水工混凝土构件裂缝检测方法及应用

栗宝鹃，张美多，刘康和，王志豪，李 琦，李嘉欣

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司 勘察院，天津 300222；2.黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西 太原 030022)

1 引 言

水工结构工程缺陷是水利工程安全的重大隐患[1-3]。近年来，随着国家对水利设施建设投资力度的逐渐增加，新建、扩建的水利水电工程也逐渐增多，这些水利水电工程的运行条件极其复杂，尤其是水工建筑物的水下部分，在长期水下运行的过程中，会出现不同程度的工程问题和病害险情，常见的主要有以下几种类型：库区淤积、闸门前淤堵，闸门锈蚀和漏水，坝体裂缝、不均匀沉降、面板周边缝脱空、坝坡塌陷，坝体、坝基渗漏，消力池、水下边墙、泄槽、引水渠等混凝土冲刷，隧洞混凝土衬砌裂缝、漏水、冲蚀等。

我国是世界水库大坝最多的国家，现有9.8万座水库大坝，在这些水利工程中，水工混凝土结构存在着各种类型的缺陷。其中裂缝是最主要、最常见的病害形式之一。以调查的32座大坝为例，裂缝和渗漏这两类主要病害占到100 %，其次为泄洪过流建筑物的冲磨、气蚀，占68.7 %。此外，裂缝还会引起其他病害，如渗漏溶蚀、环境水侵蚀、冻融破坏及钢筋锈蚀等。这些不同类型、分布、尺度、规模的裂缝严重影响着水工结构的整体性和耐久性，因此，对混凝土质量全过程的控制和检测是确保工程使用寿命的重要措施。

2 方法与原理

对水工混凝土构件进行裂缝检测的方法主要分为三类，分别为人工探视法、破损检测法和无损检测法[3,4]。裂缝宽度检测仪法属于人工探视法的一种，该方法可自动采集裂缝图像，并对裂缝宽度进行判读，具有简单直观、容易操作的优点，不足之处是仅能对混凝土构件表观的裂缝进行检测，对构件内部的裂缝没有效果；钻孔录像和钻芯取样法均属于破损检测方法，该方法的优点是可以直接检测到裂缝的宽度、深度、方向等参数，不足之处是成本高、对混凝土构件具有破坏性，且“一孔之见”难以实现对内部裂缝的大范围平面检测；超声波法、雷达波法、红外热像法等均属于无损检测法，优点是不破坏水工混凝土构件的原有结构，不足之处是只能进行定性检测，无法对裂缝长度实现定量测量。

2.1 技术路线

本研究以无损检测方法为主，辅以破损检测法和人工探视法。其中，鉴于红外热像法中的外加热源对混凝土构件温度场的影响作用，主要采用超声波法和雷达波法。在从“定性”到“定量”的一体化检测思路指导下，具体实施过程分为四部分(详见图1，技术流程)：在普探阶段，采用探地雷达法探测裂缝的总体分布；在详查阶段，采用超声横波反射三维成像的方法，详查裂缝的纵深向分布；在判定阶段，分别采用裂缝测宽法和表面声波法来判定裂缝的表面宽度和贯穿深度；在验证阶段，采用钻孔电视来验证探测结果的正确性和准确性。

图1 技术流程

2.2 探地雷达法

探地雷达是一种基于电磁波传播理论的物探方法，利用电磁波理论对水工混凝土构件进行裂缝检测，其理论基础是当电磁波遇到电性(介电常数、电导率、磁导率)差异的界面时，其传播路径、电磁场强度及波形等将因界面的电性差异而产生变化[5-11]。根据电磁波反射原理可知：当混凝土均匀、质量较好时，只在混凝土衬砌界面与围岩界面形成反射波；当混凝土与围岩之间存在裂缝时，因脱空缝中多以空气或水充填，则会产生较大的波阻抗差异，形成强反射现象(图2a)。

利用探地雷达对混凝土构件进行裂缝检测，具体的原理如下图2(b)所示。首先，通过发射天线向地下介质发射电磁波；然后，接收天线接收并记录来自地下的电磁波信号；最终，通过数据处理，结合工程地质情况，实现对地下介质的推断和解释。在上述过程中，电磁波的传播特性由电导率σ和介电常数∈决定，其中，电导率主要决定电磁波的探测深度；在电导率适中的情况下，介电常数主要决定电磁波在介质中的传播速度，因此，在不同电性的分界面上都会产生回波，并以旅行时间的形式来表示，具体如下：

图2 探地雷达测试原理示意图

(1)

式(1)中，h为裂缝深度(m)，x为发射天线和接收天线之间的距离(m)；v为电磁波在介质中的传播速度(m/ns)。

电磁波在介质中的传播速度如下：

(2)

式(2)中，c为电磁波在真空的传播速度(0.3 m/ns)；εr为介质的相对介电常数；ur为介质的相对磁导率。

探地雷达检测混凝土裂缝具有速度快、穿透能力强、无需耦合剂等特点，可确定裂缝缺陷的形状和方向，不足之处是对混凝土裂缝的识别需要借助探地雷达图像来进行，因此，对检测人员的水平要求较高。除此之外，该方法适用于大尺度混凝土裂缝的监测，对局部小尺寸裂缝的识别存在困难。

