某水利樞紐工程溢洪洞襯砌結(jié)構(gòu)的混凝土質(zhì)量檢測技術(shù)

吳育學(xué)，吳建東

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；2. 甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

該水利樞紐工程是以城鄉(xiāng)生活供水及工業(yè)供水、生態(tài)環(huán)境用水為主的大型水利樞紐工程。水庫正常蓄水位為2202.00 m，校核洪水位2205.11m，總庫容為 9.43億m3，調(diào)蓄保證引洮供水5.5億m3，屬于全年調(diào)節(jié)水庫；攔河大壩最大壩高為133.00 m，壩型為混凝土面板堆石壩。該工程2004年12月開工，溢洪洞圍巖為巨厚層狀角礫狀灰?guī)r和灰?guī)r，斷層和長大裂隙發(fā)育。至2009年10月31日，兩條溢洪洞防滲固結(jié)灌漿施工完成，溢洪洞總滲漏量減少到約100L/s，比灌漿前減少了約80%。襯砌混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號為C30/F200/W6。

本工程地處高寒高海拔地區(qū)，經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，1#、2#溢洪洞洞身襯砌混凝土存在不同程度的凍融破壞及局部洞身段滲水量較大等問題。滲漏的主要原因是斷層裂隙發(fā)育，水庫高水位運(yùn)行時庫水沿?cái)鄬蛹傲严稘B入隧洞，同時工程在建設(shè)期間為加快施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)提前發(fā)電的目的，1#、2#溢洪洞均存在未按設(shè)計(jì)要求完成洞身混凝土襯砌的問題。

2 檢測方法

結(jié)合本工程溢洪洞在運(yùn)行期間出現(xiàn)的凍融破壞及滲水問題，我們對該工程的混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測研究，從而得到工程質(zhì)量缺陷現(xiàn)狀，為后續(xù)的缺陷處理方案提供相關(guān)資料。本次混凝土質(zhì)量檢測分別在1#、2#溢洪洞隧洞底板及左右側(cè)墻進(jìn)行，以洞長50 m劃分檢測單元，每100 m采用超聲波法檢測混凝土的凍融破壞情況。

根據(jù)現(xiàn)行水利規(guī)范等相關(guān)規(guī)定，結(jié)合本工程溢洪洞運(yùn)行現(xiàn)狀，為更準(zhǔn)確地獲得混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)，綜合使用回彈法、碳化深度檢測法、超聲波法、鉆芯法對混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測與分析。使用地質(zhì)雷達(dá)反射波探測法對襯砌結(jié)構(gòu)混凝土凍融破壞進(jìn)行檢測與分析[1- 5]。檢測結(jié)果可為1#、2#溢洪洞缺陷處理方案的專題設(shè)計(jì)工作提供技術(shù)依據(jù)。

3 混凝土強(qiáng)度檢測

3.1 回彈法強(qiáng)度檢測

回彈法以反彈距離與彈簧初始長度之比作為與強(qiáng)度相關(guān)的指標(biāo)來推定混凝土強(qiáng)度[6- 10]。該工程溢洪洞襯砌混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30MPa，典型樁號的混凝土回彈強(qiáng)度檢測結(jié)果見表1。

由表1可知，1#溢洪洞左側(cè)墻混凝土強(qiáng)度平均值為20.3MPa，其中小于15MPa的數(shù)據(jù)占該表試驗(yàn)數(shù)據(jù)的15.38%，大于30MPa的數(shù)據(jù)占比0%；右側(cè)墻混凝土強(qiáng)度平均值為16.59MPa，其中小于15MPa的數(shù)據(jù)占比46.15%，在15～20MPa之間的數(shù)據(jù)占比30.77%，大于30MPa的數(shù)據(jù)占比0%；左右側(cè)墻混凝土強(qiáng)度均小于30MPa。由于2#溢洪隧洞中0+028至0+428段左側(cè)墻面潮濕，剝蝕嚴(yán)重，且澆筑面面積小，無法進(jìn)行回彈試驗(yàn)，因此選擇對0+428至0+805段進(jìn)行回彈試驗(yàn)。2#溢洪洞右側(cè)墻面強(qiáng)度平均值為20.9MPa，其中在15～20MPa之間的數(shù)據(jù)占8.57%，在20～25MPa之間的數(shù)據(jù)占比71.43%；右側(cè)墻面強(qiáng)度平均值為21.2MPa，其中在20～25MPa之間的數(shù)據(jù)占比75%；左右側(cè)墻混凝土強(qiáng)度均小于30MPa。

