红外热成像与探地雷达在大坝混凝土面板脱空检测中的应用

徐 涛，丁亮清，严 俊

(长江地球物理探测(武汉)有限公司，湖北 武汉 430010)

1 概述

混凝土面板堆石坝以堆石体为支承结构，其坝体堆石料是人工填筑散粒体，有极大非连续性。在坝体填筑完成混凝土面板浇筑到蓄水或水库运行期间，坝体填筑料仍会持续非线形沉降；此外，库水位升降造成水压力反复作用于面板，面板也会挤压填筑料体。由于刚性混凝土面板是线形弹性材料，与大坝填筑体非线性变形不一致，导致混凝土面板局部不再与填筑体连续接触，即混凝土面板下局部出现脱空。蓄水后，随着水位反复升降，水压力对脱空位置面板往复作用可能导致面板混凝土形成裂缝，裂缝严重时将会形成渗漏通道，给大坝造成巨大安全隐患。因此，对混凝土面板进行检测，查明面板与垫层间的脱空情况，对堆石坝安全具有重要意义。

本次采用远红外热成像技术与探地雷达扫描技术相结合，对湖南某水库大坝混凝土面板进行脱空检测，结合钻孔验证成果对该技术的应用效果进行总结。

2 检测技术原理与方法

2.1 红外热成像检测技术

(1)检测原理

红外辐射是由原子和分子的运动引起的。在自然界中，任何高于绝对零度的物体都是红外辐射源，红外线的辐射特性是红外成像的理论依据和检测技术的物理基础。红外辐射功率与物体的表面温度密切相关，根据普朗克辐射定律，物体的绝对温度只要不为0℃，它就有能量辐射；不同材料导热系数不同，其热辐射也不同。

由热力传导理论可以得出，当混凝土面板与垫层料之间存在脱空时，由于水或空气的充填，混凝土面板与垫层料之间存在相对隔热性结构缺陷，热传导受阻，混凝土热量不能及时向内部传递，从而形成热量聚集，造成混凝土表层温度升高而在红外热像上出现“热斑”，其范围和程度可反映出该部位的受害程度及范围。

(2)检测方法

红外热成像检测就是利用红外辐射原理对物体或材料进行检测，把来自目标的红外热辐射转变成可见热图像，通过直观分析物体表面温度分布，推定物体结构状态和内部缺陷。红外热像仪是用于红外无损检测的主要设备，其工作原理是通过对物体所辐射的红外线进行收集，对该物体表面不同部位的红外线辐射强度进行感应、识别，将各点的红外线辐射强度以不同的颜色表示，并最终转换为红外热图，从而达到了将不可见的红外线转化为可见光的目的。

本次检测中使用的红外热成像设备是美国FLUKE公司生产的Ti480型红外热像仪，可提供640×480高分辨率红外扫描图像，可拍摄整个视角中的近焦和远焦图像。测量温度范围-20～800℃，温度分辨率0.08℃。

2.2 探地雷达技术

(1)检测原理

混凝土面板与填筑垫层料之间存在脱空，与两者结合密实时比较会表现出明显不同的物性差异。脱空形成混凝土-空气(水)界面与周围混凝土面板结合密实部位的混凝土-垫层料界面存在较大的电性差异，这为采用电磁波探测提供了良好的地球物理条件。电磁波的传播取决于介质电导率和介电常数，前者主要影响电磁波探测深度，后者决定电磁波在物体内传播速度。当利用探地雷达发送调频脉冲电磁波时，电磁波以脉冲形式定向射入探测面板区域内部，经存在电性差异的混凝土-空气(水)-垫层料界面反射回波被雷达接收，可通过记录分析反射波到达时间t、反射波幅值、相位等信息来研究被探测介质的分布和特性。

(2)技术方法

探地雷达测量方式一般分为剖面法和宽角法。剖面法是发射天线(T)和接收天线(R)以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式，得到的结果是时间剖面图，由于天线间距一般很小，故可认为是自激自收时间剖面。宽角法是将发射天线固定在地面某点不动，而将接收天线沿测线移动，记录目标体内各个不同界面反射波的双程走时的测量方法，工作中一般采用剖面法进行连续或密集点采样。

探地雷达成果图像的解释是依据反射波的强度，波形变化及其反射波同相轴的连续性等特征来判断混凝土与垫层料的结合情况。本次采用的雷达设备是美国SIR3000型探地雷达，雷达天线频率900MHz，发射率100kHz，探测方式为测线连续扫描。

3 工程应用实例

某水库大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶长198.8m，最大坝高120m，大坝上、下游坡比均为1∶1.4，坝体采用灰岩料填筑而成。面板设计混凝土面积24373m2，面板分27块浇筑，宽度分为12m和7m两种，面板顶部厚30cm，底部最大厚度53cm，面板最大斜长136m。自2008年5月开始，大坝渗漏量明显增大，2010年10月达到800L/s，2012年9月达到1240L/s，大坝安全受到严重威胁。2014—2015年对大坝混凝土面板进行了修复和灌浆处理。

