基于耦合分析的水利工程混凝土渗漏监测方法

陈济钊

(广宁县水利水电工程质量监督站，广东 广宁 526300)

0 引 言

水资源是人类赖以生存与发展的基础能源，为更好地利用水资源，水利工程的修建一直是国家重点关注的民生工程之一[1]。在现代水利工程建设中，一般都是以混凝土加钢筋的结构组成，而混凝土在设计、施工、运营过程中不可避免地会受到外界环境、操作技术以及材料质量的影响，可能存在裂缝、孔洞等现象，随着强大的水压，而出现混凝土渗漏问题。混凝土一旦出现渗漏，水利工程的稳定性和安全性就会快速降低，严重威胁人们的生命财产安全[2]。在此背景下，更好地对水利工程问题进行预测预报，提高水利工程建设质量以及水利工程混凝土渗漏监测具有重要的现实意义。

对于水利工程混凝土渗漏监测方法的研究有很多，如丁凯对地质雷达用于防渗墙工程质量检测的方法进行了研究并应用；杨建中等进行了低应变反射波法基桩完整性检测的应用研究；肖康等将物探法应用在汉江蜀河水电站进行围堰渗漏部位探测，成功判断出主要渗漏部位。以上方法虽然都能得出一定的结论，但是由于混凝土渗漏检测试验都是在常规试验条件下进行的，没有或是仅考虑到一种物理场对混凝土渗漏的影响，导致监测结果与实际环境下水利工程混凝土渗漏结果存在较大误差。

针对上述问题，本文基于耦合分析进行水利工程混凝土渗漏监测方法研究。该研究首先建立混凝土样本，分析实际环境下所遭受到的物理场并进行耦合，作用到混凝土样本上，然后在混凝土样本上布设监测设备，最后结合Matlab软件，得出混凝土样本渗漏发展态势曲线，分析耦合条件下，混凝土样本的渗漏情况。结果表明，本文耦合分析下监测出来的渗漏结果与实际结果更为接近，由此可知本文耦合分析很好地模拟了现实环境中水利工程混凝土所遭受的物理场，解决了以往水利工程混凝土渗漏监测“考虑不周”的问题，为研究工程混凝土的渗透破坏奠定基础。

1 多种物理场耦合作用下水利工程混凝土渗漏监测研究

混凝土是水利工程建造的主要材料，具有良好的可可塑性、耐久性，且价格较低，原材料丰富。但是混凝土受到外界环境、操作技术以及材料质量等的影响，容易产生裂缝、孔洞，因此渗漏是水利工程混凝土易发病害之一[3]。渗漏的混凝土会逐渐破坏其结构，造成结构松散，导致整体失去效用，因此为保证混凝土结构的稳定性和安全性，预测其使用寿命，以便及时进行修复，在水利工程混凝土正式建造前进行渗漏监测研究是必要的。

1.1 混凝土样本

首先按照施工要求，配比混凝土。本次制作混凝土样本原料和配比情况见表1。

表1 混凝土样本原料和配比情况

按照表1中配比混合制成混凝土浆，采用木模浇筑成型，形成尺寸为80 cm×30 cm×30 cm的长方体混凝土块，将其放置在(20±5)℃室温下约 24 h 后拆模，随即放入养护室进行标准养护 28 d温度为(20±2)℃，湿度为 95%以上[4]。

本次制成的混凝土样本有3组：第1组混凝土样本无损伤，作为参考系；第2组混凝土样本表面有人造孔洞，孔洞直径为1 cm，深度为3 cm；第3组混凝土样本有人造裂缝，裂缝宽度为0.5 mm，深度2 cm。样本图见图1。

图1 混凝土样本示意图

1.2 多物理场耦合作用

耦合分析是指在进行目标物体的某种性能或性质变化情况分析时考虑到的两种或两种以上物理场产生的交叉作用[5]。为准确分析出混凝土渗漏情况，对水利工程混凝土遭遇的物理场进行分析，然后利用相关工具进行模拟物理场对混凝土样本施加作用。

通常混凝土所受的环境作用包括力学、化学、物理作用等，尤其对于海工混凝土而言，所处环境就更为复杂：①水利工程上的混凝土必然会持续来自水体的荷载作用力，而持续的荷载会导致混凝土产生裂缝并扩展，使得水渗透到缝隙中，产生渗漏；②水中尤其是海水中，会含有可溶性盐和硫酸盐，会对混凝土产生一定的腐蚀作用，且有可能扩大空洞规模，渗漏更为严重；③水波运动会对混凝土造成干湿循环交替的作用，而这种干湿循环交替会加速对混凝土的破坏作用，使得渗漏加剧[6]。总而言之，本文的多物理场耦合作用包括3种，即荷载、干湿交替、盐溶液。根据上述描述，构建一个耦合物理场。

构建一个耦合物理场需要用到的荷载加载装置、烘箱以及硫酸钠溶液。具体构建过程如下：

1) 腐蚀物理场采用质量分数为5%的硫酸钠溶液来构建。

2) 干湿交替物理场构建方法如下：首先将3组混凝土样本放入烘箱中，设置烘烤温度为60℃，烘烤时间为45 h，然后取出，室温放置3 h，再放入硫酸钠溶液中浸泡24 h，取出后室温风干3 h。以上操作流程循环3次[7]。

3) 荷载物理场构建方法如下：采用四点弯曲弹簧加载装置对干湿交替后的3组混凝土样本进行长期恒定加载。荷载加载标准为40%的弯曲荷载率。

注：混凝土样本进行耦合作用前，需要利用环氧树脂对成型面和两个端面进行密封处理。

1.3 检测与布置

针对多物理场耦合作用下的3组混凝土样本的渗透情况进行监测。监测点布置情况见图2。

图2 监测点布置情况

将混凝土样本1和样本3放入装有硫酸钠溶液池内，水深超过样本高度；将水注入混凝土样本2的孔洞，并保证孔内一直充满水[8]。在上述状态下均保持10 h，期间每隔30 min采集数据一次。

