混凝土重力壩病害探測技術(shù)應用研究

劉康和，童廣偉，林大明

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，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、副廠房及開關(guān)站等。 攔河壩壩頂高程900m，壩頂全長408m，最大壩高51m。水庫總庫容1.96億m3，電站總裝機容量為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#壩段為主安裝場壩段；5#～8#壩段為河床式電站廠房①～④號機組即大機組壩段；9#壩段為河床式電站廠房⑤號機組即小機組壩段；10#壩段為副安裝場壩段；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，發(fā)現(xiàn)混凝土重力壩局部滲漏、一級消力池底板脫空、 發(fā)電機組立式混凝土蝸殼外圍地面混凝土裂縫及鋼筋銹蝕等問題。

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， 滲漏嚴重時在壩體下游側(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 底孔一級消力池

一級消力池底板混凝土破損較為嚴重， 且消力池底板表面局部存在明顯高差， 其最大高程比設計高程高16cm， 推測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，基本沿水輪機室呈現(xiàn)放射狀分布， 裂縫長度一般為2～6m，最長17m；裂縫寬0.2～0.40mm，最寬處1.07mm。個別裂縫在每年11月下旬至次年3月之間存在滲漏水現(xiàn)象，有時滲漏水有壓，滲出時似泉水，最高可達2～3cm。由于對該處裂縫進行過多次灌漿及開鑿排水溝導排處理， 但混凝土蝸殼外圍地面裂縫及滲水問題仍未得到解決，已嚴重影響發(fā)電機組的安全運行。

3 檢測工作思路

3.1 大壩滲漏探測

（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應的庫內(nèi)壩體范圍布置偽隨機流場法和直流充電法測線，并以流場法探測為主，主要目的是探測壩外滲漏水與庫水的關(guān)系及庫內(nèi)壩體入滲點的位置。

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

（3）通過偽隨機流場法供電連通試驗，判斷排水孔、平硐水池中水、庫水與滲漏水之間的連通關(guān)系，確定滲漏水來源。

（4）在1#、19#壩段（水平縫滲漏水）壩頂布置兩個鉆孔（編號為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。 終孔后先后進行溫度測井、電視觀察、聲波測井、壓水試驗、芯樣聲波測試及物理力學試驗。

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

3.2 消力池病害檢測

（1）采用探地雷達法探測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、聲波測井及芯樣試驗等方法探查消力池混凝土及基礎是否脫空，并對底板抗沖磨混凝土結(jié)構(gòu)密實度進行檢測。

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

3.3 機組蝸殼混凝土裂縫檢測

3.3.1 蝸殼地面檢測

（1）采用超聲橫波三維成像法、探地雷達法、表面聲波法檢測混凝土裂縫深度。

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

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

（4）布置少量小口徑鉆孔鉆取芯樣，并進行聲波測試、電視觀察、芯樣試驗等工作，驗證檢測成果、獲得混凝土強度等參數(shù)。

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

（6）工作程序：①探地雷達法→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聲波測井→⑨巖芯取樣→⑩芯樣聲波測試→芯樣室內(nèi)試驗。

3.3.2 蝸殼內(nèi)部檢測

（1）采用超聲橫波三維成像法、沖擊回波法檢測蝸殼內(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、探地雷達法、沖擊回波法檢測側(cè)墻混凝土存在的裂縫及深度。

（4）綜合以上檢測結(jié)果分析判斷混凝土內(nèi)部的其他缺陷。

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

4 檢測成果

4.1 大壩滲漏探測成果

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

（2）庫內(nèi)入滲點分布位置主要為：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樁號樁號段偽隨機流場法（圖1（a））、直流充電法（圖1（b））滲漏探測成果對比圖。 圖1（a）和圖1（b）均在樁號壩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，說明偽隨機流場法與直流充電法的探測結(jié)果是吻合的。

圖1 1#壩段樁號壩0+000.0～壩0+008.5兩種方法滲漏探測成果對比

圖2為18#～19#壩段橫縫及19#壩段庫內(nèi)入滲點探測成果圖， 圖中清晰的表征出壩前庫內(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）為聲波測井曲線，其高程895.6～896.6m聲波速度很低。 由此說明圖2與圖3成果一致。

圖3 19#壩段鉆孔電視觀察及聲波測井成果

4.2 消力池檢測成果

（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)單軸抗壓強度范圍值為34.4～58.9MPa， 平均值為48.3MPa，相對設計值降低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)單軸抗壓強度范圍值為32.9～54.9MPa，平均值為43.8MPa，相對設計值降低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)單軸抗壓強度范圍值為25.5～50.7MPa，平均值為33.2MPa。

表1給出了不同檢測方法解釋成果之間對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成果

表2給出了不同檢測方法解釋成果之間對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成果

4.3 蝸殼混凝土檢測成果

（1）根據(jù)蝸殼地面和蝸殼內(nèi)部裂縫檢測成果分析，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%的測點占0.62%，鋼筋銹蝕性狀不確定的測點占7.02%，不發(fā)生銹蝕的概率＞90%的測點占92.37%。

（4）蝸殼混凝土內(nèi)部存在蜂窩及不密實現(xiàn)象，一般越靠近水輪機墩蜂窩或不密實現(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#裂縫探地雷達法、超聲橫波反射三維成像法探測成果圖， 其中圖4（a）雷達圖中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。 由此說明兩種方法探測結(jié)果吻合。

圖4 蝸殼混凝土地面18#、19#裂縫兩種方法測試成果對比

圖5為蝸殼混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕半電池電位法測試成果，圖中長方形框范圍內(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，需重點關(guān)注并加以防護。

圖5 蝸殼混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕半電池電位法測試成果

5 結(jié)語

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

（2）混凝土大壩老化病害類型復雜、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，給病害探查帶來諸多困難，也對探測方法、儀器設備及數(shù)據(jù)資料分析解譯等提出了特殊要求。因此應綜合運用物探、鉆探、試驗等多種檢測手段，并盡量采用快速、經(jīng)濟、非破損探測技術(shù)，以查明病害的詳細情況和特征，為制定切實可行的加固設計方案提供依據(jù)。