水電站監(jiān)測(cè)儀器鑒定評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)及修復(fù)技術(shù)綜合應(yīng)用研究

熊波

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

水電站在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，建筑物都會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化，變化的嚴(yán)重程度將直接影響水工建筑物的安全運(yùn)行。同時(shí)，監(jiān)測(cè)設(shè)施在長(zhǎng)期運(yùn)行中也難免會(huì)出現(xiàn)故障，若不及時(shí)修復(fù)處理，監(jiān)測(cè)工作將失效，不能達(dá)到監(jiān)控目的。某電站長(zhǎng)期運(yùn)行中監(jiān)測(cè)儀器已基本失效，對(duì)該電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開儀器鑒定評(píng)價(jià)和修復(fù)設(shè)計(jì)工作，通過修復(fù)后的監(jiān)測(cè)儀器和物探檢測(cè)相結(jié)合的數(shù)據(jù)成果，對(duì)判定建筑物的變化位置、嚴(yán)重情況及所制訂的解決方案具有重要的指導(dǎo)意義。

1 儀器安全鑒定評(píng)價(jià)工作

水工建筑物大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)大壩運(yùn)行工況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程安全隱患的重要手段，也是水工建筑物運(yùn)行管理的耳目。大壩安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)是對(duì)水工建筑物大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)比對(duì)和成果評(píng)價(jià)，在查閱監(jiān)測(cè)儀器安裝埋設(shè)資料、數(shù)據(jù)比對(duì)和測(cè)試，并通過對(duì)儀器安裝至今已有的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行整編分析等工作的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)大壩安全系統(tǒng)從設(shè)備選型、監(jiān)測(cè)設(shè)施工作狀態(tài)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完備性、可靠性等方面作出綜合性評(píng)價(jià)。同時(shí)，對(duì)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)級(jí)后，提出監(jiān)測(cè)設(shè)施增設(shè)、封存、報(bào)廢、更新改造的意見和建議。

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

為了解和掌握水工建筑物的運(yùn)行狀況及其變化規(guī)律，根據(jù)有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合某水電站工程的具體情況，監(jiān)測(cè)的建筑物有：主廠房、泄洪沖沙閘、左非溢流壩和右非溢流壩。設(shè)置的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有上下游水位、變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、上下游沖淤等。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

通過現(xiàn)場(chǎng)檢查、測(cè)試和歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，結(jié)合各建筑物的結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)行情況，最終對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作出有效評(píng)價(jià)。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)檢查、測(cè)試成果及評(píng)價(jià)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)33支弦式儀器進(jìn)行了測(cè)試，儀器布置情況表和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果如下所示（見表1、表2）。

表1 大壩滲壓計(jì)布置情況表（部分儀器列表）

表2 弦式儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果表（部分儀器列表）

由表可見：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試合格的儀器有4支，占總數(shù)的12.12%；不合格的有29支，占總數(shù)的87.88%。對(duì)儀器工作狀態(tài)的評(píng)價(jià)不僅依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的成果，還需要結(jié)合每支儀器的歷年測(cè)值過程線的分析成果來評(píng)判儀器工況（見表3）。

表3 弦式儀器綜合評(píng)價(jià)成果表

2 監(jiān)測(cè)修復(fù)設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)成果

2.1 監(jiān)測(cè)修復(fù)設(shè)計(jì)

該壩區(qū)從左至右依次布置左岸非溢流壩（長(zhǎng)368 m）、左岸儲(chǔ)門槽壩段（長(zhǎng)18 m）、泄洪沖沙閘（長(zhǎng)283 m）、右岸儲(chǔ)門槽壩段（長(zhǎng)18 m）和右非溢洪道（長(zhǎng)22.55 m）。通過監(jiān)測(cè)儀器鑒定評(píng)價(jià)結(jié)論和查閱相關(guān)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，電站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本屬于失效狀態(tài)。

該樞紐工程監(jiān)測(cè)的建筑物有：主廠房、泄洪沖沙閘、左非溢流壩和右非溢流壩。根據(jù)樞紐監(jiān)測(cè)原設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和相應(yīng)規(guī)程規(guī)范，計(jì)劃修復(fù)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：樞紐區(qū)環(huán)境量；樞紐建筑物變形監(jiān)測(cè)水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)、垂直位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)；大壩變形、滲流滲壓；樞紐邊坡變形監(jiān)測(cè)［2］。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果

