為H1～H6，測量方向自上游至下游，豎直向布置測線7條，從上游至下游依次為S1～S7，測量方向至上而下，具體位置如圖6所示。

圖6 4#混凝土襯砌板雷達測線布置

為對比反映4#襯砌板上部和下部脫空程度的不同，分別選取上部的水平測線H2和下部的水平測線H5以及豎直測線S4作為代表測線，其雷達探測結果如圖7所示。

圖7 4#混凝土襯砌板代表測線雷達探測結果(自上而下分別為H2、H5和S4)

由圖7可以看出：

(1)對比測線H2和H5的探測結果，可以看出在混凝土襯砌與其下土體之間的界面位置，下部測線H5較上部測線H2的反射明顯較強，對應位置H5的波幅變化也明顯大于H2的，表明H5位置處的脫空程度較H2處嚴重。

(2)比較測線S4不同距離處的探測結果，可以看出其上部(0.0～2.0m)的界面反射明顯弱于下部(2.0～3.2m)，其混凝土開裂位置(2.3m左右)反射最為明顯，脫空最為顯著。

紅外熱成像結果與雷達探測結果具有較好的一致性，都表明4#混凝土襯砌下方存在一定程度的脫空，從而導致其混凝土開裂，其中上部脫空程度相對較小，而下部脫空較為嚴重。

3 結語

采用探地雷達對總干及主要干渠、分干渠和支渠的抽檢結果表明，混凝土襯砌與下部渠坡土體間結合程度總體較好，大多數顯示為結合緊密狀態，而少部分為接觸不密實和輕微脫空狀態，其中后者主要存在于混凝土開裂部位；綜合采用探地雷達和紅外熱成像的方法對存在開裂的重點位置進行了檢測，兩者探測結果具有較好的一致性，表明這兩種方法可有效對脫空程度進行探測。

根據脫空檢測結果，可極大地提高工程養護及補強等工作的針對性，從而保證工程安全、高效的運行。