水電站鋼襯混凝土結構脫空缺陷定量檢測應用研究

張 輝，劉國慶，劉 棖，范子武，趙洪波，程和森

(1.福建水口發(fā)電集團有限公司，福建 福州 350001；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

水電站鋼襯混凝土結構脫空缺陷定量檢測應用研究

張 輝1，劉國慶2，劉 棖1，范子武2，趙洪波2，程和森2

(1.福建水口發(fā)電集團有限公司，福建 福州 350001；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

利用中子法探查厚鋼襯下混凝土脫空方法原理、檢測儀器及技術指標，對福建水口電站7臺機組的轉輪室現(xiàn)場進行檢測，檢測結果表明，不同機組轉輪室都存在分散性的小片或零星孤立的脫空深度小于3 mm的微小脫空區(qū)域，除1#機組轉輪室外，都存在局部孤立的脫空深度在3～10 mm脫空點，受鋼板脫落影響，僅3#機組轉輪室存在脫空大于10 mm的脫空區(qū)域，后期對其進行了灌漿處理和復測，并對復測結果給出了指導性意見。另外，針對3#、4#、6#機組轉輪室熱中子計數(shù)明顯偏高的現(xiàn)象，分別從灌漿、背景含水量、氣蝕等方面對其進行了合理性分析。中子法脫空檢測技術在機組轉輪室鋼襯下混凝土脫空檢測中的成功應用，為水利工程鋼襯下混凝土永久埋設部件工程建設與運行期安全監(jiān)督提供了可靠的檢測手段與科學依據(jù)。

中子法；脫空檢測；鋼襯混凝土；轉輪室

水力發(fā)電工程中，水工建筑物的引輸水管道、排沙管道、發(fā)電機組管形座、轉輪室、蝸殼以及尾水管等壓力管道內，經常使用鋼板里襯下澆筑混凝土的施工工藝[1-2]，但由于施工條件限制，大多數(shù)工程存在質量問題，鋼板與砼的結合面容易產生脫空或空洞缺陷，造成鋼板里襯變形失穩(wěn)，嚴重影響工程的運行安全[3-6]。因此，需要在機組建設期或運行期對上述部位進行現(xiàn)場檢測，探查出脫空缺陷的位置和程度并做相應處理。

目前，工程上多采用槌擊法檢查脫空缺陷[5-6]。該方法是聽槌擊的聲響，憑個人聽覺判斷，其可靠性差、準確率低。尤其是不同厚度鋼板槌擊后響應聲音差別很大，當鋼板較薄時，該方法過于敏感，容易造成誤判，從而導致誤打許多無用灌漿孔，造成鋼板原有結構和強度不必要的破壞。當鋼板厚度很大或脫空中充滿水時，該方法可靠性更差。并且，槌擊法是一個粗略的定性判別方法，不能定量測定脫空深度大小，給灌漿處理增加難度。曾試圖采用X射線、γ射線和超聲波等方法進行檢測，但是X射線穿透力弱，γ射線存在輻射防護上的困難，未能達到理想效果[7]。實際工程中還要兼顧經濟效益，需要在日常維護的大小修期間內完成脫空缺陷的檢測與處理，因此，需要一種有效的無損、快速、定量地探測鋼襯砌砼脫空缺陷的方法。

利用中子無損檢測方法探查厚鋼板下混凝土脫空缺陷是南京水利科學研究院開發(fā)的一項核子檢測技術[8]。該項檢測技術是利用快中子慢化原理，讓快中子穿過鋼板與鋼襯下混凝土材料相互作用，從而被慢化減速產生熱中子。只要鋼襯下混凝土在平面上和沿深度方向上充填分布不均勻，即存在脫空缺陷，在相應部位測點上熱中子分布就會出現(xiàn)異常。用熱中子探測器探測檢測面上各測點處的熱中子計數(shù)率，根據(jù)測取的熱中子計數(shù)率大小變化和分布規(guī)律，可探查出鋼襯下混凝土脫空缺陷[9]。本項中子檢測技術能無損、快速、準確和安全地探查出厚度達60 mm鋼板下澆注混凝土脫空缺陷，并能確定脫空缺陷平面分布范圍和深度。

