水下水工建筑物檢測及修復(fù)加固技術(shù)研究

席隆海

（華能瀾滄江水電股份有限公司，昆明 650214）

水下水工建筑物缺陷普遍存在，特別是過流建筑物，常規(guī)修補(bǔ)方法是制造干地施工條件后處理，然而電站投產(chǎn)后很多區(qū)域長期處于水下無法實(shí)現(xiàn)旱地條件，如死水位以下的擋水建筑物以前的混凝土。泄洪洞、放空洞運(yùn)行時(shí)具有高水頭、高流速、大流量等特點(diǎn)極易發(fā)生空蝕空化現(xiàn)象，較其他部位更易產(chǎn)生缺陷。隨著小灣、糯扎渡、向家壩、溪洛渡、錦屏一級(jí)、白鶴灘、烏東德及兩河口等高壩大庫的建成投產(chǎn)以及長期運(yùn)行，輸水洞均或?qū)⒋嬖诓煌潭鹊娜毕?，泄水洞檢修門之前的區(qū)域水頭可達(dá)100 m，甚至數(shù)百米，如即將建成投產(chǎn)的雙江口電站泄洪最大水頭約250 m，同時(shí)檢修門至隧洞進(jìn)口處也長達(dá)數(shù)百米。

根據(jù)《水電站大壩安全現(xiàn)場檢查基本要求》（壩監(jiān)安監(jiān)〔2015〕54 號(hào)）要求，水下建筑物也應(yīng)進(jìn)行檢查，掌握了解運(yùn)行情況，對存在的缺陷應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)加固，雖難度大、造價(jià)高，但我們將不可避免地長期面臨這種情況。特別是水頭達(dá)100 m、長度100 m 以上的雙百“超深超長”隧洞水下修復(fù)加固處理亟待解決，以確保建筑物結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過統(tǒng)計(jì)分析可知，國內(nèi)水庫大壩出現(xiàn)潰壩失事主要原因是泄洪能力不足或泄洪設(shè)施不良，其次是壩體結(jié)構(gòu)原因，再次是超標(biāo)準(zhǔn)洪水，因此必須高度重視掌握泄洪建筑物及泄洪洞、放空洞運(yùn)行情況以及缺陷修復(fù)加固處理。

1 水下檢測方法

為確保水工建筑物的運(yùn)行安全，需定期或不定期對水工建筑物進(jìn)行水下檢查和安全評(píng)價(jià)，以便后續(xù)修復(fù)和維護(hù)。水下檢測具有不要求放空或降低庫水位的優(yōu)勢，對電站供水發(fā)電無任何影響，水下作業(yè)按是否有人可分為潛水員檢測和無人儀器檢測（如ROV 水下機(jī)器人檢查、水下聲納檢測等）2 大類。

1.1 潛水員檢測

載人潛水器HOV 是由人員駕駛操作，配置生命支持和輔助系統(tǒng)，具備水下機(jī)動(dòng)和作業(yè)能力的裝備，按照潛深分類大致分為重型深海型（超過1 000 m 級(jí)）和輕型中淺海型（低于1 000 m 級(jí)），重型深海型大多用于海洋，水電站運(yùn)用僅限于輕型中淺海型。該裝備可以使人親臨水下現(xiàn)場進(jìn)行觀察和作業(yè)，其精細(xì)作業(yè)能力和作業(yè)范圍優(yōu)于ROV，潛水員可攜帶測量工具、水下照相錄像、定位器、水下示蹤、超聲波檢測儀、鉆機(jī)及數(shù)字電視成像技術(shù)等進(jìn)行水下外觀、內(nèi)部缺陷檢查，掌握水下建筑物內(nèi)外部缺陷情況及修復(fù)。但也易受水深、流速等檢測環(huán)境影響，流速超過0.5 m/s、環(huán)境復(fù)雜區(qū)域安全風(fēng)險(xiǎn)大，不能進(jìn)行潛水作業(yè)。