混凝土样本渗透情况监测主要用到两种工具：①探地雷达；②微波湿度仪。示意图见图3和图4。

图3 探地雷达原理示意图

图4 微波湿度仪原理示意图

1.3.1 探地雷达

探地雷达可以应用于混凝土结构无损检测、建筑结构探伤、桥梁隧道检测、衬砌厚度及内部缺陷检测、路基病害检测，路面及机场跑道厚度检测及分层分析、路面下管线等埋设物探测、地质勘查、考古等行业领域。在本文中，探地雷达主要用于对混凝土样本进行整体扫描，判定渗漏部位，也就是损伤部位[9]。

探地雷达首先将发射天线紧贴在物体表面，然后发射高频电磁波，当高频电磁波在物体中传播时，一旦遇到存在电性差异的界面时，会产生反射回波信号，通过接收天线采集这些反射信号并数字化，最后根据这些反射信号推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度等状态信息[10]。

在混凝土渗漏监测中，渗透水流使渗漏部位或浸润线以下介质的相对介电常数增大,与未发生渗漏部位介质的相对介质常数有较大的差异,在雷达剖面图上产生反射频率较低、反射振幅较大的特征影像，以此可推断发生渗漏的空间位置、范围和埋藏深度[11]。

1.3.2 微波湿度仪

由于探地雷达只能检测出混凝土渗漏发生的空间位置、范围和埋藏深度等，但是无法对渗漏程度进行准确判断，因此需要微波湿度仪进行进一步探测。微波湿度仪是一个利用微波穿透物料的湿度检测设备，其原理与探地雷达相类似，它是通过发射微波，然后采集反射后的微波信号，最后通过分析反射波的电磁参数，实现渗漏程度判断[12]。总而言之，使用微波传感器,测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含水量。

2 渗漏监测结果分析

根据上述监测结果，结合Matlab软件，得出混凝土样本渗漏规律，进行多种物理场耦合作用下水利工程混凝土渗漏情况分析。

2.1 第1组无损伤混凝土样本

见表2和图5。

表2 无损伤混凝土样本渗透情况

图5 无损伤混凝土样本含水量变化趋势

1) 由表2可知，随着时间增长的延长，无损伤混凝土样本渗透深度不断加深，但是加深程度最终也仅达到1.326 0 cm，对整体混凝土结构影响程度并不大。

2) 由图5中的A线趋势可知，水在无损伤混凝土样本中的渗漏比较平均，基本处在一个水平线上。

3) 由图5中的B线变化趋势可知，随着深度(混凝土样本高度)的增加，混凝土含水量越少，也就是越接近水面，含水量越大。总而言之，不存在损伤的混凝土渗漏情况不会影响整体结构的性能和状态，与其说是“渗漏”，不如说是“渗透”[13]。

2.2 第2组表面有孔洞混凝土样本

见表3和图6。

表3 孔洞混凝土样本渗透情况

续表3

图6 孔洞混凝土样本含水量变化趋势

1) 由表3可知，随着时间增长的延长，渗透深度不断加深，且与表2中的渗透深度相比数值更大，且深度增长速度也更快，造成上述情况的主要原因是空洞的存在。

2) 由图6(a)中的A线趋势可知，混凝土样本渗漏以孔洞为中心逐渐向四周扩散，且扩散状态为水量逐渐衰减，最终渗透直径达到1.093 2。

3) 由图6(b)中的B线变化趋势可知，以孔洞最终深度为起点，随着深度(混凝土样本高度)的增加，混凝土含水量越少，最终在600 min后，混凝土含水量停留在0.66%数值上[14]。总而言之，孔洞的存在会加速混凝土渗漏情况。

2.3 第3组有人造裂缝混凝土样本

见表4和图7。

表4 裂缝混凝土样本渗透情况

图7 裂缝混凝土样本含水量变化趋势

1) 由表4可知，随着时间增长的延长，渗透深度不断加深，在240 min后水已经填满整个缝隙，之后开始沿着缝隙逐渐渗透，但速度较慢。

2) 由图7(a)中的A线趋势可知，混凝土样本渗漏以裂缝处为中心以逐渐衰减的态势向四周扩散，但扩散直径基本控制在0.6 cm以内。

3) 由图7(b)中的B线变化趋势可知，渗透在240 min之间，速度最快。因为在这一时间段内，水主要流往裂缝当中，之后速度减慢，但仍沿着缝隙向下延伸，含水量逐渐减少。

总而言之，在多物理场耦合作用下，混凝土已经出现孔洞、裂缝等问题，而这一问题会加剧渗漏速度和渗漏程度。因此，在混凝土防治中，应该注意对孔洞、裂缝等问题的处理。而且一旦发生孔洞、裂缝等问题，需要在有效的时间内，及时进行控制和处理[15]。

3 结 语

综上所述，为更好地调配水资源，提高水资源利用率，水利工程的修建必不可少。在水利工程修建中，混凝土设施的建造是最常见的。混凝土价格低廉，耐久性好，但是受到多物理场的耦合作用，也易发生渗漏现象。在此背景下，为更好地防治混凝土渗漏，探测其渗漏规律具有重要的现实意义。为此，本文进行了基于耦合分析的水利工程混凝土渗漏监测方法研究。通过研究，分析了600 min内混凝土在3种工况下的渗漏情况，取得了阶段性成果，为水利工程问题的预测预报以及安全运行提供科学依据。