混凝土重力壩病害探測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

劉康和，童廣偉，林大明

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 工程概況

龍口水利樞紐基本壩型為混凝土重力壩， 水工建筑物包括攔河壩、河床式電站廠房、泄流底孔、表孔、副廠房及開(kāi)關(guān)站等。 攔河壩壩頂高程900m，壩頂全長(zhǎng)408m，最大壩高51m。水庫(kù)總庫(kù)容1.96億m3，電站總裝機(jī)容量為420MW，工程為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大（2）型。 大壩自左岸至右岸劃分為1#～19#共19個(gè)壩段， 其中：1#、2#壩段為左岸非溢流壩段；3#、4#壩段為主安裝場(chǎng)壩段；5#～8#壩段為河床式電站廠房①～④號(hào)機(jī)組即大機(jī)組壩段；9#壩段為河床式電站廠房⑤號(hào)機(jī)組即小機(jī)組壩段；10#壩段為副安裝場(chǎng)壩段；11#壩段為隔墩壩段；12#～16#壩段為底孔壩段；17#、18#壩段為表孔溢流壩段；19#壩段為右岸非溢流邊坡壩段。近年來(lái)，發(fā)現(xiàn)混凝土重力壩局部滲漏、一級(jí)消力池底板脫空、 發(fā)電機(jī)組立式混凝土蝸殼外圍地面混凝土裂縫及鋼筋銹蝕等問(wèn)題。

2 病害現(xiàn)狀

2.1 混凝土重力壩壩體

混凝土重力壩壩體下游側(cè)局部出現(xiàn)間歇性的滲漏現(xiàn)象， 滲漏嚴(yán)重時(shí)在壩體下游側(cè)呈現(xiàn)明流且滲漏量較大，主要分布：①左岸壩肩與山體結(jié)合部位山體呈現(xiàn)滲漏，滲漏量較大，結(jié)合部位上部有明流。 ②1#壩段水平縫呈現(xiàn)滲漏，滲漏量較小，有滲漏痕跡，部分有明流。③10#～11#壩段橫縫呈現(xiàn)滲漏，滲漏量較大，有明流從壩后中上部橫縫流下。④18#～19#壩段橫縫呈現(xiàn)滲漏，有明流從壩后中部橫縫流下，地面積水嚴(yán)重。 ⑤19#壩段水平縫呈現(xiàn)滲漏，滲漏水明顯，局部明流。

2.2 底孔一級(jí)消力池

一級(jí)消力池底板混凝土破損較為嚴(yán)重， 且消力池底板表面局部存在明顯高差， 其最大高程比設(shè)計(jì)高程高16cm， 推測(cè)消力池底板混凝土存在內(nèi)部缺陷或與下伏基巖之間可能存在脫空缺陷等病害。

2.3 電站廠房

電站廠房某發(fā)電機(jī)組立式混凝土蝸殼外圍地面出現(xiàn)混凝土裂縫，經(jīng)調(diào)查共發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫22條，基本沿水輪機(jī)室呈現(xiàn)放射狀分布， 裂縫長(zhǎng)度一般為2～6m，最長(zhǎng)17m；裂縫寬0.2～0.40mm，最寬處1.07mm。個(gè)別裂縫在每年11月下旬至次年3月之間存在滲漏水現(xiàn)象，有時(shí)滲漏水有壓，滲出時(shí)似泉水，最高可達(dá)2～3cm。由于對(duì)該處裂縫進(jìn)行過(guò)多次灌漿及開(kāi)鑿排水溝導(dǎo)排處理， 但混凝土蝸殼外圍地面裂縫及滲水問(wèn)題仍未得到解決，已嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

3 檢測(cè)工作思路

3.1 大壩滲漏探測(cè)

（1）在滲漏水的橫縫（10#～11#壩段橫縫及18#～19#壩段橫縫）、水平縫（1#、19#壩段水平縫）和左岸壩肩與山體連接部位對(duì)應(yīng)的庫(kù)內(nèi)壩體范圍布置偽隨機(jī)流場(chǎng)法和直流充電法測(cè)線，并以流場(chǎng)法探測(cè)為主，主要目的是探測(cè)壩外滲漏水與庫(kù)水的關(guān)系及庫(kù)內(nèi)壩體入滲點(diǎn)的位置。

