采用先進的泄漏檢測技術(shù)監(jiān)測壩面修復

蔣海霞

(中國安能建設(shè)集團有限公司，北京 100000)

水庫在防御洪水災害和保障國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，尤其是在經(jīng)濟迅速發(fā)展，水庫周邊人口財富集中化的當代[1]。水庫如果存在病險，帶病運行，會對周邊人民生命財產(chǎn)安全造成巨大威脅。因此，病險水庫除險加固意義深遠、責任重大，一直是水利工程的一項非常重要的工作。水庫壩面修復及綜合整治項目關(guān)系到水庫大壩安全運行和三防安全[2]。最近，水工建筑物密封系統(tǒng)的修復變得越來越重要。瀝青和合成土工膜已成為傳統(tǒng)密封系統(tǒng)的重要替代品，因為改進了材料，以及固定和接縫技術(shù)的新可能性[3]。對于開放河道上的一些特殊應用，用土工膜修復表面是完全重建的唯一替代方案，合成膜適用性的一個特殊技術(shù)重點是固定，會決定性地影響施工成本[4]。土工膜水密性的監(jiān)測尤為重要，分布式光纖溫度測量提供了進行有效泄漏檢測的可能性，即使是對于目前尚無法進行詳細監(jiān)測的飾面結(jié)構(gòu)。在過去的幾十年里，瀝青和合成土工膜作為一種密封技術(shù)越來越重要，在巖土工程中，土工膜經(jīng)常被用作地下密封[5]。例如，垃圾填埋場被包裹在土工膜中，以保護地下水免受污染。對于這些地下應用，膜僅用于密封目的，不會因荷載而變形，沉降除外。在水利工程中，合成土工膜主要用作護面，尤其是用于修復。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 土工膜

高密度聚乙烯(PEHD)、柔性聚丙烯(FPP)和聚氯乙烯(PVC)用作水工結(jié)構(gòu)的土工膜材料。在薄膜下方使用無紡布，以防止其被下面表面的粗糙邊緣刺穿，使薄膜下方排水，并改善與地下的摩擦。所有材料都耐紫外線輻射，預期使用壽命超過30年。PVC結(jié)構(gòu)非常靈活的，可以很容易地調(diào)整成困難的幾何形狀，并有一個大的接縫窗口。FPP也是一種柔性材料，但其接縫窗口很小，因此需要現(xiàn)場的精確工藝。PEHD有最大的接縫窗口，但非常堅硬，F(xiàn)PP和PEHD都不使用化學添加劑。

1.1.2 分布式光纖測溫系統(tǒng)

分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種用于水利工程領(lǐng)域的電子測量儀器。傳統(tǒng)堤壩滲流監(jiān)測主要借助于測壓管、滲壓計及量水堰等技術(shù)手段，分別通過滲透壓力和滲流量來監(jiān)測其滲流異常情況。因堤壩內(nèi)溫度場在滲流場作用下表現(xiàn)為周期性平穩(wěn)分布，堤壩滲流異常將引起溫度場的局部異常，通過監(jiān)測滲流作用下堤壩內(nèi)溫度場的分布及變化過程或異?，F(xiàn)象，可以判斷出堤壩內(nèi)的滲流異常情況即滲漏發(fā)生。隨著分布式光纖測溫技術(shù)的日益完善，逐漸應用于堤壩滲漏監(jiān)測。堤壩中預先埋設(shè)分布式測溫光纖，滲流異常或滲漏發(fā)生時，滲流場變化必然引起溫度場的異常變化，利用分布式測溫光纖測得溫度場異常區(qū)域，可以精確定位堤壩滲漏地點或區(qū)段。

1.2 試驗方法

1.2.1 土工膜固定

當大壩的混凝土面板因老化而變得可滲透時，大壩內(nèi)部和下方的水壓會增加，從而影響穩(wěn)定性。降低揚壓力的最有效方法是安裝一個排水表面密封系統(tǒng)，該系統(tǒng)與地下密封相連。如果表面密封破裂，排水系統(tǒng)必須處理大量滲水。因此，必須擁有足夠大的滲透性。土工膜表面的水下周長通常作為水密壓縮周長執(zhí)行在大壩運行期間，土工膜面上的最高負荷是由于快速下降而在膜后面產(chǎn)生的水壓。在高流速的明渠或隧道等輸水系統(tǒng)中，也可能出現(xiàn)更高的荷載。

