水利樞紐工程壩體橫縫滲水成因綜合檢測(cè)研究

張 輝,邱本勝,黃志芳,李林娟,趙 青

(長(zhǎng)江科學(xué)院 武漢長(zhǎng)江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司,湖北 武漢 430010)

0 引 言

大壩滲漏檢測(cè)及治理是水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固中一項(xiàng)非常重要的工作。水利水電工程地質(zhì)缺陷和壩體深層缺陷所引起的滲漏問(wèn)題,不利于水庫(kù)大壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,需進(jìn)行有效檢測(cè)和處理[1-3]。當(dāng)前對(duì)堤壩的滲漏檢測(cè)技術(shù)主要有有限元分析法、物探技術(shù)、示蹤法、流場(chǎng)法等[4-6],多為分析判斷滲漏點(diǎn)的出入口及滲流特性。同時(shí),普通水泥灌漿、超細(xì)水泥灌漿、化學(xué)灌漿、水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿等技術(shù)也廣泛應(yīng)用于混凝土碾壓壩、抽水蓄能電站、特高拱壩等多種水利水電工程中的滲漏缺陷處理[7-9]。

本文以某水利樞紐橫縫為研究對(duì)象,該工程具有供水、防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等綜合效益,水位在159.00～160.72 m之間,運(yùn)行期間溢流壩段邊墩橫縫出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為:當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到160 m高程以上時(shí),溢流壩邊墩下游面橫縫128 m高程處(順導(dǎo)墻)出現(xiàn)了較大的滲漏,隨著庫(kù)水位上升,滲漏呈射流狀;隨著庫(kù)水位下降,滲流量逐漸減少,當(dāng)庫(kù)水位降至159 m以下時(shí),滲漏基本停止。為保障工程運(yùn)行安全,有必要查找橫縫滲水原因,采取針對(duì)性的處理措施。本文結(jié)合多種方法,對(duì)該水利樞紐工程溢流壩段邊墩橫縫滲水成因進(jìn)行綜合檢測(cè),通過(guò)分析檢測(cè)結(jié)果,確定滲水成因及滲水部位,提出有針對(duì)性的處理措施,并跟蹤觀測(cè)處理效果。

1 檢測(cè)方法

采用對(duì)橫縫銅止水周邊混凝土進(jìn)行鉆孔物探試驗(yàn)和對(duì)瀝青井進(jìn)行掃孔注水試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)滲漏原因和部位進(jìn)行檢測(cè)分析。物探檢測(cè)利用鉆孔內(nèi)錄像、抽注水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、聲波CT等手段,注水試驗(yàn)主要利用高錳酸鉀溶液進(jìn)行示蹤追尋滲漏點(diǎn)。借助以上手段綜合判斷分析邊墩橫縫周邊混凝土質(zhì)量,特別是混凝土層間縫的分布情況,以及橫縫止水的破損及連通情況,綜合檢測(cè)方法技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 綜合檢測(cè)方法技術(shù)Fig.1 Technical roadmap of integrated detection methods

1.1 鉆孔內(nèi)錄像

沿滲水橫縫中銅止水、瀝青井周圍交叉布置鉆孔,并根據(jù)鉆孔及滲水情況適當(dāng)增加鉆孔,需嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù),連續(xù)取芯。邊墩橫縫銅止水周邊垂直檢測(cè)孔平面布置見圖2。

圖2 邊墩橫縫銅止水周邊垂直檢測(cè)孔平面布置(尺寸單位:cm)Fig.2 Layout plan of vertical inspection holes around copper water stop of side pier transverse seam

鉆孔全景成像采用圓錐形導(dǎo)向鏡反射環(huán)狀圖像法拍攝。通過(guò)鉆孔內(nèi)錄像可對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、成像,以便直觀判斷、檢查孔內(nèi)混凝土是否存在質(zhì)量缺陷,為后續(xù)確定滲水部位及連通情況提供判斷依據(jù)。

檢查孔鉆孔完畢后,清洗孔內(nèi)雜物,保持孔內(nèi)水體清澈。對(duì)檢查孔進(jìn)行掃孔到指定高程,保證孔壁無(wú)附著物后,將探頭穩(wěn)定在固定速度進(jìn)行孔內(nèi)錄像。探頭下降及上升過(guò)程中各錄像一次,以保證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2 壓水試驗(yàn)

壓水試驗(yàn)是通過(guò)向鉆孔或?yàn)r青井內(nèi)注入溶有彩色試劑(高錳酸鉀)的水,通過(guò)壓水設(shè)備和阻塞器控制相關(guān)參數(shù),以觀察橫縫處大壩上游面、下游面、廊道表面等部位的滲水情況。壓水試驗(yàn)的意義在于通過(guò)各級(jí)壓力與流量之間的關(guān)系,判斷各鉆孔之間是否存在連通情況及連通程度的大小,進(jìn)而判斷是否存在水平層間縫或其他滲漏缺陷。