（2）在1#壩段壩頂裂隙處，采用直流充電法探測(cè)左岸平硐水池中水是否出現(xiàn)滲漏及滲漏水流向。

（3）通過(guò)偽隨機(jī)流場(chǎng)法供電連通試驗(yàn)，判斷排水孔、平硐水池中水、庫(kù)水與滲漏水之間的連通關(guān)系，確定滲漏水來(lái)源。

（4）在1#、19#壩段（水平縫滲漏水）壩頂布置兩個(gè)鉆孔（編號(hào)為ZK1、ZK19），探查壩體內(nèi)部裂隙和混凝土澆筑分層接觸情況， 判斷壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷與壩體下游側(cè)水平縫滲漏的連通性。鉆孔均采樣編錄，繪制柱狀圖。 終孔后先后進(jìn)行溫度測(cè)井、電視觀察、聲波測(cè)井、壓水試驗(yàn)、芯樣聲波測(cè)試及物理力學(xué)試驗(yàn)。

（5）具體工作程序：①偽隨機(jī)流場(chǎng)法（部分采用直流充電法）→②鉆探→③溫度測(cè)井→④電視觀察→⑤聲波測(cè)井→⑥壓水試驗(yàn)→⑦供電連通試驗(yàn)→⑧巖芯取樣→⑨芯樣聲波測(cè)試→⑩芯樣室內(nèi)試驗(yàn)。

3.2 消力池病害檢測(cè)

（1）采用探地雷達(dá)法探測(cè)表層抗沖磨混凝土與下層常規(guī)混凝土分層及其結(jié)合面狀況。

（2）采用地震映像法探測(cè)下層常規(guī)混凝土與基巖分層及其結(jié)合面狀況。

（3）采用鉆孔取芯、鉆孔編錄、電視觀察、聲波測(cè)井及芯樣試驗(yàn)等方法探查消力池混凝土及基礎(chǔ)是否脫空，并對(duì)底板抗沖磨混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)。

（4）具體工作程序：①探地雷達(dá)法→②地震映像法→③鉆探→④電視觀察→⑤聲波測(cè)井→⑥壓水試驗(yàn)→⑦巖芯取樣→⑧芯樣聲波測(cè)試→⑨芯樣室內(nèi)試驗(yàn)。

3.3 機(jī)組蝸殼混凝土裂縫檢測(cè)

3.3.1 蝸殼地面檢測(cè)

（1）采用超聲橫波三維成像法、探地雷達(dá)法、表面聲波法檢測(cè)混凝土裂縫深度。

（2）采用探地雷達(dá)法、半電池電位法檢測(cè)混凝土內(nèi)鋼筋分布及銹蝕情況。

（3）采用沖擊回波法、探地雷達(dá)法、超聲回彈綜合法、 表面聲波法檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷并推定混凝土抗壓強(qiáng)度。

（4）布置少量小口徑鉆孔鉆取芯樣，并進(jìn)行聲波測(cè)試、電視觀察、芯樣試驗(yàn)等工作，驗(yàn)證檢測(cè)成果、獲得混凝土強(qiáng)度等參數(shù)。

（5）綜合以上檢測(cè)結(jié)果分析判斷混凝土裂縫深度（進(jìn)行分類）及其內(nèi)部缺陷。

（6）工作程序：①探地雷達(dá)法→②超聲橫波三維成像法→③沖擊回波法→④表面聲波法→⑤超聲回彈綜合法→⑥鉆探→⑦電視觀察→⑧聲波測(cè)井→⑨巖芯取樣→⑩芯樣聲波測(cè)試→芯樣室內(nèi)試驗(yàn)。

3.3.2 蝸殼內(nèi)部檢測(cè)

