堆石壩混凝土面板表觀缺陷檢查技術(shù)

黎建洲 程琳 蘇慶 萬(wàn)鵬

摘 要：混凝土面板堆石壩因其壩型優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，但面板病害率較高，容易出現(xiàn)不同的表觀缺陷，長(zhǎng)期發(fā)展會(huì)危及大壩安全。利用多波束測(cè)深系統(tǒng)、水下無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)和水下潛水員等水下檢查技術(shù)，對(duì)潘口水電站面板表觀缺陷進(jìn)行全面、系統(tǒng)、高效的檢查。應(yīng)用成果對(duì)類似工程的面板表觀缺陷檢查具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：混凝土面板堆石壩；表觀缺陷；多波束測(cè)深系統(tǒng)；水下檢查

中圖法分類號(hào)：TV641.4；TV698.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

混凝土面板堆石壩以碾壓堆石體為支撐結(jié)構(gòu)，在其上游表面澆筑混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)的堆石壩，簡(jiǎn)稱面板堆石壩或面板壩，屬于土石壩類型[1]。因其施工簡(jiǎn)便、施工周期短、抗滑抗?jié)B穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)效益突出等優(yōu)點(diǎn)，在目前水電站的壩型設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[2]?；炷练罎B面板與堆石體、結(jié)構(gòu)縫止水帶、周邊趾板在結(jié)構(gòu)上存在材料性能的差異，而且大壩經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，在水力因素和外部環(huán)境的綜合作用下，混凝土面板易產(chǎn)生變形，出現(xiàn)表觀缺陷。運(yùn)營(yíng)期面板表觀缺陷主要表現(xiàn)為：面板擠壓破壞、面板裂縫、面板塌陷、止水失效和地震震損[3]。面板表觀缺陷長(zhǎng)期發(fā)展會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重滲漏，例如溝后水庫(kù)面板堆石壩因防滲面板的破壞最終導(dǎo)致潰決；湖南株樹(shù)橋[4]和白云面板堆石壩[5]因?yàn)榉罎B面板嚴(yán)重滲漏，只能采取放空水庫(kù)庫(kù)容進(jìn)行檢查和除險(xiǎn)加固，耗費(fèi)大量的人力物力，造成經(jīng)濟(jì)效益損失。

目前，面板表觀缺陷主要采用人工普查和水下視頻檢查相結(jié)合的方式。常規(guī)人工普查周期長(zhǎng)、人為誤差大、危險(xiǎn)系數(shù)高，水下視頻檢查局限性大、檢查范圍小、靈活性差，無(wú)法全面高效的掌握整個(gè)面板的現(xiàn)狀。針對(duì)常規(guī)檢查方法的不足，采用多波束測(cè)深系統(tǒng)、水下無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)、潛水員水下檢查三種方式合作，全面高效地對(duì)潘口水電站面板表觀缺陷進(jìn)行檢查，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 檢查方法

采用多波束測(cè)深系統(tǒng)、水下無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)、潛水員水下檢查三種方式合作進(jìn)行堆石壩混凝土面板表觀缺陷檢查，主要有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）先整體后局部。首先利用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)整個(gè)面板進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)，通過(guò)地形數(shù)據(jù)對(duì)比快速確定重點(diǎn)檢查部位，然后對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行詳查。多波束測(cè)深系統(tǒng)的掃測(cè)寬度是水深的4～5倍，系統(tǒng)安裝調(diào)試和面板全覆蓋掃測(cè)一天時(shí)間完成，可以快速掌握整個(gè)面板的現(xiàn)狀，精準(zhǔn)確定重點(diǎn)檢查部位，提高檢查效率。

（2）精確指導(dǎo)除險(xiǎn)加固。對(duì)重點(diǎn)檢查部位采用水下機(jī)器人和潛水員兩種方式進(jìn)行詳查，減少人工水下作業(yè)時(shí)間，降低水下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；根據(jù)多波束水下地形數(shù)據(jù)指導(dǎo)缺陷查找，可以定位缺陷的三維位置，提高缺陷查找的準(zhǔn)確性，對(duì)后續(xù)的除險(xiǎn)加固處理提供精確位置信息。

