水工混凝土构件裂缝检测方法及应用

赵建旻

（商丘市引黄灌区管理处，河南 商丘 476000）

在水利工程建设过程中，混凝土是基础的建筑施工材料，但是在混凝土实际施工运用中，会经常出现裂缝的问题，但是此种问题并不能完全不能控制。要想使混凝土的质量达到施工标准，就要采取材料质量控制以及科学合理的施工管理制度等多项手段。在水利工程施工中，一旦混凝土出现裂缝，就要运用合适的加固方法，在最大程度上保证其结构安全性，这样一来，在保证混凝土施质量的同时，也能使水利工程的施工质量达到预计标准。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。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。

一、水利工程混凝土产生裂缝的原因

关于水利工程的建设，需要使用大量的混凝土，而混凝土由水泥、集料、外加剂、粉煤灰等组成。在混凝土凝集成型这个过程中内部会形成细小的裂缝，为了避免这些细小裂缝对混凝土抗渗性能的影响，需要了解这些来裂缝的产生原因。根据现有水利工程使用，发现经过长时间蓄水、拦水等，加上使用年限的影响，水利工程会出现不同程度的裂缝问题。为了保证水利工程的使用价值，往往会对工程局部裂缝进行修补，若修补不及时，不但会降低水利工程抗渗能力，还可能对水利工程质量造成严重影响。

二、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: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。

三、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。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。

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。

四、超声横波反射三维成像法

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:

（一）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;

（二）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);

（三）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。

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。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。

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。

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。