探地雷达及红外热成像在渠道混凝土衬砌脱空检测中的应用

周海啸，王 凯，霍吉祥，李涵曼

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.南京瑞迪水利信息科技有限公司，江苏 南京 210029)

混凝土面板以其优异的防渗性能，在面板堆石坝及各类引调水工程渠系建设中得到广泛的应用，但受变形模量差异及外界水力作用等影响，在运行过程中混凝土面板与下部垫层料或土体间可能产生空隙，即所谓的脱空现象。由于脱空可能导致面板出现结构性裂缝，破坏防渗体系，危及大坝安全或影响渠系运行，因此，对脱空进行预测和探测是研究的两项主要内容。其中，前者通过相对变位法[1]、隐单元法[2]、基于直接约束算法的接触力学法[3]等方法进行数值模拟，后者则是以探地雷达[4-5]、冲击回波[6]等物探手段和红外热成像技术[7]进行探测。目前研究主要集中于面板堆石坝混凝土面板脱空方面，而对渠系工程混凝土衬砌脱空及其带来的影响研究相对较少。

赵口引黄灌区二期工程作为河南省粮食核心区建设规划中重点建设的大型新建水利工程建设项目，被列入国家172项节水供水重大水利工程以及河南省17项重点水利工程。为减少渠道渗漏损失，提高输水配水能力，增加渠坡的稳定性，二期工程干渠(分干渠)等渠道均采用现浇混凝土衬砌。为了解衬砌与渠坡土体间的结合程度，采用探地雷达和红外热成像相结合的方法对工程各渠段混凝土衬砌进行脱空检测，旨在为保证工程安全及高效运行提供依据。

1 检测原理与方法

1.1 探地雷达

探地雷达通过向目标物发射高频宽带电磁波来探测地下结构，电磁波在传播过程中遇到结构等变化时，会发生电磁特性的突变，其运动轨迹、能量大小、反射波形等会发生变化，通过采集和分析反射信号，可对目标物构造、分布结构、电磁特性、异常分布有所认识，从而达到探测目标物内部隐患的目的。

采用雷达对混凝土面板进行脱空探测为半定量检测，主要是依据反射获得的电磁波走时、波形波幅、频率、能量衰减等情况以及表现出的同相轴形态和连续性来判断脱空的位置和规模。一般而言，最上层混凝土面板或衬砌的相对介电常数6～11，中间脱空区空气的相对介电常数为1.0，而下部垫层区或土体的相对介电常数则10～25，可见脱空区空气的相对介电常数较其余两者的差异十分明显。因此，在采用探地雷达对脱空区域进行探测时，在脱空区域会出现能量较强的反射界面[7]。

1.2 红外热成像

红外热成像是将来自目标的红外热辐射转变成可见热图像，通过直观分析图像中物体表面温度分布情况，推定物体结构状态和内部缺陷。

一般而言，混凝土材料的热导率最高，其次为垫层料或渠坡土体，而空气的热导率最小，且远远小于之前两种介质。同时，由于面板厚度不大(大坝面板一般厚30～70cm，渠道衬砌一般厚10～20cm)，且面板热导率相对较高，因此面板表面的温度变化可以影响到下一层介质。当混凝土面板或衬砌与其下介质之间存在脱空时，由于脱空部位存在空气的充填，混凝土材料与其下介质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。当阳光照射充足，外界温度相对较高时，位于表面混凝土材料会吸收来自阳光的辐射热量，存在脱空的区域由于对应部位热传导受阻而使得温度快速升高，而非脱空区域由于热量易向垫层料或土体传导而升温较慢，因此脱空区域在红外热像上表现为局部“热斑”[8]。

2 实例应用

2.1 工程概况

赵口引黄灌区位于河南省黄河南岸的豫东平原区，其中二期工程位于涡河以东(含涡河柘城以西部分)，涉及的粮食核心区主体范围包括中牟、通许、尉氏、杞县、太康、扶沟、西华、鹿邑、鄢陵、柘城等10县以及开封市祥符区、城乡一体化示范区、鼓楼区3个区。二期工程主要利用现状灌排体系为基本框架进行建设，共布置1条总干渠、9条干渠、6条分干渠、15条支渠、51条灌排合一河(沟)道。工程干渠(分干渠)等渠道采用10cm厚的现浇混凝土进行衬砌。衬砌混凝土强度等级为C25，每隔4m设1道横向伸缩缝和纵向伸缩缝，分缝均采用矩形缝，宽度采用2cm，缝内填充闭孔塑料泡沫板，临水面涂抹2cm厚密封胶，缝下铺350g/m2土工布反滤。

由于二期工程沿线堤身主要以砂壤土、粉砂夹粉质壤土为主，总体质量松散-稍密，弱-中等透水性，因此渠外地下水位受外部环境影响相对较为明显，水位变幅较大。受外水压力及冻胀等影响，部分渠道混凝土衬砌存在不同程度的脱空现象，甚至局部存在开裂现象，如图1所示。

