寒旱灌区渠道无损检测技术发展趋势

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摘 要：本文从寒旱灌区渠道混凝土工程中产生的质量缺陷问题出发，分析了渠道混凝土常见的缺陷和无损检测技术的国内外研究现状，简要介绍了超声波检测技术、冲击回波检测技术、探地雷达检测技术、红外成像检测技术等常见的无损检测技术的应用。最后对渠道混凝土无损检测技术的发展趋势作了简要评述。

关键词：寒旱灌区；混凝土；无损检测技术；趋势

中图分类号：TU50 文献标识码：A

引言

在寒旱地区，由于防渗、抗冻的要求，采用混凝土材料修建的渠道到处可见。混凝土材料已经逐渐发展为不可替代的渠道建设材料。据估计，目前全世界每年生产的混凝土材料超过70亿t，我国的三峡水利枢纽工程，其主体建筑物大坝电站厂房等均为混凝土结构，工程混凝土量约为2941万m3，最高年浇筑混凝土方量达400余万m3[1、2]。预计在以后更长的时间里，混凝土材料仍然是主要的建筑材料之一。混凝土材料在渠道建筑中发展前景广阔。但在混凝土材料广泛使用的同时，由于设计方面存在缺陷、施工质量方面监管不力，加之一些自然灾害或结构老化等原因，渠道混凝土材料在使用过程中可能会出现一些质量缺陷，如裂缝、孔洞和由于钢筋锈蚀而引起的混凝土内部开裂等，使混凝土的使用寿命大幅降低，渠道输送水过程中造成水资源的浪费。因此，在混凝土渠道的使用过程中，提前对渠道进行有序的安全检查，针对混凝土结构缺陷进行检测，并对其进行评估是很有必要性的。

传统的检查方法有目测、钻孔取芯、压水测试等，但是这些方法本身会对渠道造成一定的损伤，不利用防渗。采用无损检测技术，例如超声回弹综合法、雷达法、冲击回波法等，可以在不损伤渠道本身的情况下，对混凝土渠道进行检测，达到抗渗防冻的要求，从而减少田间水的损耗，提高渠系水利用系数，达到渠道水资源合理利用的目的。

1 渠道混凝土结构缺陷成因

混凝土结构缺陷可分为表层缺陷和内部缺陷2类。表层缺陷主要有蜂窝、麻面、露筋等；内部缺陷主要有混凝土的强度标号、抗渗标号、抗冻标号不足等[3～7]。以上结构缺陷在混凝土施工过程中是经常出现的。引起混凝土结构缺陷的原因除了在设计、施工等方面存在不当外，还有在使用过程中的不合理以及养护维修过程中的不完善等。对于渠道混凝土结构，由于缺陷受外界各种因素，例如，积水、积雪的影响，造成混凝土表层发生损坏，使保护层减薄导致钢筋外露，最终发生钢筋锈蚀，严重影响了渠道混凝土结构的强度，使渠道建筑物遭到严重破坏。有些渠道表层损坏还会向内部发展，导致渗水严重，造成混凝土强度发生变化，危及结构的安全使用，影响混凝土的质量，缩短了渠道混凝土结构的使用寿命。因此，采取一定措施减少缺陷的发生是很有必要的。只有在合理的使用过程中，积极采取有效的措施定期进行检测，才能保证渠道混凝土结构的长期使用。

2 渠道混凝土无损检测技术的发展现状

2.1 混凝土无损检测技术简介

无损检测的技术能在不损伤构件结构的前提下，利用构件结构内部异常或缺陷存在而引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，对构件结构进行“无损坏”检测。混凝土无损检测技术是指在不破坏混凝土结构构件条件下，在混凝土结构构件原位上对混凝土结构构件的混凝土强度和缺陷进行直接定量检测的技术。无损检测通常有3种含义：无损检测（Nondestructive Testing），即俗称的NDT；无损检查（Nondestructive Inspection），即俗称的NDI和无损评价（Nondestructive Evaluation），即俗称的NDE。目前所提及的无损检测大多是指Nondestructive Testing（NDT）。随着信息技术的不断发展，逐步向无损检测和无损评价过渡。无损评价对检测要求更高。NDT仅仅是检测出混凝土的缺陷，NDI则是对检测构件的使用可能性进行判定，NDE则需要根据检测的结果对构件的可靠性进行综合评价[8～10]。

渠道混凝土结构由于使用的特殊性，尤其是处于防渗考虑而加水防水剂的混凝土渠道，内部的缺陷尤为复杂。因此，如何采用合理的技术，在保证混凝土材料不被破坏的前提下，探测渠道混凝土结构内部的缺陷，并对缺陷的类型进行判断和评价，是渠道混凝土研究的重点。

2.2 国内外渠道混凝土无损检测技术的发展

国外混凝土无损检测技术最早发生在1930年，采用表面压痕法对构件进行检测，达到了很好的目的。格里姆、艾德在1935年把共振法应用于用于测量混凝土的弹性模量，已达到对其进行无损坏检测的目的。加拿大的莱斯利和奇斯曼、英国的琼斯等在1949年运用超声脉冲对混凝土进行无损检测并获得成功。而后琼斯又使用放射性同位素进行混凝土密实度和强度检测。这些研究为混凝土无损检测技术的发展奠定了一定基础。罗马尼亚的弗格瓦洛在19世纪60年代用声速―回弹法综合估算混凝土的强度，为混凝土无损检测技术多因素综合分析提供了新的思路。20世纪60年代声发射技术引入到混凝土无损检测技术体系中，吕施、格林等人研究了混凝土的声发射特性，提供了声发射技术在混凝土无损检测技术中的可能。美国的Mary Sansalonet在20世纪80年代中期，实现了在混凝土复合材料中采用机械波反射法进行无损检测的方法[l1～12]。经过多年的发展，形成了一个较为完整的混凝土无损检测方法体系。