1 工程概況

福建水口電站位于福建省閩清縣境內的閩江干流上，上游距離南平市94 km，下游距離閩清縣城14 km，距福州市84 km[10]。水口電站1993年建成，是華東地區(qū)裝機容量最大的常規(guī)水電站，包括1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#共7臺發(fā)電機組，大壩全長870 m，高101 m，水庫正常蓄水位65 m，汛期(4～7月)運行限制水位61 m。保證出力26萬kW，年平均發(fā)電量49.5億kW/h，總裝機140萬kW，電站建成后向華東電網(wǎng)和福建電網(wǎng)供電[11-12]。

2015年9月至2016年2月，為查清和處理1#～7#機組轉輪室鋼襯下混凝土存在的脫空缺陷隱患，確保機組安全運行，利用中子無損檢測技術先后對1#～7#機組轉輪室鋼襯下混凝土脫空缺陷進行了全面檢測，探查脫空缺陷范圍和深度，以便為脫空灌漿處理提供科學依據(jù)和指導。其中，3#機組鋼板脫落，重新修補并灌漿后進行了復測。

2 檢測內容和室內標定

本次檢測采用的中子探測器是用鋰玻璃作為閃爍體的閃爍探測器，主要由鋰玻璃閃爍體、光電倍增管以及計數(shù)器組成，使用中子源Am-241/Be，其中子通量約為1.3×105/s，活度為3.7×109Bq，檢測時每測點測量時間為30 s。

2.1 中子法檢測內容

本次檢測工作主要利用中子法對水口電站1#～7#機組轉輪室中環(huán)、下環(huán)進行全面檢測，探查出砼脫空范圍和深度，供灌漿布孔定位提供依據(jù)。另外，根據(jù)實際需要和檢測結果安排復測，同前期觀測結果比較，評價前期灌漿效果并為后期是否安排灌漿布孔提供參考。各機組轉輪室檢測時機依據(jù)各機組安排的大修、小修時間確定，測點布置將依據(jù)轉輪室的結構確定。

2.2 室內標定實驗

根據(jù)中子散射法檢測原理，測點處熱中子計數(shù)率大小不僅與該測點下鋼板脫空深度有關，同時還受到鋼板厚度和砼材料實際含水量大小影響。因此，熱中子計數(shù)率并不能直接用來計算脫空深度，需要在確定鋼板厚度和被測砼材料含水量之后，才能根據(jù)測點處的熱中子計數(shù)率確定該點的脫空深度，而且熱中子計數(shù)率與脫空深度兩者之間的數(shù)學關系需要進行室內標定試驗。鋼襯下混凝土脫空體積越大，熱中子計數(shù)率越高，由于中子探測器檢測斷面的截面積一定，檢測斷面下的熱中子計數(shù)率只與脫空深度有關。

為了滿足現(xiàn)場試驗的要求，本次室內標定試驗采用鋁板與聚乙烯板復合材料模擬一種密度和含水量當量與混凝土相似的材料，通過調整鋁板與聚乙烯板配比模擬不同密度、含水量的混凝土試驗標塊。具體模擬實驗參數(shù)包括，3種鋼板厚度分別為40、16、12 mm，四種含水量分別為160、206、311、520 kg/m3，開展兩個模擬實驗分別如下。

(1) 同一鋼板厚度，零脫空條件下，不同含水量與熱中子計數(shù)率的關系。

(2) 同一含水量，脫空深度與熱中子計數(shù)率的關系。

通過上述工況的室內模擬實驗，在鋼板厚度不變，零脫空的條件下，得到不同含水量與熱中子計數(shù)率的關系，根據(jù)這一關系可以先判斷實際工況下的含水量情況，再通過室內實驗模擬同一含水量時，脫空深度與熱中子計數(shù)率的關系，從而判斷出相應的脫空深度。由于室內試驗與實際工況下的鋼板下砼的含水量本底值會存在差異，因此對脫空深度的刻畫采用不脫空、<3 mm脫空、3～10 mm脫空、>10 mm脫空4種區(qū)間，在實際工程應用中一般僅對處于3～10 mm和>10 mm區(qū)間內的大脫空進行灌漿處理。

圖1 不同鋼板厚度條件下熱中子計數(shù)與含水量關系Fig.1 Relationship between thermal neutron count and water content under different thickness of steel plate