1.1 多波束測(cè)深系統(tǒng)

多波束測(cè)深系統(tǒng)一般由多波束聲學(xué)換能器、平面定位設(shè)備、姿態(tài)傳感器、聲速測(cè)量設(shè)備、采集軟件、后處理軟件等組成[6]。本文采用的Kongsberg EM2040C（雙探頭）多波束測(cè)深系統(tǒng)，各模塊連接見(jiàn)圖1，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

水下多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是發(fā)射扇面波束，反射信號(hào)經(jīng)換能器接收，通過(guò)波束形成器形成波束，可以在一個(gè)條帶內(nèi)得到上百個(gè)高精度、高分辨率的水下地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)[7]。通過(guò)對(duì)面板水下部分進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)，與水上面板地形數(shù)據(jù)（水上面板地形可以采用全站儀、RTK、三維激光掃描儀等方法進(jìn)行測(cè)量）合并成圖，繪制出面板現(xiàn)狀，與原設(shè)計(jì)面板形狀斷面進(jìn)行比對(duì)，分析出面板塌陷、破壞、隆起、錯(cuò)動(dòng)等重點(diǎn)區(qū)域，直觀全面地展示防滲鋪蓋、蓋重區(qū)完好情況和上游河床的沖淤變化。Kongsberg EM2040C（雙探頭）多波束測(cè)深系統(tǒng)在20 m水深的縱向分辨率為0.359 m、橫向分辨率為0.828 m。

1.2 水下無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)

水下無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)主機(jī)是水下攝像頭、各種檢測(cè)傳感器等集成的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，絞盤及控制管理系統(tǒng)通過(guò)臍帶纜將水面的動(dòng)力和控制命令下傳到水下機(jī)器人（ROV）主機(jī)，將獲取的視頻、聲納及其他傳感器數(shù)據(jù)上傳到地面控制臺(tái)，地面控制臺(tái)控制ROV主機(jī)的運(yùn)動(dòng)、燈光、攝像頭拍攝方向，調(diào)節(jié)搭載的傳感器，顯示并記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)和水下影像。本次檢查采用美國(guó)SeaBotix公司LBV300-5水下無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)（圖2），主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

利用水下無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)對(duì)面板、面板間接縫止水帶及趾板周邊縫進(jìn)行水下視頻普查，對(duì)水下多波束測(cè)量的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行詳查，主要檢查內(nèi)容有：混凝土面板表面隆起、塌陷、剝落、掉塊、疏松；裂縫、擠壓、錯(cuò)動(dòng)、滲漏等缺陷；周邊縫、垂直縫及伸縮縫止水扭曲、斷裂、剝落、保護(hù)蓋損壞、老化等情況[8]。

1.3 潛水員水下檢查

采用潛水員輔以設(shè)備近觀目視、探摸等手段對(duì)混凝土面板表面的缺陷部位寬度、長(zhǎng)度等進(jìn)行測(cè)量，記錄裂縫寬度、長(zhǎng)度、延伸情況及破損部位所處高程等特征信息，對(duì)于滲漏的部位采用噴墨法進(jìn)行滲漏檢測(cè)。

2 潘口水電站混凝土面板檢查

2.1 工程概況

潘口水電站位于湖北省竹山縣境內(nèi)堵河干流上游河段，電站水庫(kù)總庫(kù)容23.38億m3，裝機(jī)總?cè)萘?00 MW，屬Ⅰ等大（1）型工程?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?62.00 m，趾板最低建基面高程248.00 m，面板總面積40 472 m2，最大壩高114.0 m。壩軸線長(zhǎng)292.0 m，壩頂寬9.2 m，上下游壩坡均為1∶1.4?；炷撩姘迳嫌卧O(shè)有蓋重區(qū)（水平寬5.0 m，上游坡比1∶2.5）和防滲鋪蓋區(qū)（水平寬3.0 m，上游坡比1∶1.8），高程均為302.00 m，采用粉砂質(zhì)粘土填筑。