鉆孔壓水試驗(yàn)采用雙栓塞止水,每4 m一個(gè)試驗(yàn)段,對(duì)試驗(yàn)段逐級(jí)加壓,每級(jí)壓力穩(wěn)定時(shí)間為5 min,記錄每個(gè)壓力段的壓力和流量。當(dāng)某一段壓水透水率較大時(shí),加密壓水,逐漸縮短試驗(yàn)段,精確滲水部位。

1.3 聲波CT檢測(cè)

混凝土聲波層析成像(CT)是在兩側(cè)之間一側(cè)激發(fā),另一側(cè)單道或多道接收,形成扇形觀測(cè)系統(tǒng),通過(guò)改變激發(fā)點(diǎn)和接收排列的位置,組成密集交叉的射線網(wǎng)絡(luò),然后根據(jù)射線的疏密程度及成像精度劃分規(guī)則的成像單元,運(yùn)用射線追蹤理論,采用反演計(jì)算方法形成被測(cè)區(qū)域的波速圖像,根據(jù)圖像中的波速分布情況來(lái)確定混凝土質(zhì)量缺陷的空間分布。

本次針對(duì)該部位鉆孔情況,共布置聲波CT剖面13對(duì)(見圖3中虛線),11號(hào)為補(bǔ)充檢查鉆孔,根據(jù)鉆孔位置,具體工作布置見圖3。

圖3 聲波CT工作布置Fig.3 Layout of acoustic CT work

1.4 抽注水試驗(yàn)

注水法即向兩道銅止水片中間的瀝青井以及鉆孔內(nèi)分別注入紫色高錳酸鉀溶液,通過(guò)水位監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量瀝青井或鉆孔內(nèi)水面高程的變化狀況與下降速率。水位觀測(cè)結(jié)合水下攝像檢測(cè)技術(shù),在大壩其他部位(如上下游壩面橫縫處、廊道內(nèi)、壩體排水孔等)進(jìn)行觀察,觀測(cè)注入水的出滲情況,判斷是否存在滲漏通道。

抽水試驗(yàn)采用深井泵將瀝青井內(nèi)水位盡可能抽至最低處(低于庫(kù)水位),觀測(cè)庫(kù)水回灌瀝青井內(nèi)的情況,并通過(guò)瀝青井內(nèi)水位上升的變化速率分析上游止水的破損高程及滲漏量。

水下攝像主要采用水下無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)對(duì)上游橫縫庫(kù)水位以下部分的滲漏情況進(jìn)行視頻檢查。通過(guò)在瀝青井注入彩色高錳酸鉀水,自橫縫處滲出,觀察彩色水的滲出情況,同時(shí)記錄滲出點(diǎn)的高程,判斷橫縫上游止水的破損部位。同時(shí)對(duì)其他未滲漏部分的混凝土表面、層間縫、橫縫等進(jìn)行水下視頻檢查,以排除其他部位的滲漏狀況。

2 檢測(cè)結(jié)果與綜合分析

2.1 層間縫滲漏情況

通過(guò)鉆孔內(nèi)錄像、壓水試驗(yàn)、抽注水試驗(yàn)以及聲波CT檢測(cè)、水下攝像等檢測(cè)方法,對(duì)目標(biāo)壩段進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)時(shí)觀測(cè)的現(xiàn)象和采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,以判斷滲水原因及滲水部位。

2.1.1鉆孔內(nèi)錄像結(jié)果分析

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔情況,共對(duì)11個(gè)鉆孔以及1個(gè)瀝青井進(jìn)行了孔內(nèi)電視錄像檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果見圖4。由檢測(cè)結(jié)果可知:檢查孔7號(hào)、8號(hào)、11號(hào)孔至上游面和橫縫區(qū)域在160.4～160.9 m高程區(qū)域內(nèi)存在明顯層間縫或?yàn)r青夾層。9號(hào)孔在157.1～157.4 m高程處存在局部豎向縫,層間縫連通情況有待進(jìn)一步判斷。

圖4 鉆孔裂縫孔內(nèi)錄像Fig.4 Video data of borehole cracks

2.1.2壓水試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)壓水試驗(yàn)期間的觀測(cè)結(jié)果,該壩段7號(hào)、8號(hào)、11號(hào)孔在160.0～162.0 m高程區(qū)間壓水試驗(yàn)期間,當(dāng)其中一個(gè)孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)時(shí),其余兩個(gè)孔均有彩色高錳酸鉀溶液自孔口滲出,說(shuō)明7號(hào)、8號(hào)、11號(hào)孔是連通的。同時(shí)結(jié)合孔內(nèi)錄像可知,以上檢查孔在160.4～160.8 m高程處是相互連通的。