統(tǒng)一含水量條件下，熱中子計數(shù)率與脫空深度之間的二次擬合關系為y=ax2+bx+c，具體系數(shù)列于表1。

2.3 轉輪室結構與測點布置

本次脫空檢測對象為1#～7#機組轉輪室的中環(huán)和下環(huán)，其高度分別為1 040 mm和1 200 mm，鋼板厚度分別為40 mm和30 mm，不同機組轉輪室結構相同，轉輪室為近似圓柱形，直徑8.3 m，沿圓周方向有4條豎直焊縫，48條縱向筋板，縱向筋板間距520 mm；6條橫向筋板，以中環(huán)、下環(huán)交界面為界分上、下兩部分，中環(huán)間距520 mm，下環(huán)間距400 mm，轉輪室鋼板從進人孔沿順時針方向可分為48節(jié)鋼板，編號為b1～b48。

本次檢測范圍為1#～7#機組轉輪室中環(huán)下半部分和下環(huán)的圓周面。以進人孔處的豎直焊縫為筋板標號b1，沿轉輪室圓周的順時針方向每隔520 mm為一個筋板標號，共設置了48條豎向筋板標號，每兩條筋板標號之間等分布置兩條測量斷面，共96條豎直測量斷面；同時，以補償段與下環(huán)的分界線為0號橫向筋板，向上依據(jù)橫向筋板結構布置橫向測量斷面，標號為1、2、3、4、5，以中環(huán)與下環(huán)的交界，上部筋板標號間隔260 mm、上環(huán)筋板標號間均勻布置2條測量斷面，下部筋板標號間隔400 mm，下環(huán)筋板標號間均勻布置3條測量斷面，那么，96條豎直測量斷面與5條橫向測量斷面的交匯點即為測點，總共布置了測點480個。轉輪室中環(huán)以測點為中心，形成近似260 mm×260 mm的正方形網(wǎng)格，總計192個測點；轉輪室下環(huán)以測點為中心，形成近似260 mm×400 mm的長方形網(wǎng)格，總計288個測點。儀器探頭放在以上方形網(wǎng)格中心進行逐點測量，這種測量網(wǎng)格的布置是基于考慮探測器的平面測量范圍，以保證不存在測量盲區(qū)。轉輪室結構及測點布置示于圖3、圖4。

圖2 熱中子計數(shù)率與脫空深度關系Fig.2 Relationship between thermal neutron counting rate and depth of inner cavity defects

含水量/(kg·m-3)不同鋼板厚度下的擬合系數(shù)40/mm16/mm12/mma(×10-5)b(×10-3)c(×10-3)a(×10-5)b(×10-3)c(×10-3)a(×10-5)b(×10-3)c(×10-3)160-040168-072-164384-083-534607-310206-3031299-142-655390083-315537404311-120236249-272562-165-589784115520-240321-192-396729-281-9591028059

圖3 轉輪室結構圖Fig.3 Structure of the runner chamber

圖4 測點布置圖Fig.4 Arrangement of measuring point

3 結果和分析

3.1 檢測結果

本次水口電站轉輪室鋼襯下混凝土脫空檢測時機安排依據(jù)電站機組大修、小修時間進度控制，1#機組受槳葉位置的限制，轉輪室中環(huán)上部位置b4～b7、b12～b15、b20～b23、b28～b31、b36～b39、b44～b46的4號、5號共48個測點無法測量，3#機組轉輪室存在鋼板撕裂脫落現(xiàn)象，在進行鋼板焊接，根據(jù)初測結果指導灌漿后進行了復測。現(xiàn)場檢測時根據(jù)轉輪室結構特點，合理布置測點，依據(jù)熱中子計數(shù)率的大小、分布規(guī)律，按機組序號排列，采用脫空情況統(tǒng)計表對各臺機組轉輪室脫空情況進行統(tǒng)計，結果列于表2。

表2 水口電站1#～7#機組轉輪室脫空檢測結果統(tǒng)計表

3.2 綜合分析

(1) 表2統(tǒng)計了1#～7#機組轉輪室混凝土不脫空區(qū)域、脫空深度<3 mm、脫空深度3～10 mm和脫空深度>10 mm區(qū)間對應的脫空面積占總面積的比例，結合1#～7#機組轉輪室1～48斷面鋼襯混凝土脫空分布情況，發(fā)現(xiàn)1#～7#機組轉輪室都存在分散性的小片或零星孤立的點狀<3 mm的微小脫空區(qū)域，這些脫空多為混凝土或水泥砂漿干縮造成的微小剝離性脫空。除1#、5#機組轉輪室外，都存在局部孤立的3～10 mm脫空點，僅3#機組轉輪室存在>10 mm的脫空區(qū)域。