為了掌握上游面板及趾板、面板垂直伸縮縫、面板與趾板間的周邊縫、趾板伸縮縫和防滲鋪蓋、蓋重區(qū)的完好情況，對(duì)潘口水電站面板表觀缺陷進(jìn)行全面系統(tǒng)的水下檢查。

2.2 測(cè)量實(shí)施

2.2.1 多波束水下地形測(cè)量

多波束測(cè)深系統(tǒng)的精度與探頭支架安裝有很大的關(guān)系。一是支架和船體成為一個(gè)整體，船體姿態(tài)測(cè)量能夠很好反映探頭的發(fā)射和接收位置；二是探頭的固定支桿要盡量豎直，發(fā)射探頭要盡量與船中央軸線平行[9]。本次測(cè)量在現(xiàn)場(chǎng)租用鐵皮船，將探頭支架安裝在測(cè)量船左側(cè)船舷距離船頭1/3處，羅經(jīng)固定在探頭頂部的鋼板上，以保證探頭、羅經(jīng)和作業(yè)平臺(tái)的姿態(tài)一致。對(duì)面板上游200 m范圍進(jìn)行全覆蓋測(cè)量，布設(shè)上下游方向長(zhǎng)約100 m的3條校準(zhǔn)測(cè)線測(cè)量，完成校準(zhǔn)測(cè)線往返測(cè)量。

根據(jù)多波束水下地形測(cè)量的平面位置和水位、水深數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，在后處理軟件中生成三維立體地形圖，如圖3所示。

根據(jù)壩軸線及上游面板的分布信息，沿每個(gè)面板中心線共繪制22條縱斷面線，沿壩軸線方向共繪制8條橫斷面線，縱斷面間距24 m，橫斷面間距20 m。將實(shí)測(cè)斷面與設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各面板上游蓋重區(qū)和粉砂質(zhì)粘土區(qū)均存在不同程度的沖刷；蓋重區(qū)沖刷情況較為嚴(yán)重，高程287 m以上填筑的開(kāi)挖石渣基本沖刷殆盡，高程287 m以下剩余少量開(kāi)挖石渣；粉砂質(zhì)粘土區(qū)在287 m高程以上存在少量沖刷，高程287 m以下基本無(wú)沖刷情況；混凝土面板測(cè)量斷面與設(shè)計(jì)斷面基本一致，部分面板在323 m高程以下表現(xiàn)為少量泥沙淤積，自上而下逐漸增厚。

2.2.2 水下無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)檢查

對(duì)上游面板及趾板、防滲鋪蓋、蓋重區(qū)進(jìn)行檢查時(shí)，水下機(jī)器人工作平臺(tái)布置在測(cè)量專用橡皮艇上，采用自帶發(fā)電機(jī)供電，由工作人員在測(cè)量專用橡皮艇上操作水下機(jī)器人完成現(xiàn)場(chǎng)檢查工作，工作平臺(tái)如圖4所示。將ROV用線纜沿面板垂直下水，調(diào)整ROV攝像頭對(duì)準(zhǔn)面板方向，到達(dá)底部高程302 m，為避免因螺旋槳攪動(dòng)導(dǎo)致水體渾濁，由工作人員利用繩索牽引ROV沿面板緩慢向上移動(dòng)，對(duì)面板進(jìn)行檢查。ROV到達(dá)水面后，向右岸移動(dòng)2～3 m，重復(fù)上述操作，直至檢查完成。

通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，面板及趾板結(jié)構(gòu)完好，未發(fā)現(xiàn)混凝土表面出現(xiàn)明顯的隆起、塌陷、掉塊、裂縫等異常情況；面板及趾板在約高程323 m以上位置淤積較少，主要表現(xiàn)為水生物附著；面板及趾板在高程約302～323 m范圍主要表現(xiàn)為泥沙淤積，淤積層自上而下逐漸增厚；面板及趾板表面部分位置存在建筑垃圾、樹(shù)枝等雜物堆積，主要集中在靠近左岸及右岸的面板及趾板，中間壩段面板雜物堆積較少。