按照監(jiān)測(cè)修復(fù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，對(duì)已實(shí)施完成的大壩18個(gè)測(cè)壓管孔滲壓計(jì)近1年的監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析如下：

（1）在0+172.30斷面共設(shè)計(jì)3個(gè)測(cè)壓管，從上到下依次為P10、P11、P12，P10、P11在鉆孔施工中出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)成果需結(jié)合檢測(cè)情況進(jìn)行分析，表中數(shù)據(jù)僅供參考；P11測(cè)點(diǎn)最高水頭值13.54 m，水位高程在228.18 m。

（2）在0+250.50斷面共設(shè)計(jì)3個(gè)測(cè)壓管，從上到下依次為P16、P17、P18，該斷面各測(cè)點(diǎn)水頭值在8.33～23.25 m之間，水位高程在220.43～229.57 m之間；在土建鉆孔期間，該斷面孔內(nèi)出現(xiàn)冒水和串口冒水，測(cè)值成果僅供參考，監(jiān)測(cè)成果需結(jié)合孔內(nèi)檢測(cè)情況進(jìn)行分析。

3 物探檢測(cè)

3.1 檢測(cè)目的

結(jié)合監(jiān)測(cè)滲壓計(jì)數(shù)據(jù)成果和閘墩施工中冒水情況，擬對(duì)電廠閘壩閘墩本體及閘墩與建基面之間進(jìn)行物探檢測(cè)，為閘墩安全運(yùn)行提供依據(jù)。采用對(duì)穿聲波方法，查明閘墩內(nèi)部的缺陷情況及閘墩與建基面之間是否存在滲漏通道［3］。

本階段電廠閘壩閘墩混凝土檢測(cè)共進(jìn)行鉆孔6個(gè)，總鉆孔深度184.72 m；鉆孔全景成像檢測(cè)24個(gè)，總孔深742.634 m；對(duì)穿聲波檢測(cè)12剖面，總長(zhǎng)度356.277 m；單孔聲波檢測(cè)24孔，總長(zhǎng)度120 m。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

從測(cè)得的對(duì)穿聲波檢測(cè)結(jié)果來看（見圖1），各對(duì)穿剖面波速為4.053～4.539 km/s，平均值為4.291～4.316 km/s，標(biāo)準(zhǔn)差0.133～0.151 km/s。由此可見，各檢測(cè)剖面閘墩混凝土波速均在正常波速范圍內(nèi)，且波速相對(duì)較高，整個(gè)測(cè)試閘墩沒有大的缺陷區(qū)域，僅局部相對(duì)較低，但都在正常范圍內(nèi)（見表4）；各剖面對(duì)穿聲波標(biāo)準(zhǔn)差均較小，說明整個(gè)測(cè)試剖面代表的閘墩混凝土質(zhì)量較均勻。

表4 電廠閘壩閘墩混凝土對(duì)穿聲波檢測(cè)簡(jiǎn)要情況

圖1 閘墩混凝土對(duì)穿聲波檢測(cè)成功過程線

3.3 對(duì)穿（跨孔）聲波檢測(cè)技術(shù)

3.3.1 檢測(cè)原理

智能鉆孔電視成像儀是通過孔壁掃描圖像及影像，更直觀地分析孔內(nèi)情況的檢測(cè)技術(shù)設(shè)備；能夠?qū)崟r(shí)獲得非常清晰的彩色圖像，為判斷地層巖性狀、裂隙、斷層等提供可靠依據(jù)，具有獨(dú)特的直觀性和真實(shí)性；廣泛應(yīng)用于工程水文地質(zhì)、混凝土、地下管道的檢測(cè)中。在工程施工階段可以用來檢查基礎(chǔ)灌漿效果、混凝土施工質(zhì)量，適用于各種類型鉆孔的檢測(cè)。

智能鉆孔全景圖像方法可實(shí)現(xiàn)鉆孔成像、錄像和軌跡檢測(cè)三合一，采用先進(jìn)的DSP圖像采集與處理結(jié)束，畫面清晰細(xì)膩；可實(shí)現(xiàn)全孔連續(xù)高清成像，對(duì)孔內(nèi)360°全景、全柱面成像，無需調(diào)焦；分析軟件可顯示、輸出平面展開圖及立體柱狀圖，立體柱狀體可360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