为有效检测评估混凝土面板脱空缺陷情况，采用红外热成像、探地雷达扫描等物探方法对大坝混凝土面板脱空情况进行检测，其中红外热成像是采用面积性普查，探地雷达扫描测线普查及可疑区域详查。

3.1 红外热成像

红外热成像在距大坝混凝土面板10～150m范围上游面进行，选取远(全)景和近景扫描，分高温时段和低温时段对混凝土面板进行热成像。在远景扫描获得混凝土面板温度异常部位进行红外热成像拍摄。具体成果分析如下所示。

(1)在同一天中午和晚上，原位拍摄大坝混凝土面板远景红外热成像图(如图1所示)，色谱范围从深灰至浅白色，代表温度由低到高。综合比较整个面板混凝土红外温度场在环境温度下的分布情况，在低温热图上可看到两个较明显热斑H1、H2，推测该区域可能存在面板脱空混凝土热传导受阻，散热速度较其他结合密实区域慢，从而形成局部热斑。

图1 大坝混凝土面板远红外扫描全景热图

(2)通过清理面板表面的覆盖物，拍摄面板异常部位近景局部热成像图及自然光图像，排除掉面板色差干扰后，发现H3、H4两处明显热斑(如图2、图3所示)，分别位于9#和7#面板。

图2 9#面板红外热成像热斑部位及相应部位自然光图像

图3 7#面板红外热成像热斑部位及相应部位自然光图像

3.2 探地雷达扫描

在3#～19#共17块面板上布置了与面板拼缝平行的纵向探地雷达测线共计25条，其中7m宽面板在中间位置布置1条，12m宽面板布置2条，分别在面板中线左右两侧对称分布。探地雷达扫描成果分析如下所示。

(1)从9#面板R9- 1线探地雷达测线扫描成果(如图4所示)可以看出在面板高程497.9～498.8m处出现强反射界面，呈长条带状，与红外热成像成果中的热斑异常H3区域位置吻合较好，因此推断该处存在混凝土面板与垫层接合面脱空。

(2)从7#面板R7- 1线探地雷达测线扫描成果(如图5所示)可以看出在面板高程493.5～494.4m处出现强反射界面，呈长椭球状，与红外热成像成果中的热斑异常H4区域位置吻合程度较好，因此推断该处存在面板与垫层接合面脱空。

同时其他面板探地雷达测线扫描成果，出现电磁波强反射界面相应的红热成像成果中也有不同程度温度异常反应。

图4 9#面板红外热成像异常部位对应探地雷达扫描成果及钻孔验证

图5 7#面板局部红外热成像异常部位对应探地雷达局部扫描成果

3.3 综合成果分析

通过综合分析红外热成像成果和探地雷达检测成果可得：①本次红外热成像检测发现热斑17处，其中有15处与探地雷达检测面板脱空异常吻合程度较好；②脱空部位多数位于大坝面板水平横缝EL510m以下区域，推测形成原因可能是水库蓄水期间库水位的变化在495～520m范围内有关，反复作用仅造成底部垫层的局部亏坡，未形成贯通性脱空；③面板左半部分脱空情况相较右半部分严重，分析主要与两岸支承坝体的山体构造差异有关；④8#面板上以及12#面板上红外热斑异常，在相应的探地雷达扫描测线上未见明显异常反映。由于该两处部位在探测前刚进行过注浆修补施工，分析可能与面板修补注浆处理后浆液凝固过程中的散热有关。

4 结论

结合堆石坝混凝土面板结构特点，综合采用红外热成像、探地雷达扫描等无损检测方法对混凝土面板脱空情况进行检测，取得了理想的检测效果，成果满足要求。通过钻孔验证进一步证明了采用上述技术的可靠性和准确性。

(1)采用探地雷达电磁波扫描技术对混凝土面板堆石坝全断面扫描，穿透性强、成果连续性好，对面板脱空病害有较好的识别效果，在探测分辨率及探测深度上能够满足脱空定位要求。

(2)红外热成像技术扫描速度快，工作效率高，可做到全覆盖扫描，对温度异常反应灵敏，工作效率较高；同时可弥补探地雷达线性扫描工作盲区，真正实现全面检测。

(3)实际工程检测过程中，建议先对大坝混凝土面板开展不同环境温度下的全方位红外热扫描，再针对红外温度异常部位重点开展探地雷达扫描工作。远探测与近扫描相结合，避免测线布置的盲目性、随机性，做到检测工作具有针对性、有针对性，能够提高工作效率和检测成果可靠性。