2.3 超声横波反射三维成像法

超声波是频率大于20 kHz、以波动形式在弹性介质中传播的机械波[12-15]。超声波法主要是使用超声波探头测量超声波脉冲在混凝土中的传播速度、首波幅度和接收信号的主频率等声学参数，并根据这些参数及其相对变化，来判断混凝土裂缝的深度情况[16-19]。超声波法的探测方式有三种，即单面平测法、双面斜测法和钻孔对测法，其中，单面平测法适用于混凝土构件只有一个可测表面且裂缝预估深度不大于被测构件厚度一半的情况。

超声横波反射法有三个主要特点：①其基本原理是采用横波反射，即超声横波质点振动方向与波的传播方向一致，也就是平行于混凝土表面，与超声纵波相比，其反射系数和反射波幅更大，因此，对混凝土内部脱空、裂缝等缺陷的反应也更敏感；②阵列式干耦合换能器，传统探测换能器为“一发一收”，超声横波反射的换能器则为单发多收，以4×12点阵列换能器为例，换能器控制单元将第一列换能器用作发射，其余列的换能器用作接收，重复进行，直到前11列都作过发射器为止，可形成21(2n-3)条有效孔径扫查线(图3)；③采用阵列合成孔径原理，即通过采用合成孔径聚焦算法，对同一点的采集数据进行时延和叠加处理，由此得到高信噪比、高分辨率的图像。

图3 4 × 12 点阵列换能器超声横波反射波束路径示意图

如水工混凝土构件内部存在缺陷，一部分应力脉冲在缺陷位置会提前发生反射，缺陷部位的反射信号就会经过构件底部到达接收端，因此射线路径更短(图4)。信号处理软件根据换能器接收到的反射脉冲的到达时间，来推断构件内部缺陷的位置。

图4 混凝土缺陷射线路径传播示意图

超声横波反射三维成像法的优点与其特性密切相关：①超声横波避免了超声纵波在混凝土中的散射问题，提高了探测精度；②干耦合技术提高了工作效率，阵列式换能器提高了数据的采集量；③合成孔径技术不仅提高了数据精度，还提高了图像质量。该技术实现了对地下目标高精度、高信噪比、高分辨率、高效率的采集与成像。

2.4 表面声波法

表面声波法属于声波穿透测试法的一种[8]，声波穿透法是采用脉冲波在混凝土中进行传播，通过测试声波在混凝土中的波速、首波振幅和频率等声学参数的相对变化来判断混凝土的缺陷及位置。其中，声波波速是反映混凝土完整性和混凝土强度的重要参数，声波波幅反映了声波在混凝土中的衰减程度，声波频率也是判断微小缺陷的一个重要参考量。表面声波法的检测原理[20-22](图5)：当无裂隙时，波直接从发射换能器传播到接收换能器，此时测出的是混凝土的波速；如有裂隙，则波的传播路径要绕过裂隙进行传播，传播时间变长，根据三角关系可计算出裂隙的深度。

图5 超声平测法探测原理

根据裂缝深度与被测构件厚度的关系以及可测试表面的情况，声波穿透法的测试方式可分为三种，分别为：单面平测法、双面斜测法和钻孔对测法。以单面平测法为例，根据测试目的可分为跨缝测试和背景测试，根据测试目的的不同，其测线布置方式分为跨缝和不跨缝两种。其中，跨缝测试时应将发射和接收换能器对称分布在裂缝的两侧，主要是测试裂缝的深度；不跨缝测试又称为背景测试，在测试时应将发射和接收换能器均放置在裂缝同一侧，然后根据设置将两个换能器等间距向两侧移动，主要是为跨缝测试提供不同深度的背景值。因此，为便于比较，跨缝测试与背景测试的孔间距应相同或相近。

2.5 其他技术方法

在上述技术路线实施的过程中，还采用了裂缝测宽法和钻孔电视法[8]。裂缝测宽法主要通过显微传感器采集视频图像来识别裂缝轮廓和读取裂缝表面的宽度。钻孔电视法主要通过钻孔孔壁的影像资料来对井壁结构、裂隙发育程度等表观现象进行解读。

综上所述，采用多种方法的综合技术路线克服了单一物探方法的限制，可实现对水工混凝土构件中裂缝的系统检测。

3 案例分析

本研究实例为某水利枢纽水轮机层地面混凝土裂缝检测。根据数据资料记录，该处自2012年开始出现裂缝并存在渗水问题，在每年11月下旬至次年3月之间渗水问题严重且存在带压现象。经多次灌浆和凿沟导排处理之后，混凝土地面灌浆嘴错综密集、排水管纵横交错，但问题仍未得到很好地解决。目前该区地面仍存在十余处裂缝。为保证工程质量及运行安全，亟待对该处的水工混凝土构件进行裂缝检测。