對(duì)各孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)時(shí),除7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、11號(hào)外,其他孔位未見有流量顯示或高錳酸鉀溶液滲出現(xiàn)象。而對(duì)9號(hào)孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)時(shí),雖有流量顯示,卻未在其他鉆孔中見到高錳酸鉀溶液滲出現(xiàn)象,可見9號(hào)孔可能存在局部細(xì)微缺陷,但并未與其他孔位連通。同時(shí),在8號(hào)孔160.0～162.0 m高程區(qū)間進(jìn)行壓水試驗(yàn)期間,通過(guò)水下攝像檢查,大壩上游面相同高程的層間縫內(nèi)有彩色高錳酸鉀溶液滲出,橫縫瀝青井內(nèi)的水位略有上升。由此說(shuō)明,7號(hào)、8號(hào)、11號(hào)孔的層間縫與上游面和橫縫是連通的,且銅止水有破損。

2.1.3抽注水試驗(yàn)結(jié)果分析

抽注水試驗(yàn)的結(jié)果表明:8號(hào)、7號(hào)、11號(hào)3個(gè)孔的水位下降速度較快,1 h內(nèi)水位下降約3 m,24 h后基本穩(wěn)定至160.5 m高程左右(層間縫位置),隨后孔內(nèi)水位不再下降,說(shuō)明160.5 m高程以下不存在明顯的層間縫。9號(hào)孔位于24號(hào)邊墩附近(離邊墩表面約0.5 m),其孔內(nèi)水位下降速度較慢,但48 h后水位基本與庫(kù)水位相同,這與157.1～157.4 m區(qū)間存在明顯的豎向裂縫有關(guān)(裂縫垂直于水流方向)。

結(jié)合大壩長(zhǎng)期運(yùn)行資料[10-12],蓄水期間,當(dāng)庫(kù)水位下降至159.0 m高程附近時(shí),大壩下游面的出滲點(diǎn)停止?jié)B漏,結(jié)合抽注水試驗(yàn)期間155.0 m高程上游面橫縫出現(xiàn)明顯滲漏,上游止水破損高程低于下游止水破損高程,由此可以判斷出下游止水破損最低高程應(yīng)在159.0 m高程附近,而上游止水破損的高程應(yīng)低于159.0 m高程。

根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果,抽水后瀝青井水位高程穩(wěn)定在157.5 m(此時(shí)的庫(kù)水位),基本可以判斷上游止水的破損部位位于157.5 m以下,而根據(jù)瀝青井注水試驗(yàn)及水下機(jī)器人檢查的結(jié)果,可判定上游止水破損的最低高程為155.0 m。結(jié)合聲波CT檢測(cè)的結(jié)果,也可判斷得出上游止水破損的區(qū)間應(yīng)在155.0～157.5 m 高程。

2.1.4聲波CT檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)聲波CT檢測(cè)成果可知,8-2斷面在160.5～161.6 m高程附近和1-7斷面在162.0～163.6 m高程附近存在異常。結(jié)合其他方法分析結(jié)果可判斷層間縫可能在該區(qū)域有不同程度延伸。同時(shí)8-2斷面在158.6～159.6 m高程附近,7-1斷面在154.6～159.0 m高程附近,6-4 斷面在163.0～163.4 m高程附近分別存在不同程度異常。結(jié)合其他檢測(cè)方法分析結(jié)果可判斷這3處異常未出現(xiàn)連通情況,應(yīng)為局部異常。聲波CT檢測(cè)結(jié)果見圖5,具體可見聲波CT異常統(tǒng)計(jì)(表1)。

表1 聲波CT波速異常統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical of acoustic CT wave velocity abnormality

圖5 聲波CT檢測(cè)成果Fig.5 Results of acoustic CT

2.2 橫縫滲水成因綜合分析

2.2.1滲水高程、滲水連通情況及滲水量

根據(jù)壓水試驗(yàn)、抽注水試驗(yàn)結(jié)果、蓄水期間滲漏狀況分析可知:7號(hào)、8號(hào)、11號(hào)孔層間縫在160.5 m高程處相互連通,且與上游壩面及橫縫連通,滲漏量為80 L/min,占總滲漏量的63.35%。瀝青井與橫縫上游側(cè)在155.0～157.5 m高程部位連通,滲漏量為80 L/min,占總滲漏量的27.78%。下游止水層間縫滲漏量較少,只占總滲漏量的8.73%。滲水情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 壓水試驗(yàn)、抽注水試驗(yàn)滲水量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of water leakage in water pressure test and water pumping test

