熊波

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

水電站在長期運行過程中，建筑物都會出現(xiàn)不同程度的變化，變化的嚴(yán)重程度將直接影響水工建筑物的安全運行。同時，監(jiān)測設(shè)施在長期運行中也難免會出現(xiàn)故障，若不及時修復(fù)處理，監(jiān)測工作將失效，不能達(dá)到監(jiān)控目的。某電站長期運行中監(jiān)測儀器已基本失效，對該電站監(jiān)測系統(tǒng)展開儀器鑒定評價和修復(fù)設(shè)計工作，通過修復(fù)后的監(jiān)測儀器和物探檢測相結(jié)合的數(shù)據(jù)成果，對判定建筑物的變化位置、嚴(yán)重情況及所制訂的解決方案具有重要的指導(dǎo)意義。

1 儀器安全鑒定評價工作

水工建筑物大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測大壩運行工況、及時發(fā)現(xiàn)工程安全隱患的重要手段，也是水工建筑物運行管理的耳目。大壩安全監(jiān)測評價系統(tǒng)是對水工建筑物大壩安全監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)的檢測、數(shù)據(jù)比對和成果評價，在查閱監(jiān)測儀器安裝埋設(shè)資料、數(shù)據(jù)比對和測試，并通過對儀器安裝至今已有的監(jiān)測資料進(jìn)行整編分析等工作的基礎(chǔ)上，對整個大壩安全系統(tǒng)從設(shè)備選型、監(jiān)測設(shè)施工作狀態(tài)、監(jiān)測系統(tǒng)完備性、可靠性等方面作出綜合性評價。同時，對大壩監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)評級后，提出監(jiān)測設(shè)施增設(shè)、封存、報廢、更新改造的意見和建議。

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)概況

為了解和掌握水工建筑物的運行狀況及其變化規(guī)律，根據(jù)有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合某水電站工程的具體情況，監(jiān)測的建筑物有：主廠房、泄洪沖沙閘、左非溢流壩和右非溢流壩。設(shè)置的監(jiān)測項目主要有上下游水位、變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、上下游沖淤等。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)評價方法

通過現(xiàn)場檢查、測試和歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)合各建筑物的結(jié)構(gòu)特性和運行情況，最終對監(jiān)測系統(tǒng)作出有效評價。

1.3 現(xiàn)場檢查、測試成果及評價

對現(xiàn)場33支弦式儀器進(jìn)行了測試，儀器布置情況表和現(xiàn)場測試成果如下所示（見表1、表2）。

表1 大壩滲壓計布置情況表（部分儀器列表）

表2 弦式儀器現(xiàn)場測試成果表（部分儀器列表）

由表可見：現(xiàn)場測試合格的儀器有4支，占總數(shù)的12.12%；不合格的有29支，占總數(shù)的87.88%。對儀器工作狀態(tài)的評價不僅依據(jù)現(xiàn)場測試的成果，還需要結(jié)合每支儀器的歷年測值過程線的分析成果來評判儀器工況（見表3）。

表3 弦式儀器綜合評價成果表

2 監(jiān)測修復(fù)設(shè)計和監(jiān)測成果

2.1 監(jiān)測修復(fù)設(shè)計

該壩區(qū)從左至右依次布置左岸非溢流壩（長368 m）、左岸儲門槽壩段（長18 m）、泄洪沖沙閘（長283 m）、右岸儲門槽壩段（長18 m）和右非溢洪道（長22.55 m）。通過監(jiān)測儀器鑒定評價結(jié)論和查閱相關(guān)資料及現(xiàn)場踏勘，電站安全監(jiān)測系統(tǒng)基本屬于失效狀態(tài)。

該樞紐工程監(jiān)測的建筑物有：主廠房、泄洪沖沙閘、左非溢流壩和右非溢流壩。根據(jù)樞紐監(jiān)測原設(shè)計的監(jiān)測項目和相應(yīng)規(guī)程規(guī)范，計劃修復(fù)的監(jiān)測項目包括：樞紐區(qū)環(huán)境量；樞紐建筑物變形監(jiān)測水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)、垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)；大壩變形、滲流滲壓；樞紐邊坡變形監(jiān)測［2］。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)成果