常規(guī)空氣潛水極限作業(yè)水深為60 m，氦氧混合氣潛水最大深度可達(dá)115 m[1]，已成功應(yīng)用于國內(nèi)外多個(gè)電站，但潛水裝置均有減壓、升壓裝置和軟管等，下潛至最深處作業(yè)時(shí)間很短僅僅30 min，水平行走速度在10 m/min，因此對大深度、長距離隧洞無法實(shí)施水下檢查及作業(yè)，同時(shí)存在軟管、導(dǎo)向管等易被水下建筑物裸露的鋼筋或其他帶刺缺陷纏繞，一旦被纏繞處理時(shí)間較長，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。ADS（Atmospheric diving system）常壓潛水系統(tǒng)作業(yè)水深達(dá)300～600 m，無需減壓、升壓，具有4 個(gè)推進(jìn)器、100 磅推力，雙重氧氣支持系統(tǒng)可提供42～48 h 的持續(xù)時(shí)間，非常適合大水深長隧洞作業(yè)；該系統(tǒng)為潛水員提供了更好的身體保護(hù)；18 個(gè)專利旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，提供更好的肢體靈活性，360°旋轉(zhuǎn)機(jī)械手方便作業(yè)；推進(jìn)系統(tǒng)支持ADS 在水中任何位置移動(dòng)；水下定位、聲納掃描、水聲通信、水下作業(yè)監(jiān)控；卓越的人類感知；與飽和潛水相比船員人數(shù)減少，可大幅提高工作效率。

ADS 常壓潛水與ROV 相比，使用ADS 的主要好處包括：敏捷性和靈巧性提高了工作任務(wù)的完成范圍；改進(jìn)感知和反饋，從而加快任務(wù)完成時(shí)間，縮短總體任務(wù)完成時(shí)間；降低了工程成本。與飽和潛水相比，使用ADS 的主要好處包括：一種大氣配置；降低設(shè)備成本；降低人員成本；降低消耗成本；降低船員餐飲和物流成本；降低安全風(fēng)險(xiǎn)；降低動(dòng)員和遣散費(fèi)用；降低行政、培訓(xùn)和人員資格成本；提高安全性。

1.2 無人儀器檢測

當(dāng)流速超過規(guī)定等情況下可采用水下機(jī)器人檢測，根據(jù)使用需求和智能程度可分為拖拽式水下機(jī)器人TUV、遙控式水下機(jī)器人ROV、無人無攬水下機(jī)器人UUV、智能水下機(jī)器人AUV。ROV 根據(jù)作業(yè)水深和功能又分2 種，觀察性ROV，可攜帶攝像頭、聲納等檢查檢測設(shè)備進(jìn)行水下檢查；操作性ROV，可攜帶機(jī)械手，進(jìn)行多種水下作業(yè)[2]。

ROV 水下機(jī)器人廣泛應(yīng)用于水電站水下檢測，主要功能為水下定位和水下攝像，最大潛水深度達(dá)300 m。配有水下照明設(shè)備、潛水電話、水下攝像機(jī)、水深感應(yīng)器、多波速圖像聲納、水下定位系統(tǒng)和機(jī)械手等裝置。此方法利用遙控水下機(jī)器人進(jìn)行水下檢測，具有效率高、工期短、經(jīng)濟(jì)性好、使用安全、易于操作、可靠性高、檢測結(jié)果客觀真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，可搭載多種檢測附件，應(yīng)用效果好，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工水下檢測的不足。

1.3 檢測效果

根據(jù)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，擇優(yōu)選擇適宜的檢測方法，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前水電站各環(huán)境下水下檢測需求。檢測前應(yīng)做好前期調(diào)查，掌握被檢測建筑物及周邊基本情況，編寫檢查大綱比選實(shí)施方案，準(zhǔn)備資源做好安全措施后進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)，收集整理分析數(shù)據(jù)資料，編寫提交檢測報(bào)告。在水電站水下檢測中常用觀察型ROV 水下機(jī)器人檢測，能夠滿足規(guī)范及檢測要求。