通過錨固件和鋼型材(圖1)實現(xiàn)表面固定。首先，安裝錨，將無紡布(排水土工布)和土工膜鋪在表面上(圖1(a))。將放置并固定在錨上的鋼筋夾緊(圖1(b))，可以選擇在固定線上焊接一條薄膜(圖1(c))。周邊的固定桿還可以用環(huán)氧樹脂密封。

圖1 土工膜不同固定系統(tǒng)示例

理想情況下，這些固定裝置線性地傳遞來自膜的力。然而，如果錨定器放置的距離太遠，膜將只能點式固定，可能會撕裂。減少錨的距離可以防止這種情況，但由于固定成本占修復成本的很大比例，因此需要優(yōu)化間距。

一旦有負載在膜上，多發(fā)生膜損壞和水從下面通過的情況。由于河道內(nèi)的水流速度，動態(tài)水壓Pdyn可能會在破裂的膜下方產(chǎn)生，Pdyn的計算見式(1)。

(1)

式中：ρ為水的密度，kg/m3；v為河道中的平均流速，m3/s。

水壓可能會在膜內(nèi)部產(chǎn)生拉應力N，根據(jù)式(2)計算。

N=Pdynr

(2)

式中：r是變形膜的半徑，m。

1.2.2 固定測試

為了研究不同固定技術(shù)的效率，對部分工程中使用的土工膜進行了拉拔測試。土工膜樣品已固定在河道舊混凝土飾面的上部，并在絞盤的幫助下以規(guī)定的角度施加了規(guī)定的載荷(圖2)。

圖2 傾倒測試儀固定圖示

2 結(jié)果與分析

2.1 河道壩面土工膜覆蓋及泄漏檢測

修復河道部分具有梯形橫截面(見圖3(a))。只有右側(cè)堤板被排水土工膜系統(tǒng)密封，左側(cè)板僅進行了局部改進。河道底部用一層新的瀝青混凝土修復。瀝青混凝土和土工膜之間的接縫需要特殊設(shè)計，以避免瀝青混凝土放置的高溫對膜的傷害。為了觀察新飾面和接頭的水密性，在膜下安裝了光纜(見圖3(b))。使用加熱法測得的溫度升高范圍為2～10 K。為了提高測量評估的可能性，進行了幾次泄漏模擬測試，以及為了產(chǎn)生明確的滲漏，在修復期間將管道鋪設(shè)在舊混凝土面板上，在河道重新蓄水后，水以恒定的流速進入膜下(見圖4)。

圖3 修復后的河道橫截面

圖4 修復后的河道模擬試驗剖面

圖5(a)和圖5(b)顯示了不同流速下無泄漏和有泄漏的溫度升高分布。流速從0.1 L/s到0.4 L/s不等(圖6)。在開始加熱測量之前以恒定速率施加泄漏流，加熱測量包括一小時后測量和加熱測量。結(jié)果表明，泄漏檢測系統(tǒng)能夠正確定位泄漏點。此外，對于小流量，溫度升高的最小值取決于流量。對于更高的流速，無法觀察到最小值的進一步降低，但異常的擴散迅速增加。例如，在流量為0.1 L/s的情況下3.5 h后泄漏管2處 的異常情況以及在流量為0.3 L/s的情況下的額外2.5 h后的異常情況會蔓延到50 m。由于電纜本身，溫差不會明顯低于2 K,即使以相同的加熱功率在河道的流動水中加熱電纜，也會導致可比的溫度升高2 K。

全斷面測量值的變異性只是由于溫度測量的不精確造成的一小部分，主要表現(xiàn)在舊混凝土板的孔隙率和膜間隙寬度等電纜邊界條件的變異性。此外，電纜上瀝青混凝土的厚度會因河道舊底部的不平整而變化。

2.2 混凝土重力壩修復及泄漏檢測

五強溪水電站位于湖南省沅陵縣境內(nèi)的沅水干流上，壩型為混凝土重力壩。溢流壩長244.50 m，表底孔溢流壩段長149.50 m，由6個在現(xiàn)有的飾面上應用了新的雙層瀝青混凝土飾面。除了常規(guī)監(jiān)測排水層滲水外，還通過加熱法觀察了靠近右橋臺的飾面非常有缺陷的部分。試驗表明，大壩排水層滲漏監(jiān)測效果良好。除了精確定位泄漏外，該系統(tǒng)還可以估計不同的滲水徑流。