按照監(jiān)測修復(fù)設(shè)計項目，對已實施完成的大壩18個測壓管孔滲壓計近1年的監(jiān)測成果進(jìn)行分析如下：

（1）在0+172.30斷面共設(shè)計3個測壓管，從上到下依次為P10、P11、P12，P10、P11在鉆孔施工中出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，監(jiān)測成果需結(jié)合檢測情況進(jìn)行分析，表中數(shù)據(jù)僅供參考；P11測點最高水頭值13.54 m，水位高程在228.18 m。

（2）在0+250.50斷面共設(shè)計3個測壓管，從上到下依次為P16、P17、P18，該斷面各測點水頭值在8.33～23.25 m之間，水位高程在220.43～229.57 m之間；在土建鉆孔期間，該斷面孔內(nèi)出現(xiàn)冒水和串口冒水，測值成果僅供參考，監(jiān)測成果需結(jié)合孔內(nèi)檢測情況進(jìn)行分析。

3 物探檢測

3.1 檢測目的

結(jié)合監(jiān)測滲壓計數(shù)據(jù)成果和閘墩施工中冒水情況，擬對電廠閘壩閘墩本體及閘墩與建基面之間進(jìn)行物探檢測，為閘墩安全運行提供依據(jù)。采用對穿聲波方法，查明閘墩內(nèi)部的缺陷情況及閘墩與建基面之間是否存在滲漏通道［3］。

本階段電廠閘壩閘墩混凝土檢測共進(jìn)行鉆孔6個，總鉆孔深度184.72 m；鉆孔全景成像檢測24個，總孔深742.634 m；對穿聲波檢測12剖面，總長度356.277 m；單孔聲波檢測24孔，總長度120 m。

3.2 檢測結(jié)果

從測得的對穿聲波檢測結(jié)果來看（見圖1），各對穿剖面波速為4.053～4.539 km/s，平均值為4.291～4.316 km/s，標(biāo)準(zhǔn)差0.133～0.151 km/s。由此可見，各檢測剖面閘墩混凝土波速均在正常波速范圍內(nèi)，且波速相對較高，整個測試閘墩沒有大的缺陷區(qū)域，僅局部相對較低，但都在正常范圍內(nèi)（見表4）；各剖面對穿聲波標(biāo)準(zhǔn)差均較小，說明整個測試剖面代表的閘墩混凝土質(zhì)量較均勻。

表4 電廠閘壩閘墩混凝土對穿聲波檢測簡要情況

圖1 閘墩混凝土對穿聲波檢測成功過程線

3.3 對穿（跨孔）聲波檢測技術(shù)

3.3.1 檢測原理

智能鉆孔電視成像儀是通過孔壁掃描圖像及影像，更直觀地分析孔內(nèi)情況的檢測技術(shù)設(shè)備；能夠?qū)崟r獲得非常清晰的彩色圖像，為判斷地層巖性狀、裂隙、斷層等提供可靠依據(jù)，具有獨特的直觀性和真實性；廣泛應(yīng)用于工程水文地質(zhì)、混凝土、地下管道的檢測中。在工程施工階段可以用來檢查基礎(chǔ)灌漿效果、混凝土施工質(zhì)量，適用于各種類型鉆孔的檢測。

智能鉆孔全景圖像方法可實現(xiàn)鉆孔成像、錄像和軌跡檢測三合一，采用先進(jìn)的DSP圖像采集與處理結(jié)束，畫面清晰細(xì)膩；可實現(xiàn)全孔連續(xù)高清成像，對孔內(nèi)360°全景、全柱面成像，無需調(diào)焦；分析軟件可顯示、輸出平面展開圖及立體柱狀圖，立體柱狀體可360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