3.2 混凝土鉆芯法強(qiáng)度檢測

3.2.1鉆芯取樣單元劃分

鉆芯法是測量混凝土強(qiáng)度的方法之一，通過壓力機(jī)檢測混凝土取樣鉆芯的抗壓強(qiáng)度[3，8，11]。溢洪洞底板及左右側(cè)墻按照50m一個單元來取樣檢測。

3.2.2鉆芯法強(qiáng)度檢測結(jié)果

將現(xiàn)場取的芯樣編號包裝帶回試驗(yàn)室，按照高徑比為1∶1的比例在鋸石機(jī)上截取試樣，然后在壓力機(jī)上做混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[3，12- 16]?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度為30MPa，典型樁號的檢測結(jié)果見表2。

由表2 可知，1#溢洪洞底板混凝土抗壓強(qiáng)度小于15MPa的數(shù)據(jù)占試驗(yàn)數(shù)據(jù)8.33%，在20～30MPa之間的數(shù)據(jù)占比41.67%；左側(cè)墻混凝土抗壓強(qiáng)度在15～20MPa之間的數(shù)據(jù)占比33.33%，大于30MPa只占8.3%；右側(cè)墻混凝土抗壓強(qiáng)度在15～20MPa之間的數(shù)據(jù)占比58.3%，20～30MPa的數(shù)據(jù)占比41.67%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度30MPa。2#溢洪洞底板混凝土抗壓強(qiáng)度在15～20MPa之間的數(shù)據(jù)占比25%，大于30MPa的數(shù)據(jù)占比16.67%，多數(shù)實(shí)芯低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度30MPa；左右側(cè)墻混凝土抗壓強(qiáng)度在15～20MPa之間的數(shù)據(jù)占比16.67%，大于30MPa的數(shù)據(jù)占比8.33%。結(jié)果表明，1#、2#溢洪洞襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度大部分低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度30MPa。

3.2.3對鉆芯樣進(jìn)行超聲波檢測

本次超聲波檢測采用NM- 4A型非金屬超聲波檢測儀。建立混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性波速的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可以看出，抗壓強(qiáng)度與彈性波速的相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)為0.853。這表明可以用正相關(guān)來表示抗壓強(qiáng)度與彈性波速的關(guān)系。

3.3 混凝土超聲波檢測

本次超聲波檢測采用平測法進(jìn)行檢測，在1#、2#溢洪洞左右側(cè)墻每100 m作為一個檢測單元，底板因砂石覆蓋和水流因素?zé)o法檢測。典型樁號的檢測強(qiáng)度結(jié)果見表3。

表1 1#、2#溢洪洞混凝土回彈法檢測抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表 單位: MPa

表2 1#、2#溢洪洞混凝土鉆芯法強(qiáng)度檢測結(jié)果 單位: MPa

圖1 彈性波速與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

表3 1#、2#溢洪洞混凝土超聲波檢測結(jié)果 單位：m/s

由表3可知，1#溢洪洞左側(cè)墻從0+028至0+328段所測得波速相對較小，均低于3000m/s，右側(cè)墻從0+028至0+328段所測得波速低于3500m/s，判斷此段混凝土強(qiáng)度相對較低、受損嚴(yán)重，內(nèi)部有架空或不密實(shí)現(xiàn)象。2#溢洪洞左側(cè)墻從0+028至0+528段所測得波速相對較小，均低于2500m/s，2#溢洪洞右側(cè)墻從0+028至0+428段所測得波速相對較小低于3000m/s，可以判斷混凝土強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)值。

綜合混凝土的回彈法、鉆芯取樣、超聲波檢測結(jié)果，溢洪洞混凝土強(qiáng)度均小于30MPa，因此該工程溢洪洞襯砌混凝土強(qiáng)度不符合工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 碳化深度測量