3.3.2 檢測(cè)結(jié)果

從鉆孔全景成像檢測(cè)成果分析（見圖2、圖3），各閘墩混凝土正常，膠結(jié)基本良好，無明顯的骨料分離現(xiàn)象。P8孔14.40～14.60 m混凝土結(jié)合面膠結(jié)較差；20.26～23.78 m為暗紅色細(xì)砂巖；32.10～32.52 m混凝土被掏空（見表5）。

表5 電廠閘壩閘墩鉆孔全景成像檢測(cè)簡(jiǎn)要描述表

圖2 P8孔14.40～14.60 m混凝土結(jié)合面

圖3 P8孔20.26～23.78 m為暗紅色細(xì)砂巖

3.4 對(duì)單孔聲波檢測(cè)技術(shù)

3.4.1 檢測(cè)原理

聲波檢測(cè)是利用聲波在某介質(zhì)中的傳播特性，對(duì)被檢測(cè)物體進(jìn)行檢查或測(cè)定的方法和技術(shù)；聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，通過人工激振法，使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動(dòng)，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化，接收被測(cè)介質(zhì)的聲波參數(shù)；經(jīng)過數(shù)據(jù)計(jì)算整理和分析，確定巖土介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，了解其內(nèi)部缺陷。聲波檢測(cè)具有輕便、靈活，可以大范圍測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)［4］，在水利、市政等地下工程中得到廣泛應(yīng)用。

單孔聲波檢測(cè)用于檢測(cè)巖體質(zhì)量、洞室圍巖松弛深度等，在檢測(cè)物上通過鉆孔方式，在一個(gè)鉆孔內(nèi)，使用一發(fā)雙收聲波換能器發(fā)射和接收聲波信號(hào)，根據(jù)聲波到達(dá)兩接收換能器的旅行時(shí)間差，分析計(jì)算孔壁混凝土的聲速。發(fā)聲換能器通常采用圓管形壓電陶瓷發(fā)射聲波脈沖，散射半角為θ1，其大小與發(fā)射換能器中壓電陶瓷圓管的高度h有關(guān)。引用惠更斯原理，在波的傳播過程中所到達(dá)的孔內(nèi)壁上都可以看作是新的波源，按照臨界角的子波折射回鉆孔中，采用換能器接收（見圖4）。

圖4 單孔聲波檢測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

式中，Vp為巖體聲波速度；△L為S1、S2兩個(gè)接收換能器間的距離；t1、t2分別為發(fā)射換能器分別到達(dá)S1、S2接收換能器的時(shí)間。

3.4.2 檢測(cè)結(jié)果

從測(cè)得的單孔聲波檢測(cè)結(jié)果分析，孔單孔波速4.082～4.651 km/s，平均值為4.267～4.462 km/s，標(biāo)準(zhǔn)差0.130～0.173 km/s。由此可見，P1、P2、P3、P9、P10、ZK2、P18孔測(cè)試區(qū)段混凝土波速均在正常波速范圍內(nèi)，且波速相對(duì)較高，說明測(cè)試區(qū)段沒有掏空等缺陷；各孔對(duì)穿聲波標(biāo)準(zhǔn)差均較小，說明測(cè)試區(qū)段閘墩混凝土質(zhì)量較均勻。

P8孔32.0 m以下波速偏低，說明該處混凝土存在缺陷；經(jīng)與對(duì)穿聲波與鉆孔全景圖像綜合分析，該缺陷為掏空。

3.5 檢測(cè)結(jié)論

通過對(duì)閘墩及底板的跨孔聲波檢測(cè)、單孔聲波檢測(cè)，結(jié)合鉆孔全景成像檢測(cè)，可以得出：

（1）閘墩混凝土絕大部分聲速較高，對(duì)穿波速4.053～4.539 km/s，單孔波速4.082～4.651 km/s，混凝土膠結(jié)良好，總體質(zhì)量較好。

（2）閘墩部分混凝土存在骨料分離現(xiàn)象，砂礫石集中。主要部位：P8孔14.40～14.60 m、ZK3孔19.40～20.25 m。存在部分混凝土被掏空，P8孔32.10～32.52 m、P13孔32.10～32.40 m、P16孔27.32～29.39 m。

（3）少數(shù)部位存在波速偏低，經(jīng)與對(duì)穿聲波與鉆孔全景圖像綜合分析，該缺陷為掏空，主要部位：P8孔32.0 m以下、P13孔31.9 m以下、P16孔27.2 m以下。