(2) 受鋼板脫落影響，3#機組轉輪室鋼板破壞區(qū)域附近脫空情況相對嚴重，檢測面上存在多塊小片3～10 mm和>10 mm的脫空區(qū)域。灌漿處理后的復測表明，除了鋼板脫落區(qū)外，其他區(qū)域受灌漿影響，脫空基本消失，但在新修補的鋼板b39～b41斷面的5號測點處熱中子計數(shù)總體偏低，表明該部位灌漿不夠充分，管理單位采納了指導意見并完成了灌漿處理。

(3) 3#、4#、6#機組轉輪室存在熱中子計數(shù)明顯偏高區(qū)域，對應的面積分別占總測量面積的15.71%、1.25%、5.63%，但區(qū)域內并無脫空。3#機組某些部位熱中子計數(shù)明顯偏高是由于灌漿時高含水量的漿液所造成，4#、6#是由于鋼襯下混凝土本身含水量背景值高，或是由于鋼板局部氣蝕滲水造成。

(4) 根據(jù)灌漿處理時布孔測深與脫空檢測結果對比，其數(shù)據(jù)一致，表明與槌擊法相比，中子法能夠進一步定量測定脫空深度，可避免誤打灌漿孔，造成鋼板原有結構和強度的破壞，因此保障了灌漿質量，提高了灌漿效率。

4 小結

轉輪室鋼板下混凝土脫空的形成主要存在兩種情況，一種是建設期混凝土澆筑質量問題形成的脫空，另一種是機組運行期間由于負荷的變化引起振動或其他物理、化學作用造成的脫空，因此，建議定期安排機組轉輪室的脫空檢查，同時利用本次的檢測結果進行對比分析，判斷造成轉輪室鋼板下混凝土脫空可能的原因，保障機組的運行安全。

本次采用中子法檢測手段對鋼襯下混凝土進行脫空檢測，取得了可靠的測量結果，該技術已在我國多個大型水利、水電和航運工程中，特別是水庫大壩引水、排沙和輸水鋼管以及水電機組尾水管、管形座和機組轉輪室、蝸殼鋼板下混凝土脫空缺陷檢測中進行了應用。相對傳統(tǒng)的槌擊法，中子無損檢測技術在指導灌漿施工、檢查或評價灌漿效果、保證灌漿質量方面具有不可比擬的優(yōu)點。

[1] 易瑞吉. 鋼板與澆注砼結合面脫空缺陷中子無損探測及結果數(shù)字顯像方法研究[D]. 南京：南京水利科學研究院,2007.

[2] 程和森,曹更新,王守家,等. 鋼板下澆注混凝土空洞缺陷中子探查新技術[J]. 水利水運科學研究,1998(3):255-261.

Cheng Hesen, Cao Gengxin, Wang Shoujia, et al. Neutron texting method for detecting cavity defect of pour concrete under steel liner[J]. Hydro-Science and Engineering, 1998(3): 255-261(in Chinese).

[3] 陳育森. 鋼板混凝土襯砌回填灌漿施工技術[J]. 中國農村水利水電,2004,10:43-44.

Chen Yusen. Backfill grouting construction technology for steel plate concrete lining[J]. China Rural Water and Hydropower, 2004, 10: 43-44(in Chinese).

[4] 晏國順,張富家,王旭明. 中子無損檢測法在瀘定水電站蝸殼脫空檢測中的應用[J]. 水力發(fā)電,2011,05:83-84+88.

Yan Guoshun, Zhang Fujia, Wang Xuming. Application of neutron non-destructive testing method in the void detection of spiral case in Luding hydropower station[J]. Water Power, 2011, 05: 83-84+88(in Chinese).

[5] 裴少英,涂善波,高拴會. 蝸殼鋼襯下混凝土脫空缺陷檢測中中子無損探測法的應用[J]. 物探與化探,2013,02:363-367.