ROV 可將人的眼睛和手延伸到ROV 所到之處，信息傳輸實(shí)時(shí)、可以長時(shí)間在水下定點(diǎn)作業(yè)；HOV 可以使人親臨現(xiàn)場進(jìn)行觀察和作業(yè)，其精細(xì)作業(yè)能力和作業(yè)范圍優(yōu)于ROV。根據(jù)目前技術(shù)水平2 種不同的潛水器各有使命，互相不能替代，特別是無人潛水器還替代不了人在現(xiàn)場的主觀能動(dòng)作用[3]。

2 修復(fù)加固技術(shù)研究

水下檢測僅是發(fā)現(xiàn)問題，如何修復(fù)加固、消除隱患才是最終解決問題的關(guān)鍵，如何針對不同缺陷采取經(jīng)濟(jì)技術(shù)最優(yōu)方案是修復(fù)加固的重點(diǎn)。

2.1 實(shí)施環(huán)境比選

2.1.1 旱地實(shí)施修復(fù)加固

國內(nèi)外已有多個(gè)電站通過底孔、泄洪洞的壩前封堵實(shí)現(xiàn)旱地施工條件，典型的有：三門峽、劉家峽、哈薩克斯坦Chardara 和龔嘴水電站等。三門峽在底孔前建立了一個(gè)鋼疊梁圍堰；劉家峽和Chardara 制造了一個(gè)整體的大型浮體閘門，通過潛水員在深水中引導(dǎo)閘門到進(jìn)口相應(yīng)位置，人工牽引閘門就位封堵進(jìn)口；龔嘴采用了分體積木式自動(dòng)封堵浮體閘門，均實(shí)現(xiàn)了旱地施工條件[4]。

劉家峽水電站泄水道2 號(hào)深水底孔，采用了將水下施工與旱地施工相結(jié)合的方案，即利用進(jìn)口喇叭口潛沒式檢修閘門水下封堵泄水道2 號(hào)孔，使其下游形成旱地檢修工況。施工中以浮體門上水艙充水量來調(diào)節(jié)門的下沉力及直立情況，既保證了浮體門的強(qiáng)度與剛度，又避免了起重吊放上的困難。浮體門水下封堵泄水道2 號(hào)孔能否成功取決于橡膠水封的隨形性、浮體門充水直立的可行性、浮體門就位的準(zhǔn)確性及浮體門封堵過程的穩(wěn)定性。通過實(shí)踐最終一次性封堵?lián)跛晒ΓC實(shí)浮體門設(shè)計(jì)與封堵技術(shù)在水工建筑物水下孔洞封堵方面的施工技術(shù)可行性與可操作性。

龔嘴水電站洞口封堵由可調(diào)節(jié)為零浮力的積木式浮體閘門（設(shè)計(jì)水頭100 m、孔口尺寸9 m×15.027 m、8節(jié)門葉、305.8 t）、目標(biāo)靶系統(tǒng)、不平度測量系統(tǒng)、三維驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)就位定位系統(tǒng)、可視化測控導(dǎo)向系統(tǒng)、測控用儀器儀表和潛行式深孔自動(dòng)封堵浮體閘門系統(tǒng)，能夠完成水下孔洞的有效封堵，并成功實(shí)踐于龔嘴水電站10 號(hào)底孔檢修門段50～60 m 水深工況下的封堵。該技術(shù)通用性好、安全性好，能夠減少水下人工作業(yè)；積木結(jié)構(gòu)便于分離拆卸，同一閘門可用于不同工程，降低使用成本即經(jīng)濟(jì)性好[5]。

針對深度更深、隧洞進(jìn)口復(fù)雜的異性機(jī)構(gòu)，目前有相關(guān)單位正聯(lián)系研究機(jī)構(gòu)開展鋼制內(nèi)核+氣囊封堵、多氣囊逐級(jí)減壓封堵等多種封堵方案。經(jīng)專家評(píng)審鋼制內(nèi)核+氣囊封堵方案受庫水位影響小，重量輕、制造可行性高，將成為下一步重點(diǎn)研究方向。