3.3.2 檢測結(jié)果

從鉆孔全景成像檢測成果分析（見圖2、圖3），各閘墩混凝土正常，膠結(jié)基本良好，無明顯的骨料分離現(xiàn)象。P8孔14.40～14.60 m混凝土結(jié)合面膠結(jié)較差；20.26～23.78 m為暗紅色細(xì)砂巖；32.10～32.52 m混凝土被掏空（見表5）。

表5 電廠閘壩閘墩鉆孔全景成像檢測簡要描述表

圖2 P8孔14.40～14.60 m混凝土結(jié)合面

圖3 P8孔20.26～23.78 m為暗紅色細(xì)砂巖

3.4 對單孔聲波檢測技術(shù)

3.4.1 檢測原理

聲波檢測是利用聲波在某介質(zhì)中的傳播特性，對被檢測物體進(jìn)行檢查或測定的方法和技術(shù)；聲波在介質(zhì)中傳播時，通過人工激振法，使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點沿聲波的傳播方向振動，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化，接收被測介質(zhì)的聲波參數(shù)；經(jīng)過數(shù)據(jù)計算整理和分析，確定巖土介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，了解其內(nèi)部缺陷。聲波檢測具有輕便、靈活，可以大范圍測試等優(yōu)點［4］，在水利、市政等地下工程中得到廣泛應(yīng)用。

單孔聲波檢測用于檢測巖體質(zhì)量、洞室圍巖松弛深度等，在檢測物上通過鉆孔方式，在一個鉆孔內(nèi)，使用一發(fā)雙收聲波換能器發(fā)射和接收聲波信號，根據(jù)聲波到達(dá)兩接收換能器的旅行時間差，分析計算孔壁混凝土的聲速。發(fā)聲換能器通常采用圓管形壓電陶瓷發(fā)射聲波脈沖，散射半角為θ1，其大小與發(fā)射換能器中壓電陶瓷圓管的高度h有關(guān)。引用惠更斯原理，在波的傳播過程中所到達(dá)的孔內(nèi)壁上都可以看作是新的波源，按照臨界角的子波折射回鉆孔中，采用換能器接收（見圖4）。

圖4 單孔聲波檢測觀測系統(tǒng)示意圖

式中，Vp為巖體聲波速度；△L為S1、S2兩個接收換能器間的距離；t1、t2分別為發(fā)射換能器分別到達(dá)S1、S2接收換能器的時間。

3.4.2 檢測結(jié)果

從測得的單孔聲波檢測結(jié)果分析，孔單孔波速4.082～4.651 km/s，平均值為4.267～4.462 km/s，標(biāo)準(zhǔn)差0.130～0.173 km/s。由此可見，P1、P2、P3、P9、P10、ZK2、P18孔測試區(qū)段混凝土波速均在正常波速范圍內(nèi)，且波速相對較高，說明測試區(qū)段沒有掏空等缺陷；各孔對穿聲波標(biāo)準(zhǔn)差均較小，說明測試區(qū)段閘墩混凝土質(zhì)量較均勻。

P8孔32.0 m以下波速偏低，說明該處混凝土存在缺陷；經(jīng)與對穿聲波與鉆孔全景圖像綜合分析，該缺陷為掏空。

3.5 檢測結(jié)論

通過對閘墩及底板的跨孔聲波檢測、單孔聲波檢測，結(jié)合鉆孔全景成像檢測，可以得出：

（1）閘墩混凝土絕大部分聲速較高，對穿波速4.053～4.539 km/s，單孔波速4.082～4.651 km/s，混凝土膠結(jié)良好，總體質(zhì)量較好。

（2）閘墩部分混凝土存在骨料分離現(xiàn)象，砂礫石集中。主要部位：P8孔14.40～14.60 m、ZK3孔19.40～20.25 m。存在部分混凝土被掏空，P8孔32.10～32.52 m、P13孔32.10～32.40 m、P16孔27.32～29.39 m。

（3）少數(shù)部位存在波速偏低，經(jīng)與對穿聲波與鉆孔全景圖像綜合分析，該缺陷為掏空，主要部位：P8孔32.0 m以下、P13孔31.9 m以下、P16孔27.2 m以下。