（4）對(duì)于閘墩發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，需采取一定的修補(bǔ)措施。對(duì)于閘底板以下的掏空部位，可采取細(xì)石混凝土或水泥砂漿進(jìn)行修補(bǔ)；對(duì)比底板以上部分，可采用水泥灌漿或化學(xué)灌漿的方式修補(bǔ)。

4 閘墩修復(fù)

4.1 閘墩破壞情況

通過對(duì)該水電站大壩閘室邊墻和底板水下檢查，發(fā)現(xiàn)10號(hào)閘左右兩側(cè)閘墩、16號(hào)閘左側(cè)閘墩、17號(hào)閘左側(cè)閘墩、18號(hào)閘右側(cè)閘墩以及15號(hào)閘閘底板存在破損掏空現(xiàn)象。破壞位置均位于檢修閘門槽和工作閘門槽的預(yù)埋鋼板附近。其中，10號(hào)閘左右兩側(cè)閘墩為表面破損，16號(hào)閘左側(cè)、17號(hào)閘左側(cè)、18號(hào)閘右側(cè)的閘墩均存在貫穿破壞，導(dǎo)致閘門關(guān)閉時(shí)泄洪閘（沖沙閘）存在漏水現(xiàn)象（見圖5）。

圖5 左、右兩側(cè)閘墩情況

4.2 閘墩破壞原因分析

閘墩破壞表現(xiàn)為閘室門槽側(cè)墻二期混凝土及沿二期混凝土與一期混凝土結(jié)合處出現(xiàn)坑洞及貫穿孔，水流從貫穿孔流出，導(dǎo)致工作閘門后出現(xiàn)了漏水的現(xiàn)象。從閘墩破壞區(qū)域所處位置判斷，閘門開啟（特別是局部開啟）運(yùn)行時(shí)，工作門槽與底板結(jié)合區(qū)域閘墩邊墻可能存在負(fù)壓及較強(qiáng)水流脈動(dòng)，極易造成混凝土的沖蝕破壞。因此，閘墩破壞原因?yàn)殚l墩門槽二期混凝土澆筑質(zhì)量稍差，門槽二期混凝土自身強(qiáng)度及二期混凝土與一期混凝土粘接強(qiáng)度不夠以及閘墩破壞部位混凝土遭受高速、強(qiáng)脈動(dòng)水流沖蝕作用造成。

4.3 閘墩修復(fù)關(guān)鍵點(diǎn)

基于閘墩破壞原因，本工程閘墩修復(fù)關(guān)鍵點(diǎn)為：

（1）修補(bǔ)材料需要有足夠的自身強(qiáng)度。

（2）修復(fù)施工時(shí)，需做好新老混凝土界面處理，并設(shè)置錨筋，以加強(qiáng)新老混凝土的粘接強(qiáng)度。

（3）缺陷修復(fù)外立面需保證較高的平整度，以減輕水流沖蝕破壞。

4.4 施工方案簡(jiǎn)述

從閘墩的破壞情況來看，閘墩破壞區(qū)域大，破壞部位均基本存在貫穿孔；如閘墩破損不及時(shí)修復(fù)，一旦破損范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，將會(huì)影響到閘墩自身的穩(wěn)定，繼而影響整個(gè)大壩的安全［5］。對(duì)比分析設(shè)計(jì)報(bào)告提出的干地施工方案和水下施工方案，干地施工方案修復(fù)徹底、全面、修復(fù)效果好、技術(shù)難度低，為閘墩修復(fù)的優(yōu)選方案。

根據(jù)本次閘墩修復(fù)技術(shù)要求及工期實(shí)際情況，在2020年汛前采用水下施工方式對(duì)閘墩缺陷進(jìn)行應(yīng)急搶險(xiǎn)修補(bǔ)，施工方案為潛水員潛入水下，針對(duì)泄洪閘（沖沙閘）閘墩、底板進(jìn)行水下修復(fù)［6］：

·閘墩、閘底板水下復(fù)查。

·閘墩修復(fù)前，需對(duì)水下已知缺陷逐一進(jìn)行復(fù)查。

·閘墩表面缺陷水下修補(bǔ)。

5 結(jié)語

在水電站建設(shè)及長(zhǎng)期運(yùn)行中，通過工程安全監(jiān)測(cè)和物探檢測(cè)手段融合的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷，可為維護(hù)水工建筑物的安全提供技術(shù)指導(dǎo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并有效處理，為水電站的長(zhǎng)期安全運(yùn)行起到保駕護(hù)航的作用。