Pei Shaoying, Tu SHanbo, Gao Shuanhui. The application of neutron non-destructive detection method to cavity defects detection of concrete under the spiral case steel liner[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2013, 02: 363-367(in Chinese).

[6] 張嘉曄,孫新寧. 萬家寨水電站蝸殼外圍混凝土施工控制[J]. 電力學報,2003,04:319-321.

Zhang Jiaye, Sun Xinnin. Control over the concrete outside of the snail-shell-shape hydro power plant in Wanjiazhai[J]. Journal of Electric Power, 2003, 04: 319-321(in Chinese).

[7] 程和森,曹更新,魏明成,等. 厚鋼板下澆注混凝土內部空洞缺陷中子檢測技術試驗研究[R]. 南京:南京水利科學研究院,1996.

[8] 程和森,曹更新,李樟蘇. 用中子技術檢測鋼板下砼空洞方法：中國,ZL92112969.6[P]. 1996-07-26.

[9] Drozdowicz K, Gabańska B, Igielski A, et al. Experimental detection of the hydrogen content in rock material by a pulsed neutron method[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2006, 247(2): 349-360.

[10]朱艷華. 水口電站主廠房裂縫成因探析[J]. 大壩與安全,2010,03:20-22.

Zhu Yanhua. Analysis on the cause reason of cracks at Shuikou hydropower house[J]. Dam and Safety, 2010, 03: 20-22(in Chinese).

[11]程和森,王守家,曹更新,等. 中子法無損檢測水力發(fā)電站轉輪室鋼襯混凝土脫空缺陷[J]. 同位素,2003,16(3):138-142.

Cheng Hesen, Wang Shoujia, Cao Gengxin, et al. The non-destructive detecting of inner cavity defect of concrete under steel plate lining of the runner chamber of hydro-power plant by using neutron method[J]. Journal of Isotopes, 2003, 16(3): 138-142(in Chinese).

[12]陳子坎. 水口水電站4號機組水輪機轉輪室鋼襯混凝土脫空的檢測與處理[J]. 大壩與安全,2004,03:60-62.

Chen Zikan. Detecting and treating for steel-lined concrete gap at turbine runner chamber[J]. Dam and Safety, 2004, 03: 60-62(in Chinese).

Study on Application of Quantitative Detecting of Inner Cavity Defect of Concrete Under Steel Plate Lining of Hydro-power Plant

ZHANG Hui1, LIU Guo-qing2, LIU Cheng1, FAN Zi-wu2, ZHAO Hong-bo2, CHENG He-seng2

(1.FujianShuikouPowerGenerationGroupCo.,Ltd.,Fuzhou310001,China; 2.NanjingHydraulicResearchInstitude,Nanjing210029,China)

A brief description of the principle, detection equipment and technical indexes of neutron method was used to detect the inner cavity defect of concrete under steel palte lining. The specific introduction of site testing conditions and results of 7 runner chambers in Shuikou hydro-power plant were described in this article. The results showed that each runner chamber had several pieces or isolated inner cavity defects, which depth were less than 3 mm. Except 1# runner chamber, all of the rest had isolated inner cavity defects which depth were within from 3 mm to 10 mm. Affected by falling of steel plate, the depth of inner cavity defects in 3# runner chamber were larger than 10 mm. A remeasurement for 3# runner chamber after grouting was carried out, and summarized guidance for the retested results. In addition, the reasonable analysis was did in the aspect of grouting, the water content of the background and cavitation for the high thermal neutron count of 3#, 4# and 6# runner chamber. The successful application of neutron method for detecting inner cavity defect of concrete under steel plate lining of the runner chamber provides a reliable means of detection and scientific basis to the construction and operation safety of permanent components embedded in concrete in water conservancy projects.

neutron method; cavity detection; concrete under steel plate lining; runner chamber

2016-10-19;

2017-01-02

國家自然科學基金項目(41402217)；中國博士后基金項目(2014M561686)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務專項基金(Y115003)

劉國慶(1984—)，男，安徽涇縣人，在站博士后，主要從事地表與地下水運動模擬及水利工程檢測方面的研究，E-mail: gqliu@nhri.cn

TL364.5

A

1000-7512(2017)03-0194-06

10.7538/tws.2016.youxian.051