2.2.2結(jié)果分析

從鉆孔內(nèi)錄像、壓水試驗(yàn)、抽注水試驗(yàn)以及聲波CT檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,上游銅止水在155.0～157.5 m高程之間存在破損,7號(hào)、8號(hào)、11號(hào)孔層間縫在160.5 m高程處相互連通,且與上游壩面及橫縫連通,并存在層間縫滲水現(xiàn)象。下游銅止水在159.0 m高程附近存在破損,瀝青井與橫縫上游側(cè)在155.0～157.5 m高程部位連通,與橫縫下游側(cè)銅止水159.0 m 高程連通;大壩上、下游橫縫連通,庫(kù)水自橫縫向下游滲漏。檢測(cè)范圍內(nèi)其他部位的混凝土質(zhì)量良好,無(wú)孔洞和裂縫等缺陷。因此,水利樞紐溢流壩邊墩橫縫滲水的主要原因是橫縫上、下游止水破損,次要原因是壩體混凝土存在連通的層間縫。

3 滲漏處理與效果

經(jīng)綜合分析明確滲水原因,采用化學(xué)灌漿技術(shù)對(duì)滲水部位進(jìn)行處理,跟蹤觀察處理效果,驗(yàn)證分析結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。

3.1 滲漏處理

3.1.1止水破損騎縫孔灌漿處理

騎縫孔灌漿工藝如下:鉆孔沖洗→管道試漏→安裝射漿管→阻塞→灌漿→結(jié)束灌漿。針對(duì)銅止水破損的部位,在止水上下游50 cm處鉆騎縫孔,進(jìn)行灌漿。灌漿前先對(duì)瀝青井進(jìn)行濕砂充填,防止瀝青井上部的排水井被灌漿漿液封堵。灌漿采取自下而上卡塞分段純壓式灌漿,最大灌漿壓力控制在0.4 MPa,分3段逐級(jí)加壓,在灌漿過(guò)程中進(jìn)行孔內(nèi)實(shí)時(shí)觀測(cè),滿足結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止該段灌漿。

3.1.2層間縫處理

層間縫貼嘴化學(xué)灌漿處理工藝如下:基面處理→鑿槽→沖洗→埋管→填縫→灌漿→結(jié)束灌漿→表面處理。為保證層間縫兩端的封閉和處理效果,在上游壩面外露層面縫距橫縫30 cm處騎層面縫鉆孔,并嵌填止水材料,形成止?jié){塞,以保證層間縫兩端的密封性。對(duì)封閉空間進(jìn)行貼嘴化學(xué)灌漿。

3.2 處理效果

3.2.1騎縫孔處理效果

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及滲漏情況,該部位橫縫共計(jì)布置4個(gè)騎縫孔灌漿封堵,灌漿成果統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 灌漿成果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of chemical grouting result

灌漿處理前后大壩131 m廊道相應(yīng)橫縫上安裝的排水管的觀測(cè)滲水量情況見圖6,灌后滲漏量小于5 mL/min,滲漏量明顯變小,說(shuō)明滲水位置及成因分析準(zhǔn)確,防滲檢查和處理起到了良好效果。

圖6 131 m廊道橫縫滲水情況Fig.6 Water leakage of gallery 131 m corridor transverse seam

3.2.2層間縫處理效果

灌漿完成后進(jìn)行相應(yīng)壩段壩體交通洞滲水檢查,發(fā)現(xiàn)155 m高程以上壩體層面處裂縫已完全不漏水,證明橫縫及層間縫滲水位置及成因分析準(zhǔn)確,處理效果良好。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)水利樞紐溢流壩邊墩橫縫滲水問(wèn)題,采用鉆孔取芯、孔內(nèi)電視錄像、壓水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)、聲波CT等綜合檢測(cè)方法,以及水下機(jī)器人配合水下滲漏觀測(cè)方式,開展了滲水成因分析、滲水高程確定、滲水連通情況分析及滲水量估算,不同方法相互印證,確定了滲水缺陷的類型和分布。水利樞紐溢流壩邊墩橫縫滲水的主要原因是橫縫上、下游止水破損,而壩體混凝土存在連通的層間縫是橫縫滲水的次要原因。通過(guò)化學(xué)灌漿技術(shù)對(duì)滲水部位進(jìn)行處理,處理結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了檢測(cè)技術(shù)的先進(jìn)性、準(zhǔn)確性和可靠性,可為類似堤壩滲水檢測(cè)及處理技術(shù)理論研究和工程實(shí)踐提供參考。