（1）采用超聲橫波三維成像法、沖擊回波法檢測(cè)蝸殼內(nèi)頂部鋼襯與外側(cè)混凝土脫空情況。

（2）采用超聲橫波三維成像法、聲波反射法、沖擊回波法檢測(cè)蝸殼內(nèi)頂部鋼襯外側(cè)混凝土存在的裂縫及深度。

（3）采用超聲橫波三維成像法、探地雷達(dá)法、沖擊回波法檢測(cè)側(cè)墻混凝土存在的裂縫及深度。

（4）綜合以上檢測(cè)結(jié)果分析判斷混凝土內(nèi)部的其他缺陷。

（5）工作程序：①?zèng)_擊回波法→②超聲橫波三維成像法→③聲波反射法→④探地雷達(dá)法。

4 檢測(cè)成果

4.1 大壩滲漏探測(cè)成果

（1）壩后滲漏水均來(lái)源庫(kù)水，但左壩肩與山體結(jié)合部、1#壩段水平縫滲漏水除庫(kù)水外還與左岸平硐水池滲漏水有關(guān)。

（2）庫(kù)內(nèi)入滲點(diǎn)分布位置主要為：①左壩肩與山體結(jié)合部高程890.0～897.0m； ②1#壩段壩0+000.33～壩0+004.0、 高程892.0～897.0m及壩0+010.8～壩0+025.0、 高程877.0～887.0m區(qū)域內(nèi)的兩期混凝土接觸面及附近混凝土內(nèi)裂隙； ③10#～11#壩段橫縫高程877.7 ～878.5m； ④18#～19#壩 段 橫 縫 高 程879.4 ～890.3m、893.8～896.8m； ⑤19#壩段壩0+381.9～壩0+390.9、 高程877.3～880.0m區(qū)域和壩0+383.6～壩0+393.1、 高程895.4～896.8m區(qū)域內(nèi)的兩期混凝土接觸面及附近混凝土內(nèi)裂隙； ⑥右壩肩與山體結(jié)合部壩0+398.1～壩0+408.0、高程889.5～896.4m區(qū)域。

圖1為1#壩段壩0+000.0～壩0+008.5樁號(hào)樁號(hào)段偽隨機(jī)流場(chǎng)法（圖1（a））、直流充電法（圖1（b））滲漏探測(cè)成果對(duì)比圖。 圖1（a）和圖1（b）均在樁號(hào)壩0+000.33～壩0+004.0、 高程892.0～897.0m區(qū)域呈現(xiàn)異常，該異常區(qū)被判定為滲漏區(qū)域，說(shuō)明偽隨機(jī)流場(chǎng)法與直流充電法的探測(cè)結(jié)果是吻合的。

圖1 1#壩段樁號(hào)壩0+000.0～壩0+008.5兩種方法滲漏探測(cè)成果對(duì)比

圖2為18#～19#壩段橫縫及19#壩段庫(kù)內(nèi)入滲點(diǎn)探測(cè)成果圖， 圖中清晰的表征出壩前庫(kù)內(nèi)滲漏區(qū)的位置及范圍。 圖3（a）為鉆孔電視觀察圖像，發(fā)現(xiàn)高程896.3～896.0m段混凝土呈蜂窩狀；圖3（b）為聲波測(cè)井曲線，其高程895.6～896.6m聲波速度很低。 由此說(shuō)明圖2與圖3成果一致。

圖3 19#壩段鉆孔電視觀察及聲波測(cè)井成果

4.2 消力池檢測(cè)成果

（1）二期混凝土與一期混凝土之間膠結(jié)良好；一期混凝土與基巖之間除30#、40#板膠結(jié)稍差外， 其余界面膠結(jié)良好。

（2）7#板1.2m深處、24#板1.6m深處混凝土存在離析，30#板1.7～2.0m、3.8～4.0m深處混凝土呈蜂窩狀，27#板3.5m深處基巖裂隙發(fā)育且較為破碎。

（3）表層抗沖磨混凝土結(jié)構(gòu)厚度范圍為0.20～0.50m，上游較厚，下游偏薄，21#～38#板抗沖磨混凝土結(jié)構(gòu)厚度多小于0.3m。

（4）天然、飽和狀態(tài)抗沖磨混凝土結(jié)構(gòu)單軸抗壓強(qiáng)度均不合格。 天然狀態(tài)抗沖磨混凝土結(jié)構(gòu)單軸抗壓強(qiáng)度范圍值為34.4～58.9MPa， 平均值為48.3MPa，相對(duì)設(shè)計(jì)值降低0%～31.2%， 降低率平均值為8.0%；飽和狀態(tài)抗沖磨混凝土結(jié)構(gòu)單軸抗壓強(qiáng)度范圍值為32.9～54.9MPa，平均值為43.8MPa，相對(duì)設(shè)計(jì)值降低0%～34.2%，降低率平均值為13.3%。