2.2.3 潛水員水下檢查

潛水員水下檢查采用管供式空氣潛水進(jìn)行近觀目視和水下攝像檢查。潛水員攜帶專業(yè)的水下監(jiān)控及攝像設(shè)備，對(duì)水面以下的水工建筑物進(jìn)行檢查，水面人員實(shí)時(shí)通過(guò)視頻監(jiān)控設(shè)備觀察水下作業(yè)面的建筑物情況。通過(guò)與潛水員進(jìn)行對(duì)話指引，對(duì)建筑物缺陷部位進(jìn)行重點(diǎn)檢查、測(cè)量，并進(jìn)行水下錄像。在水下視頻監(jiān)測(cè)條件較差部位，潛水員運(yùn)用目視及觸摸探查的手段，檢查建筑物缺陷的位置及范圍。地面工作人員了解水下的缺陷情況后，及時(shí)記錄、整理檢查數(shù)據(jù)，做到檢查作業(yè)資料記錄的同步、真實(shí)、完整。

檢查發(fā)現(xiàn)，面板間垂直伸縮縫壓條及蓋片整體完整，無(wú)老化破損等異常情況，除F2及F20兩條“A”型垂直縫個(gè)別部位存在滲漏，其他部位無(wú)滲漏等異常情況。垂直縫沿高程306 m向下淤積較厚，淤積形式為順壩面方向向下淤積。高程306～302 m范圍內(nèi)垂直縫壓條及蓋片被淤泥覆蓋，經(jīng)潛水員水下探摸檢查垂直縫壓條及蓋片完整，無(wú)老化破損等現(xiàn)象。F2“A”型垂直縫高程324 m處蓋片破裂，三元乙丙復(fù)合蓋板表面裂縫長(zhǎng)40 cm，寬5 cm，混凝土面板表面未發(fā)現(xiàn)明顯破損情況，經(jīng)噴墨檢查存在滲漏現(xiàn)象。F20“A”型垂直縫高程322 m處蓋片破裂內(nèi)部SR填料缺失，三元乙丙復(fù)合蓋板表面向內(nèi)凹陷，呈橢圓形，長(zhǎng)約35 cm，寬20 cm，蓋板表面裂縫長(zhǎng)5 cm，寬3 cm，經(jīng)噴墨檢查存在滲漏現(xiàn)象。

3 滲漏量分析和滲漏處理

3.1 滲漏量分析

潘口水電站壩后堰監(jiān)測(cè)的滲漏量主要有兩個(gè)來(lái)源：大壩、面板及部分庫(kù)盆的滲漏水，以及天然地下水、降雨等。以下從時(shí)域和量值兩個(gè)方面分析。

3.1.1 時(shí)域特性

繪制降雨、庫(kù)水位與壩后量水堰實(shí)測(cè)滲漏量過(guò)程線如圖5所示。

由圖可知：

（1）量水堰D-WE-01滲漏量主要受庫(kù)水位影響。總體而言，庫(kù)水位升高時(shí)，滲漏量增大；庫(kù)水位下降時(shí)，滲漏量減小。滲漏量總體穩(wěn)定，無(wú)趨勢(shì)性變化。

（2）降雨對(duì)滲漏量有一定影響。降雨過(guò)后數(shù)天內(nèi)，滲漏量會(huì)有所增加。

（3）2015年至今滲漏量出現(xiàn)過(guò)兩次峰值，分別為26.31 L/s（2017年10月21日）、28.51 L/s（2020年7月23日）。滲流量達(dá)峰值前均有較大降雨，其中2017年10月1—20日，20 d內(nèi)降雨量達(dá)176.4 mm，2020年7月11—22日，12 d內(nèi)降雨量達(dá)167.5 mm。