选用探地雷达法进行普查。首先要进行测线选取，这里选择的是一条贯穿18#、19#裂缝的顺坝轴线方向的测线，测线长度6.9 m。根据图像解译结果(图6)可知，在探测范围内，测线位置为0.9～5.4 m、埋深在0.18 m以下的黑色多变性虚线框中表现为同相轴不连续且反射杂乱的特征，推测为混凝土构件内部填充不密实的区域，该区域黄色虚线处分布有两处反射波组异常错断的区域，其中，18#裂缝异常延伸约为50 cm，19#裂缝异常延伸约为40 cm。

图6 某测线探地雷达探测成果

在普查的基础之上，选择18#裂缝进行详探，本实施案例采用A1040 MIRA型低频超声波断层扫描仪进行超声横波反射三维成像检测。在检测过程中，采样选取Mapping模式，采样频率为50 kHz，网格间距选取0.1 m。鉴于18#裂缝延伸较长，在该条裂缝上选取两块区域进行超声横波三维反射成像，其测区范围均覆盖18#裂缝。其中，测区1网格大小0.9 m×0.9 m，成图区域1.3 m×0.9 m，测试成果如图7(a)所示，根据超声横波反射XZ剖面图像推测，18#裂缝纵向延伸约50 cm；测区2网格大小0.8 m×0.8 m，成图区域1.2 m×0.8 m，测试成果如图7(b)所示，根据XZ剖面图像：推测18#裂缝延伸约55 cm。

图7 超声横波反射三维成像成果

采用裂缝测宽法测量裂缝宽度时，为确保测量结果的准确性，首先要对裂缝进行“吸尘”处理，确保浮土不会填充缝隙。在18#裂缝中分别选取两端和中间三个典型位置进行测量，裂缝宽度分别为0.14 mm、0.16 mm和0.26 mm，平均缝宽为0.19 mm，由此，对18#裂缝的宽度有了直观认识。

在宽度检测之后，再对裂缝进行深度检测，主要采取的是表面声波法。从混凝土构件中选取没有灌浆的裂缝，采用表面声波法进行检测。以18#裂缝为例，首先，顺缝测量时，根据换能器内边缘距离L′与声时t之间的关系进行时距曲线拟合(图8)，可得声速值为3.918 km/s，作为超声波在混凝土中的传播速度；然后，根据跨缝测量所得各点距离与时间，结合超声波在混凝土中的传播速度，计算得出裂缝深度值为36.1 cm。

图8 顺缝测量时距拟合曲线

借助18#裂缝附近钻孔取芯的位置，采用钻孔电视法获取电视影像(图9)。通过影像解读可知：在0.61 m左右的位置，存在一条近水平裂缝，初步推断为18#裂缝的分支裂缝，此外，在1.0～1.2 m的位置，为混凝土不密实的区域。

图9 位于18#附近钻孔电视影像

4 问题与讨论

通过采用不同方法对18#裂缝的表面宽度及纵向深度进行检测并对结果进行分析，发现存在如下问题：

1)采用综合物探方法只能对混凝土裂缝的存在进行定性判断，在目前的仪器设备和技术条件下，定量检测存在困难。

2)鉴于水工混凝土构件的安全特殊性，有时难以在裂缝位置进行以钻孔电视为主的破损检测，只能借助周边钻孔电视图像进行辅助判断。

3)表面声波法计算的裂缝深度与其他方法推断的结果存在较大误差，经分析初步推断原因为地面存在“雨点状”凹坑，由此导致换能器与地面耦合程度变差，能量分散所致。

对上述结果进行分析，发现裂缝异常与混凝土填充不密实区同时存在，且对这些裂缝进行灌浆填充之后效果不明显，根据已有资料可知，混凝土中有钢筋分布，据此，对裂缝产生的原因进行分析，可能有以下几种：

1)混凝土填充不密实是导致裂缝的主要原因。对水工混凝土构件来说，混凝土填充不密实容易导致水的渗入，由此产生渗透压力而导致裂缝的产生，从而加大水的渗入，而产生渗漏现象。

2)钢筋锈蚀作用与钢筋混凝土裂缝的形成互为因果。填充不密实为钢筋混凝土构件中水的产生和作用提供前提条件，从而为钢筋锈蚀现象的产生提供了诱因。水工混凝土构件可因钢筋锈蚀作用而产生锈蚀裂缝，同时，水工混凝土构件也可因裂缝的产生而加重锈蚀作用。

5 结 论

采用综合物探方法对水工混凝土裂缝进行检测，并以18#裂缝为例进行分析说明，得出以下结论：

1)以“普探—详查—判定—验证”为基本思路的水工混凝裂缝检测方法，可系统地实现对裂缝从“定性”到“定量”检测的转换，但裂缝检测的准确度还有待于提高，裂缝检测的技术方法和流程有待于进一步完善。

2)18#裂缝虽然不是贯穿缝，但裂缝周围存在扩展的分支裂缝，兼之裂缝周围存在混凝土不密实的区域，这些综合因素是水工混凝土地面产生渗透的原因。