（5）飽和狀態(tài)下層常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)單軸抗壓強(qiáng)度合格， 天然狀態(tài)下層常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)單軸抗壓強(qiáng)度范圍值為25.5～50.7MPa，平均值為33.2MPa。

表1給出了不同檢測(cè)方法解釋成果之間對(duì)比及二期混凝土與一期混凝土接觸狀況綜合分析成果。

表1 二期與一期澆筑混凝土接觸面綜合檢測(cè)成果

表2給出了不同檢測(cè)方法解釋成果之間對(duì)比及一期混凝土與基巖接觸狀況綜合分析成果。

表2 一期混凝土與基巖接觸面綜合檢測(cè)成果

4.3 蝸殼混凝土檢測(cè)成果

（1）根據(jù)蝸殼地面和蝸殼內(nèi)部裂縫檢測(cè)成果分析，發(fā)現(xiàn)1#、9#、10#、16#、17#等5條裂縫為貫穿裂縫。

（2）第一層鋼筋埋深范圍為5～31cm，高差較大。第二層鋼筋埋深范圍為30～50cm。

（3）發(fā)生鋼筋銹蝕概率＞90%的測(cè)點(diǎn)占0.62%，鋼筋銹蝕性狀不確定的測(cè)點(diǎn)占7.02%，不發(fā)生銹蝕的概率＞90%的測(cè)點(diǎn)占92.37%。

（4）蝸殼混凝土內(nèi)部存在蜂窩及不密實(shí)現(xiàn)象，一般越靠近水輪機(jī)墩蜂窩或不密實(shí)現(xiàn)象越多。

（5） 蝸殼內(nèi)部頂板鋼襯和混凝土接觸面局部存在不密實(shí)或脫空缺陷，主要集中在邊部附近。

圖4為蝸殼混凝土地面18#、19#裂縫探地雷達(dá)法、超聲橫波反射三維成像法探測(cè)成果圖， 其中圖4（a）雷達(dá)圖中18#裂縫縱向延伸約50cm，19#裂縫延伸約40cm；而圖4（b）超聲橫波三維成像圖中18#裂縫縱向延伸約49cm。 由此說(shuō)明兩種方法探測(cè)結(jié)果吻合。

圖4 蝸殼混凝土地面18#、19#裂縫兩種方法測(cè)試成果對(duì)比

圖5為蝸殼混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕半電池電位法測(cè)試成果，圖中長(zhǎng)方形框范圍內(nèi)發(fā)生銹蝕概率>90%的區(qū)域、銹蝕性狀不確定區(qū)域、發(fā)生銹蝕概率<10%的區(qū)域均存在，且發(fā)生鋼筋銹蝕的概率很大，需重點(diǎn)關(guān)注并加以防護(hù)。

圖5 蝸殼混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕半電池電位法測(cè)試成果

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)該混凝土重力壩壩體滲漏、消力池底板脫空、機(jī)組蝸殼混凝土缺陷等病害的診斷檢測(cè)，為大壩除險(xiǎn)加固提供了依據(jù)，取得了較好的應(yīng)用效果。由此說(shuō)明，在具備一定物性差異的前提下，適時(shí)選用物理探測(cè)方法進(jìn)行大壩病害診斷非常有效。

（2）混凝土大壩老化病害類型復(fù)雜、種類繁多，且壩體不屬于地質(zhì)體， 其填筑材料和介質(zhì)極不均勻，給病害探查帶來(lái)諸多困難，也對(duì)探測(cè)方法、儀器設(shè)備及數(shù)據(jù)資料分析解譯等提出了特殊要求。因此應(yīng)綜合運(yùn)用物探、鉆探、試驗(yàn)等多種檢測(cè)手段，并盡量采用快速、經(jīng)濟(jì)、非破損探測(cè)技術(shù)，以查明病害的詳細(xì)情況和特征，為制定切實(shí)可行的加固設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。