3.1.2 量值分析

2015—2020年各年份的特征值見(jiàn)表3，可知：

（1）最大滲漏量為28.51 L/s，發(fā)生在2020年7月23日。

（2）滲漏量主要受庫(kù)水位影響，同時(shí)也受前期降雨影響，年最小值為4.01～13.94 L/s，年最大值為14.76～28.51 L/s，年均滲流量為9.57～15.86 L/s（2020年數(shù)據(jù)至9月30日，不參與年均統(tǒng)計(jì)），較為穩(wěn)定，無(wú)趨明顯勢(shì)性變化。

從過(guò)程線看，總滲漏量主要受庫(kù)水位影響，歷史最大值為庫(kù)水位較高疊加前期降雨量較大兩個(gè)因素時(shí)出現(xiàn)，無(wú)明顯異常，總體滲漏量無(wú)明顯趨勢(shì)性變化。顯示潘口水庫(kù)大壩面板與趾板、垂直防滲帷幕等組成的防滲體防滲效果較好。

3.2 滲透處理

為減少大壩滲漏，保障大壩安全運(yùn)行，對(duì)潘口水電站大壩面板F2及F20垂直縫破損滲漏部位進(jìn)行水下施工處理。施工前，潛水員對(duì)大壩垂直縫滲漏點(diǎn)3 m范圍內(nèi)壓條進(jìn)行拆除，確認(rèn)處理范圍及滲漏等情況。根據(jù)檢查具體情況，確定水下裂縫處理的具體施工方法。施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備—拆除原有SR蓋片—表面清理—嵌填橡膠棒—封堵灌漿—涂刷963—嵌填SR塑性填料—粘貼SR蓋片—固定不銹鋼壓條—水下噴墨攝像檢查驗(yàn)收。處理任務(wù)完成后，用卷尺對(duì)處理范圍進(jìn)行測(cè)量，并用紅墨水對(duì)完工后修補(bǔ)表面進(jìn)行噴墨示蹤檢查[10]，結(jié)果采用水下噴墨示蹤檢查水流流態(tài)無(wú)滲流痕跡，達(dá)到了滲漏處理目的。處理后，壩后量水堰D-WE-01滲漏量由處理前的17 L/s降低為13 L/s，進(jìn)一步說(shuō)明此次水下滲漏修復(fù)效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

采用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)面板進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)，繪制出面板現(xiàn)狀地形圖，與原設(shè)計(jì)面板形狀斷面進(jìn)行比對(duì)，分析確定重點(diǎn)缺陷區(qū)域，再通過(guò)水下無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)和水下潛水員進(jìn)行水下視頻檢查和噴墨示蹤檢測(cè)，確定滲漏情況。檢查獲得的大壩水下面板的影像及數(shù)據(jù)資料，可為水電站運(yùn)營(yíng)期大壩面板管理工作提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[11]。相關(guān)技術(shù)在潘口水電站的實(shí)際應(yīng)用表明，該套檢查方案對(duì)堆石壩混凝土面板的表觀缺陷和滲漏檢測(cè)具有很強(qiáng)的操作性和有效性。

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Inspection Technology for Apparent Defects of Concrete Face Slab of

Rockfill Dam

Li Jianzhou1，2，3，Chenglin4，Suqing4，Wanpeng1，2，3

（1.Engineering Safety and Disaster Prevention Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. Research Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China；3. Research Center on National Dam Safety Engineering Technology，Wuhan 430010，China；4. Hanjiang Hydropower Development Co.，Ltd.，Shiyan 442000，China）

Abstract：Concrete face rockfill dam has been widely used because of its dam type advantages. However，the disease rate of concrete face rockfill dam is still high，and various apparent defects are prone to occur，which endangers the dam safety in the long run. The apparent defects of the face slabs of Pankou hydropower station were inspected by multi-beam sounding system，underwater unmanned detection system and underwater divers in a comprehensive，systematic and effective way. The application results are of referential value for the inspection of apparent defects in similar projects.

Key words：concrete face rockfill dam；apparent defects；multi-beam sounding system；underwater inspection