閘門封堵技術(shù)對于壩身泄水孔、引水道進(jìn)水口、泄洪洞進(jìn)口（地形條件適宜）水深在100 m 以內(nèi)可實(shí)現(xiàn)，但閘門制造安裝費(fèi)用較高，利用率低，對于缺陷較少選擇封堵方案經(jīng)濟(jì)性差，同時(shí)封堵門之前部位無法實(shí)現(xiàn)旱地條件。高壩大庫放空洞、泄洪洞大多水深均在100 m以上且檢修門之前隧洞也較長，甚至長達(dá)數(shù)百米，而降低水位、放空水庫經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重、社會(huì)影響大，因此必須選擇經(jīng)濟(jì)技術(shù)更優(yōu)的方案實(shí)施修復(fù)加固方案。

2.1.2 水下實(shí)施修復(fù)加固

水下清淤、打撈已成功在向家壩、溪洛渡、三峽等多個(gè)水電站成功實(shí)施，最大作業(yè)水深達(dá)57 m，采用氣力提升清淤系統(tǒng)結(jié)合水下鉆孔等技術(shù)進(jìn)行清淤；使用高壓水槍將密實(shí)的淤積物沖散后，對于人力能搬動(dòng)的大粒徑塊石雜物由潛水員搬至吊籠集中吊出或鉆孔安裝吊環(huán)吊出[6]。水下修復(fù)加固技術(shù)已日趨成熟，國內(nèi)黃龍灘、葛洲壩、喜河、公伯峽和水布埡等水電站已成功進(jìn)行水下修補(bǔ)加固作業(yè)。其中公伯峽水電站面板壩3#面板水下缺陷修復(fù)，實(shí)現(xiàn)了高海拔（2 010 m）、低水溫（0 ℃）、47 m 水深下對滲漏的混凝土缺陷進(jìn)行處理[7]。

上述作業(yè)水深已接近國標(biāo)規(guī)定的空氣潛水極限，氦氧潛水可進(jìn)一步增加水下作業(yè)深度至100 m。大深度潛水作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高，需要嚴(yán)格執(zhí)行合理的減壓程序，為此配備了減壓艙，采用水下工作20 min、水下減壓30 min、減壓艙減壓30 min 的方案進(jìn)行作業(yè)，潛水作業(yè)時(shí)間短、功效低。長隧洞（水平行走超過100 m）采取以上2 種潛水方法無法抵達(dá)工作面時(shí)就需返回，對于超深超長隧洞水下作業(yè)只能選擇ADS 常壓潛水系統(tǒng)進(jìn)行。

ADS 常壓潛水系統(tǒng)為潛水員提供了更好的保護(hù)，水下作業(yè)時(shí)間長，肢體靈活性、感知更好，360°旋轉(zhuǎn)機(jī)械手方便作業(yè)。與ROV 相比，敏捷性和靈巧性提高了工作任務(wù)的完成范圍，具有工作效率更高、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。與空氣、氦氧潛水相比，有著無需減壓升壓、水下作業(yè)時(shí)間更長、作業(yè)范圍更廣、成本降低和安全風(fēng)險(xiǎn)降低等好處。ADS 常壓潛水系統(tǒng)尚未在水電工程超深超長隧洞修復(fù)加固應(yīng)用，還需經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)逐步完善。

2.2 修復(fù)加固方案制定

根據(jù)電站水文地質(zhì)、運(yùn)行情況，結(jié)合缺陷所處位置、成因、數(shù)量等，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇合適的施工時(shí)段、方法進(jìn)行處理，消除隱患確保水工建筑物安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.1 原材料選擇

部分工程的泄水建筑物均發(fā)生不同程度的破壞，一些工程在投入運(yùn)行后短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，反映出高壓高速水流下的泄水建筑物在結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)、摻氣減蝕設(shè)施、混凝土原材料和施工工藝等方面還需進(jìn)一步改善。