圖5 河道模擬試驗的結(jié)果

圖6 河道模擬試驗的邊界條件

表孔和5個底孔組成。表孔溢流壩段長81.25 m,由3個表孔組成，溢流面設(shè)計采用美國WES曲線，堰面設(shè)計最大工作負壓為0.06 MPa。表孔溢流壩堰頂高程87.80 m，進口寬為19 m，在堰頂下游設(shè)一長19 m的寬尾墩，溢流面從19 m寬收縮至7 m。承擔了防洪任務壩體由一個沖壓混凝土核心組成，帶有最初的瓦礫砌體飾面。在第一次修復工程過程中，上游飾面被執(zhí)行為不透水的混凝土外殼。結(jié)構(gòu)的進一步老化和排水系統(tǒng)效率的降低使得需要進行額外的補救工作。調(diào)查表明，除了供水和底部出口外，整個大壩必須在上游面進行密封必須完全現(xiàn)代化。上游混凝土面的防水設(shè)計為上游表面的外露 PVC 土工復合材料為了證明面向分布式光纖溫度測量系統(tǒng)的土工復合材料的不滲透性，按照設(shè)計，沿著其周邊接縫處的壩腳和溢洪道安裝了PVC膜，下方光纖電纜作為環(huán)直接安裝在飾面混凝土上，通向頂部的接線盒。膜周邊的光纖電纜的布置允許參考縱向壩站明確檢測泄漏，并允許與通過周邊接頭或膜本身的泄漏相關(guān)聯(lián)。在儲層重新蓄水完成后，根據(jù)加熱方法進行分布式光纖溫度測量。該系統(tǒng)絕對適用于后續(xù)上游的土工復合材料面的泄漏監(jiān)測。加熱方法允許區(qū)分這種現(xiàn)代面對系統(tǒng)背后的真實泄漏和普通現(xiàn)象。分布式光纖溫度測量系統(tǒng)具有高精度和長期耐用性方面的經(jīng)驗以及光纖電纜的低成本。

2.3 混凝土面板堆石壩的泄漏檢測

由于其經(jīng)濟和施工優(yōu)勢，混凝土面板堆石壩 在大多數(shù)有巖石地基的場地被認真考慮作為一種選擇，并且在未來將越來越多地使用。這種類型的大壩在泄漏量大的情況下運行安全，并且可以以相對容易、快速和經(jīng)濟的方式修復混凝土面板。盡管混凝土面板堆石壩的肩部對明顯的滲流相對不敏感，但大量的設(shè)計和施工工作都集中在提高密封元件的水密性上。

分布式光纖溫度測量為具有高空間分辨率的精確泄漏檢測和定位提供了一種非常合適的方法。由于使用光纖溫度測量進行泄漏監(jiān)測，可以明確證明設(shè)計的功能性，即使在很長一段時間后出現(xiàn)的任何泄漏也可以精確定位，有效地簡化預期的修復工作。由于混凝土板下沒有排水層，滲水不能分配到飾面。對于分布式光纖測量，這意味著光纜只能觀察其周圍的水密性。為了觀察整個樓板或所有垂直混凝土接頭，必須選擇圖7C視圖中所示的電纜布局，對于周邊接頭的觀察，電纜必須如圖7D點所示安裝。由于混凝土面板堆石壩中的周邊接頭承受一定的拉應力風險，并且該接頭的水密性是此類項目成功的最重要要求之一，因此安裝光纖加熱建議將該接頭中的電纜作為混凝土面板堆石壩的最低安裝。

圖7 具有電纜布局的圖示

3 結(jié) 論

(1)結(jié)果表明，泄漏檢測系統(tǒng)能夠正確定位泄漏點。此外，對于小流量，溫度升高的最小值取決于流量，對于更高的流速，無法觀察到最小值的進一步降低，但異常的擴散迅速增加。

(2)該系統(tǒng)絕對適用于上游的土工復合材料面的泄漏監(jiān)測。加熱方法允許區(qū)分這種現(xiàn)代面對系統(tǒng)背后的真實泄漏和普通現(xiàn)象。分布式光纖溫度測量系統(tǒng)具有高精度和長期耐用性，除了精確定位泄漏外，該系統(tǒng)還可以估計不同的滲水徑流

(3)分布式光纖溫度測量為具有高空間分辨率的精確泄漏檢測和定位。由于使用光纖溫度測量進行泄漏監(jiān)測，即使在很長一段時間后出現(xiàn)的任何泄漏也可以精確定位，有效地簡化修復工作。