（4）對于閘墩發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，需采取一定的修補措施。對于閘底板以下的掏空部位，可采取細(xì)石混凝土或水泥砂漿進(jìn)行修補；對比底板以上部分，可采用水泥灌漿或化學(xué)灌漿的方式修補。

4 閘墩修復(fù)

4.1 閘墩破壞情況

通過對該水電站大壩閘室邊墻和底板水下檢查，發(fā)現(xiàn)10號閘左右兩側(cè)閘墩、16號閘左側(cè)閘墩、17號閘左側(cè)閘墩、18號閘右側(cè)閘墩以及15號閘閘底板存在破損掏空現(xiàn)象。破壞位置均位于檢修閘門槽和工作閘門槽的預(yù)埋鋼板附近。其中，10號閘左右兩側(cè)閘墩為表面破損，16號閘左側(cè)、17號閘左側(cè)、18號閘右側(cè)的閘墩均存在貫穿破壞，導(dǎo)致閘門關(guān)閉時泄洪閘（沖沙閘）存在漏水現(xiàn)象（見圖5）。

圖5 左、右兩側(cè)閘墩情況

4.2 閘墩破壞原因分析

閘墩破壞表現(xiàn)為閘室門槽側(cè)墻二期混凝土及沿二期混凝土與一期混凝土結(jié)合處出現(xiàn)坑洞及貫穿孔，水流從貫穿孔流出，導(dǎo)致工作閘門后出現(xiàn)了漏水的現(xiàn)象。從閘墩破壞區(qū)域所處位置判斷，閘門開啟（特別是局部開啟）運行時，工作門槽與底板結(jié)合區(qū)域閘墩邊墻可能存在負(fù)壓及較強水流脈動，極易造成混凝土的沖蝕破壞。因此，閘墩破壞原因為閘墩門槽二期混凝土澆筑質(zhì)量稍差，門槽二期混凝土自身強度及二期混凝土與一期混凝土粘接強度不夠以及閘墩破壞部位混凝土遭受高速、強脈動水流沖蝕作用造成。

4.3 閘墩修復(fù)關(guān)鍵點

基于閘墩破壞原因，本工程閘墩修復(fù)關(guān)鍵點為：

（1）修補材料需要有足夠的自身強度。

（2）修復(fù)施工時，需做好新老混凝土界面處理，并設(shè)置錨筋，以加強新老混凝土的粘接強度。

（3）缺陷修復(fù)外立面需保證較高的平整度，以減輕水流沖蝕破壞。

4.4 施工方案簡述

從閘墩的破壞情況來看，閘墩破壞區(qū)域大，破壞部位均基本存在貫穿孔；如閘墩破損不及時修復(fù)，一旦破損范圍進(jìn)一步擴大，將會影響到閘墩自身的穩(wěn)定，繼而影響整個大壩的安全［5］。對比分析設(shè)計報告提出的干地施工方案和水下施工方案，干地施工方案修復(fù)徹底、全面、修復(fù)效果好、技術(shù)難度低，為閘墩修復(fù)的優(yōu)選方案。

根據(jù)本次閘墩修復(fù)技術(shù)要求及工期實際情況，在2020年汛前采用水下施工方式對閘墩缺陷進(jìn)行應(yīng)急搶險修補，施工方案為潛水員潛入水下，針對泄洪閘（沖沙閘）閘墩、底板進(jìn)行水下修復(fù)［6］：

·閘墩、閘底板水下復(fù)查。

·閘墩修復(fù)前，需對水下已知缺陷逐一進(jìn)行復(fù)查。

·閘墩表面缺陷水下修補。

5 結(jié)語

在水電站建設(shè)及長期運行中，通過工程安全監(jiān)測和物探檢測手段融合的方式進(jìn)行監(jiān)測和判斷，可為維護(hù)水工建筑物的安全提供技術(shù)指導(dǎo)，及時發(fā)現(xiàn)隱患并有效處理，為水電站的長期安全運行起到保駕護(hù)航的作用。