20世纪50年代中期，我国的科研工作者开始引进国外的回弹仪和超声仪，并结合混凝土工程实际应用开展了重要的研究工作。20世纪60年代我国科研工作者研制成功超声检测仪，并在检测方法方面也取得了一定的进展。20世纪70年代以后，中科院等机构多次组织科研力量进行攻关，20世纪80年代制订了我国一系列技术规程，同时引进了许多新的检测技术，为混凝土无损检测技术提供了一定的支撑。

岳松涛[13]、李益（2009）针对南水北调中线工程京石段渠道路线长、填筑土量大、开挖深度深的特点，介绍了探地雷达和瑞利波电磁测试依两种无损检测设备快速对工程进行检测的应用实例，并阐述了在检测中应注意的问题。

郭秀军[14]、张盟等（2009年）根据南水北调东线渠道衬砌混凝土2种典型配比，分别制作了不同组分试验样块，利用探地雷达法（GPR）对渠道混凝土进行快速无损检测，并给出了混凝土电磁波速模型估算公式。实例证实混凝土薄板厚度GPR检测可采用速度模型公式，其检测相对误差小于10%。

刘世学、化晓锋等（2011）发明公开了一种渠道混凝土衬砌无损检测系统（专利号CN 201110191267），特征是利用计算机连接专用探地雷达子系统，利用雷达数据处理剖面数据处理模块、衬砌病害模拟分析模块、层位追踪和衬砌物性分析模块等。该方法提高了渠道混凝土衬砌施工质量检测数据处理效率和准确性，为渠道混凝土衬砌探施工质量检测提供科学、准确、先进、有效的技术支持。

2.3渠道混凝土无损检测技术发展

混凝土内部缺陷无损检测技术，可分为机械波法和辐射法。常用的机械波法有超声脉冲波、冲击脉冲波等；常用的辐射法有X射线、中子流等。在无损检测方面，无损检测的方法发展较快，其中最典型的就是冲击回波和探地雷达扫描法。表1列出了几种近年来发展较快且常见的几种渠道混凝土无损检测技术。

表1 渠道混凝土无损检测技术方法分类

检测方法 原理 检测指标

雷达法 雷达波发射强度的差异 雷达反射波

超声脉冲法 波的绕射、衰减、叠加 波高、波形、反射回波信号等

脉冲回波法 应力波的反射位置 应力波的时域、频域图

红外热谱法 不同区域热发射强度的变化 热发射

2.3.1 超声波检测技术

超声波检测法是近年来比较常用的缺陷检测法，主要是进行接受波形信号的分析来判定混凝土的缺陷。超声法已被广泛的应用于渠道混凝土无损检测领域。超声法检测缺陷也受到许多因素的影响，主要有混凝土含水量、钢筋等[15～17]。

2.3.2 冲击回波检测技术

冲击回波技术（Impact.Echo Method，简称IE）是找到冲击回声测试的反应和火损伤之间的相互关系，并根据相应关系来进行检测。冲击回波技术20世纪80年代由美国提出。加拿大人马尔霍察在1984年把冲击回波列为“最有发展前途的现场检测方法之一”。同济大学等科研单位在应用冲击回波技术进行板状构件的厚度、缺陷方面正进行研究，取得了一些进展[18～19]。

2.3.3 探地雷达检测技术

探地雷达是一种对地下的或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术。Letmbach和Lowy在1910年的一项德国专利用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下相对高导电性的区域，提出了探地雷达的概念。1926年，Hulsenberg提出用脉冲技术确定地下结构的思路。1960年，Cook在用脉冲雷达在矿井中做了相关检测试验。目前，探地雷达已经被用渠道混凝土检测等领域[20～23]。

2.3.4 红外成像检测技术

红外成像检测技术是运用红外热像仪对构件进行不连续缺陷的检测技术。红外成像无损检测技术是国内外最新发展起来的检测技术。在我国红外成像无损检测技术处于起步阶段，但其应用极为广阔，如建筑物墙体渗漏、房屋保温气密性的检测等。红外成像无损检测技术用于房屋质量功能检查，在我国尚处于起步阶段，但已有研究表明红外检测可以应用于房屋外墙饰面粘结质量检测[24～25]。在渠道混凝土的检测中还未见报道

3 渠道混凝土无损检测技术的发展趋势

寒旱地区渠道由于所处的环境影响，在前期浇筑混凝土的施工过程中，会采取相应的防渗抗冻措施，但是随着使用时间的推移，老化的渠道出现渗水的现象。如何在不损伤渠道本身的情况下，对混凝土渠道进行检测，提前发现、提前维修，达到抗渗防冻的要求，这是以后的发展趋势。技术方面，寒旱地区渠道无损检测的发展，还应结合现代信息技术，尤其是结合渠道配水决策系统，采用超声波检测技术、冲击回波检测技术、探地雷达检测技术等综合对渠道进行检测，达到实时监控的目的，从而减少田间水的损耗，提高渠系水利用系数，实现渠道水资源的合理利用。

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作者简介：王宾（1984-），男，山东潍坊人，助教，工学硕士，主要从事寒旱地区灌区防渗和节水灌溉研究。