混凝土的碳化深度檢測對評定混凝土質(zhì)量有著重要的意義，是評價混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一[11- 12]?；貜椫禍y量完畢后，選擇代表性的測區(qū)上進(jìn)行碳化深度值的測量，測點(diǎn)數(shù)不少于測區(qū)數(shù)的30%，取其平均值作為該構(gòu)件每個測區(qū)的碳化深度值。測量碳化深度值時，先用手工鑿或電動沖擊鉆在回彈值的測區(qū)內(nèi)，鉆一個直徑20 mm、深70 mm的孔洞，將孔洞內(nèi)的混凝土粉末清除干凈，然后用1.0%～2.0%酚酞乙醇溶液滴在孔洞內(nèi)壁的邊緣處，并觀察顏色變化。如果混凝土未碳化，顯示則為紅色，若已碳化則不變色。再用碳化深度測定儀測量混凝土碳化深度值，讀數(shù)精度到0.5 mm。典型樁號的碳化深度檢測結(jié)果見表4。

表4 1#、2#溢洪洞碳深度成果匯總表

由表4 可知， 1#溢洪洞左側(cè)墻0+000至0+200段混凝土碳化嚴(yán)重，其中在0+100至0+150段有嚴(yán)重碳化，碳化深度超過保護(hù)層厚度，屬于C類碳化。右側(cè)墻0+450至0+600段屬于C類碳化。2#溢洪洞右側(cè)墻混凝土碳化屬于正常碳化，碳化深度沒有超過保護(hù)層平均厚度。由此可見左右側(cè)墻混凝土澆筑不均勻，密實(shí)性差。

4 混凝土凍融破壞檢測

通過對1#溢洪洞左右側(cè)墻距底板約1m范圍內(nèi)二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測， 發(fā)現(xiàn)1#泄洪洞左側(cè)墻存在內(nèi)部缺陷10處，右側(cè)墻存在內(nèi)部缺陷8處，缺陷類型主要為脫空、空洞、不密實(shí)、鋼筋錯位及缺失等，典型樁號缺陷檢測結(jié)果見表5。

由于2#溢洪隧洞中0+028至0+480段墻面潮濕，表面結(jié)冰，因此無法使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測試驗(yàn)，所以試驗(yàn)從0+480段開始。經(jīng)檢測，2#泄洪洞左右側(cè)墻二次襯砌結(jié)構(gòu)較為完整，在左側(cè)墻0+706—0+708、右側(cè)墻0+670—0+671范圍內(nèi)存在內(nèi)部缺陷各1處，缺陷類型主要為脫空、不密實(shí)。結(jié)合混凝土襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測結(jié)果，混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)段均出現(xiàn)了不同程度的碳化程度與凍融破壞現(xiàn)象。同時該工程地處高海拔寒冷地帶，混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)更加劇了凍融作用對襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。

表5 1#溢洪洞襯砌缺陷檢測統(tǒng)計(jì)表

5 襯砌混凝土質(zhì)量等級

襯砌混凝土質(zhì)量評定采用的分級標(biāo)準(zhǔn)見表6。該工程混凝土抗壓強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)值，部分洞段混凝土碳化程度嚴(yán)重，超過保護(hù)層厚度，由探地雷達(dá)檢測結(jié)果可知，洞段多處出現(xiàn)脫空、空洞、不密實(shí)等質(zhì)量缺陷，綜合評定該襯砌混凝土質(zhì)量為III類缺陷。

表6 襯砌混凝土質(zhì)量等級劃分

6 結(jié)語

為研究該工程運(yùn)行期間出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷情況，采用回彈法等多種檢測技術(shù)對該工程溢洪洞隧洞底板及左右側(cè)墻襯砌混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了檢測，采用探地雷達(dá)方法對凍融破壞程度進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)與取樣分析。檢測結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度均不滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，且多處出現(xiàn)脫空、不密實(shí)等現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場勘查情況與試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析，混凝土出現(xiàn)凍融破壞的主要原因是施工不合格導(dǎo)致的混凝土強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)值。該工程溢洪洞混凝土質(zhì)量缺陷為III類缺陷，屬于較嚴(yán)重缺陷，對該建筑物的安全性和耐久性有一定影響，如進(jìn)一步發(fā)展則危害嚴(yán)重。