泄水建筑物損毀部分修復(fù)必須選用高強(qiáng)度、抗沖、耐磨、防空蝕性能良好的材料進(jìn)行修補(bǔ)加固處理，如NE-Ⅱ型環(huán)氧砂漿、HG 型環(huán)氧膠泥涂層護(hù)面材料，較大沖坑易采用高標(biāo)號(hào)抗沖耐磨的水下不分散自密實(shí)混凝土進(jìn)行澆筑。NE-Ⅱ型環(huán)氧砂漿具有抗沖耐磨強(qiáng)度高、主要力學(xué)性能優(yōu)良等特性，已在國內(nèi)外大中型水電站泄水建筑物廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮了重要作用[8]。

2.2.2 水下修復(fù)加固施工工藝

水下作業(yè)主要工序?yàn)椋鹤龊们捌谫Y料收集、施工方案編制、安全技術(shù)交底、測量放樣和施工資源等準(zhǔn)備工作后將工作船固定于缺陷部位，上方水域，做好安全措施，通過潛水員下潛至缺陷部位將淤積物清理完成后，詳細(xì)測量描述缺陷位置、大小等特征參數(shù)，再根據(jù)缺陷特征采用水下專用工器具實(shí)施修補(bǔ)。

1）蜂窩麻面：打磨表面清洗→涂刷底層環(huán)氧基液→環(huán)氧膠泥刮涂→養(yǎng)護(hù)→檢查。

2）裂縫處理：裂縫描述→鑿V 型槽、鉆孔、清洗→埋管、封縫→壓風(fēng)檢查→灌漿→注漿嘴清除、環(huán)氧砂漿回填、環(huán)氧膠泥涂刮→養(yǎng)護(hù)→灌后質(zhì)量檢查。

3）沖坑缺塊修補(bǔ)：沿沖坑邊緣10 cm 切割→鑿除破損混凝土、保留建筑物原鋼筋→鉆孔→安插錨固鋼筋→立模→水下澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)→檢查。

4）面板壩混凝土破損施工：破損區(qū)域清淤→水下檢查測量，記錄破損處于的具體位置、形狀、長度、寬度、深度，并進(jìn)行錄像→松動(dòng)混凝土鑿除清理，露出新鮮混凝土→切割修整→底部鑿毛→模板制作與安裝→水下不分散混凝土配料與澆筑→混凝土澆筑后表面處理→涂刷環(huán)氧粘接劑→粘貼防滲蓋片→壓條固定→環(huán)氧涂料封邊→水下復(fù)查及現(xiàn)場驗(yàn)收工程結(jié)束后，潛水員水下錄像復(fù)查。

3 結(jié)束語

水工建筑物工作環(huán)境復(fù)雜，大多數(shù)建筑物長期浸泡于水下，在高水頭、高速水流的浸蝕下以及各種惡劣氣候和地質(zhì)環(huán)境下工作，水工建筑物將出現(xiàn)不同程度的老化、沖蝕及各種缺陷和庫區(qū)淤積等現(xiàn)象，降低水位或放空庫容進(jìn)行檢測或修復(fù)不經(jīng)濟(jì)且社會(huì)影響較大，因此需進(jìn)行大量的水下作業(yè)。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，水下檢測及修復(fù)加固技術(shù)有了快速的進(jìn)步，水下檢測技術(shù)已能夠滿足水工建筑物水下檢測要求。水下修復(fù)加固技術(shù)也在國內(nèi)外多個(gè)電站成功實(shí)施，但水深均在100 m 以內(nèi)，水平行走距離均較短，同時(shí)隧洞進(jìn)口在100 m 水深范圍內(nèi)還可通過閘門封堵技術(shù)實(shí)現(xiàn)旱地施工條件。對于泄洪洞、放空洞等超深超長隧洞水下修復(fù)加固可利用ADS 常壓潛水系統(tǒng)實(shí)施完成，但還需結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證，若實(shí)踐成功將填補(bǔ)國內(nèi)外超深超長隧洞水下水工建筑物缺陷修復(fù)加固技術(shù)空白，并徹底解決超深超長隧洞缺陷無法修復(fù)加固的難題，推廣應(yīng)用前景廣闊。