图1 东二干老饭店下游渠道混凝土衬砌开裂

2.2 基于探地雷达的脱空普查

采用探地雷达对赵口二期工程总干及主要干渠、分干渠和支渠的渠道混凝土衬砌进行抽样探测，各待测部位测线主要包括了顺渠水平向及垂直布设两种，其中前者高度距渠底1m，后者主要位于每块混凝土衬砌的中部。根据已有研究，依据脱空程度不同，混凝土面板脱空情况可分为胶结紧密、接触不密实、轻微脱空、脱空等4种情况[10]，本工程探测结果主要以前3种为主，其代表性雷达探测结果如图2—4所示。

图2 混凝土衬砌接触紧密示例(主干渠渡槽下游1km处)

由图2—4可以看出：

(1)图2探测位置位于主干渠渡槽下游1km处，为混凝土衬砌接触紧密的代表，其雷达图像特征表现为混凝土衬砌与下部垫层间反射能量弱，总体同相轴连续，波幅变化小，该类雷达图像特征占本次探测结果的大多数，说明工程渠道混凝土衬砌与下部土体总体胶结可靠。

(2)图3探测位置位于东一干渠分水闸下游1km处，为混凝土衬砌接触不密实的典型代表，其雷达图像特征表现为混凝土衬砌与下部垫层间反射能量稍强，同相轴连续性较差，波幅变化稍大，但无明显的多次反射。

图3 混凝土衬砌接触不密实示例(东一干渠分水闸下游1km处)

(3)图4探测位置位于东二干渠老饭店节制闸下游100m处，为混凝土衬砌轻微脱空的典型代表，其雷达图像特征表现为混凝土衬砌与下部垫层间反射能量较强，同相轴连续性较差，波幅变化较大，同时存在轻微多次反射现象，该类特征主要出现在混凝土衬砌开裂部位，在本工程中出现相对较少。

图4 混凝土衬砌轻微脱空示例(东二干渠老饭店节制闸下游100m处)

2.3 重点部分的综合探测

在采用探地雷达对工程总干及主要干渠、分干渠和支渠的渠道的混凝土衬砌进行抽样探测的基础上，还综合探地雷达和红外热成像对已出现衬砌开裂部位(东二干渠老饭店节制闸下游，如图1所示)进行重点探测，以下以开裂修补后的4#混凝土衬砌为例。

由于渠道较大坝具有线路长、高度低的特点，因此红外热成像主要选取近景扫描的方式进行，距离混凝土衬砌2～3m。4#混凝土衬砌红外热成像结果如图5所示。

图5 4#面板红外热成像结果

由图5可以看出，原混凝土开裂位置已通过密封胶进行处理，受其材质吸热影响，该部位温度相对较高，温度35.1～35.7℃，除密封胶及地下水排水孔外，衬砌板整体温度呈现“上低下高”的趋势，即4#衬砌板上部总体温度较低，而下部温度则相对较高，表明下部脱空程度较上部更为严重，也与混凝土开裂位置相一致。

在4#混凝土衬砌板上共布置13条测线，其中水平向6条，从上至下依次为H1～H6，测量方向自上游至下游，竖直向布置测线7条，从上游至下游依次为S1～S7，测量方向至上而下，具体位置如图6所示。

图6 4#混凝土衬砌板雷达测线布置

为对比反映4#衬砌板上部和下部脱空程度的不同，分别选取上部的水平测线H2和下部的水平测线H5以及竖直测线S4作为代表测线，其雷达探测结果如图7所示。

图7 4#混凝土衬砌板代表测线雷达探测结果(自上而下分别为H2、H5和S4)

由图7可以看出：

(1)对比测线H2和H5的探测结果，可以看出在混凝土衬砌与其下土体之间的界面位置，下部测线H5较上部测线H2的反射明显较强，对应位置H5的波幅变化也明显大于H2的，表明H5位置处的脱空程度较H2处严重。

(2)比较测线S4不同距离处的探测结果，可以看出其上部(0.0～2.0m)的界面反射明显弱于下部(2.0～3.2m)，其混凝土开裂位置(2.3m左右)反射最为明显，脱空最为显著。

红外热成像结果与雷达探测结果具有较好的一致性，都表明4#混凝土衬砌下方存在一定程度的脱空，从而导致其混凝土开裂，其中上部脱空程度相对较小，而下部脱空较为严重。

3 结语

采用探地雷达对总干及主要干渠、分干渠和支渠的抽检结果表明，混凝土衬砌与下部渠坡土体间结合程度总体较好，大多数显示为结合紧密状态，而少部分为接触不密实和轻微脱空状态，其中后者主要存在于混凝土开裂部位；综合采用探地雷达和红外热成像的方法对存在开裂的重点位置进行了检测，两者探测结果具有较好的一致性，表明这两种方法可有效对脱空程度进行探测。

根据脱空检测结果，可极大地提高工程养护及补强等工作的针对性，从而保证工程安全、高效的运行。