给大坝做CT和“活检”宏微观结合的水工混凝土结构健康诊断技术

   

  技术背景

我国有近十万座水库大坝，很多修建于建国初期，这些年过半百的老坝既带有历史原因造成的先天缺陷，又有因长期在恶劣环境中服役形成的皮肤病（冻融破坏）和内科顽疾（深层裂缝，渗漏等）。

本世纪初西南地区的修建大批混凝土高坝具有三高特征，即“高地应力、高水头、高地震烈度”。服役环境的严酷和复杂使得这些混凝土老坝和高坝是否安全、能否健康地完成历史使命成为是社会关注焦点，因此亟需对他们的质量缺陷、老化程度进行检测和评估。  

▲ 图片来源网络

大坝混凝土老化的“症状”是自身宏观性能的降低和微结构的劣化。

土木工程常用的混凝土质量检测方法如回弹法和超声波法，只能评价表面或表层3~5m范围混凝土的强度，无法满足大坝检测需求。  
钻芯法是常见的评估大坝混凝土的性能的方法，即通过钻孔获取大坝内部的混凝土芯样后进行力学性能检测和微观结构分析。但如何确定钻孔位置是个难题：钻孔不具有代表性，则芯样无法反映大坝内部的真实老化状态。
混凝土微结构分析方面，由于大坝混凝土的微观分析代表性样品尺寸很大（40cm*40cm），而目前常用的微观分析设备如显微镜、扫描电镜等观测范围不足10cm，因此常规显微分析手段也无法准确评估大坝混凝土的真实损伤程度。

经过多年研发，本团队提出了宏微观结合的水工混凝土结构健康诊断技术，解决了上述难题：

（1）宏观检测：大坝CT技术

通过引进消化吸收，开发了基于弹性波的大坝CT检测技术，可获取大坝断面内的弹性波波速分布。研究表明弹性波波速分布可反映内部混凝土的缺陷状况：波速高的区域相对质量较好，反之较差。确定病变缺陷部位后，即可进行第二步，“活检”，即钻芯取样并对芯样进行微裂纹定量分析。

（2）微观分析：大坝芯样活检

为了能对大坝混凝土芯样内的微裂纹进行定量分析，研制了世界首台大坝混凝土微结构定量分析仪，扫描范围可达45cm*45cm，精度2um，可获取芯样内微裂纹长度、宽度、密度和气泡结构参数等，可定量评估大坝混凝土老化状态或损伤程度，并能对损伤老化原因给出分析。

▲  大坝混凝土微结构定量分析仪

主要功能与先进性

01基于弹性波的CT技术，可通过弹性波波速获取大坝断面内混凝土物理力学性能，获取缺陷部位和分布；相对于电磁波CT、地震波CT，大坝CT技术，弹性波波速参数和混凝土强度相关性好，穿透性强，可穿透50米以上，重复性好。02基于数字图像处理技术的混凝土微裂纹定量分析技术，可获取大坝混凝土内部全景微裂纹密度。该技术的核心是课题组研制的世界首台大坝混凝土微结构定量分析仪，扫描范围可达40cm*40cm以上，可获取大坝混凝土的微裂纹密度、孔结构特征参数等，进而对大坝的损伤程度进行定量评估。03基于冲击弹性波的检测技术，可利用测得的弹性波波速探测大尺寸构件的内部缺陷和动弹性模量，对混凝土劣化状态和趋势进行评价。04基于数字图像处理的表观缺陷定量评估技术，利用数字图像处理、三维激光扫描及实时动态定位（GNSS RTK）等技术，可实现对水工混凝土建筑物表观缺陷（裂缝、剥蚀、渗漏等）的快速、准确、定量评估。



技术指标

 大坝CT技术   

多通道（≥12~20个）水声接收传感器，多通道（≥12~20）数据采集、处理和分析；支持自行走电磁线圈振源，测试深度可达50米左右。

 基于全景微结构定量分析的大坝混凝土健康诊断技术  

● 识别的最小裂纹宽度/最小孔径：2um

● 最大扫描范围：40cm*40cm

● 扫描形状：矩形和圆形

● 最大拼接图像个数：20000张

● 单张全景图像最大存储空间：80Gb

 基于冲击弹性波的无损检测评估技术 

研制的宽频带表面波激振装置和电功率信号源，实现了变幅稳态表面波检测，表层分辨率达3cm，有效解决了单侧临空面水工建筑物表层质量检测的技术难题。

基于数字图像的水工混凝土建筑物表观缺陷定量评估技术  

● 识别的最小裂纹宽度/最小孔径：0.1mm

● 裂缝长度测量精度：3%；最大扫描范围：40cm*40cm

● 100m*100m坝面检测耗时：2小时

获奖情况

获国家科技进步二等奖1项

获大禹水利科学技术进步奖二等奖一项

发明专利2项

软件著作权2项

专著1部

发表论文30余篇

多项成果鉴定认为达到国际领先和先进水平

主要应用领域与案例

01

混凝土大坝老化状态的定量评估

大坝CT技术及基于全景微结构定量分析技术，可应用于混凝土坝的内部质量检测、缺陷检测、老化病害定量分析。

▲ 大坝CT检测现场

▲  漫湾大坝断面CT检测结果

▲ 漫湾大坝混凝土芯样全景微微裂纹

对漫湾大坝混凝土芯样进行了系统的全景微结构定量分析，获取了典型部位芯样的微裂纹分布、微裂纹密度、气泡含量、气泡孔径分布等；与芯样弹性波波速、大坝CT结果等互相验证，得出了大坝混凝土无明显碱骨料反应老化迹象、表层混凝土轻微老化的结论。

02基于冲击性弹性波的水工混凝土无损检测主要用于水工建筑物的内部质量缺陷，大坝溢流面、闸墩、隧洞衬砌、渡槽等结构；利用基于弹性波的CT技术对南水北调某大型渡槽槽墩混凝土内部缺陷进行了检测评估，效果良好。

▲ 某大型渡槽槽墩内部质量缺陷检测评估

03 基于数字图像的水工混凝土建筑物表观缺陷定量评估

主要用于建筑物表面的外观缺陷，主要用于面板堆石坝面板、长距离引水隧洞、混凝土坝、溢洪道、渡槽等。

利用三维激光扫描技术和后期虚拟现实技术对某长距离输水隧洞进行衬砌裂缝分布、外观缺陷及渗漏检测，真实再现各时间节点隧洞老化病害情况。

▲  三维激光扫描测量洞径、缺陷分部情况

采用全景高清光学成像及自动智能拼接技术对山西某面板堆石坝进行了面板裂缝分布、长度等检测，为后期裂缝处理提供了依据。

 ▲  某面板坝表面裂缝的识别和分析

我国为数众多的混凝土老坝、老化混凝土建筑物都面临安全评估难题，通过上述大坝CT技术和活检技术，可获得建筑物的整体健康状况、局部部位的病变程度和病因分析，为后续制订科学合理的修补加固措施提供依据。