水电站钢衬混凝土结构脱空缺陷定量检测应用研究

张 辉，刘国庆，刘 枨，范子武，赵洪波，程和森

(1.福建水口发电集团有限公司，福建 福州 350001；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

水电站钢衬混凝土结构脱空缺陷定量检测应用研究

张 辉1，刘国庆2，刘 枨1，范子武2，赵洪波2，程和森2

(1.福建水口发电集团有限公司，福建 福州 350001；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

利用中子法探查厚钢衬下混凝土脱空方法原理、检测仪器及技术指标，对福建水口电站7台机组的转轮室现场进行检测，检测结果表明，不同机组转轮室都存在分散性的小片或零星孤立的脱空深度小于3 mm的微小脱空区域，除1#机组转轮室外，都存在局部孤立的脱空深度在3～10 mm脱空点，受钢板脱落影响，仅3#机组转轮室存在脱空大于10 mm的脱空区域，后期对其进行了灌浆处理和复测，并对复测结果给出了指导性意见。另外，针对3#、4#、6#机组转轮室热中子计数明显偏高的现象，分别从灌浆、背景含水量、气蚀等方面对其进行了合理性分析。中子法脱空检测技术在机组转轮室钢衬下混凝土脱空检测中的成功应用，为水利工程钢衬下混凝土永久埋设部件工程建设与运行期安全监督提供了可靠的检测手段与科学依据。

中子法；脱空检测；钢衬混凝土；转轮室

水力发电工程中，水工建筑物的引输水管道、排沙管道、发电机组管形座、转轮室、蜗壳以及尾水管等压力管道内，经常使用钢板里衬下浇筑混凝土的施工工艺[1-2]，但由于施工条件限制，大多数工程存在质量问题，钢板与砼的结合面容易产生脱空或空洞缺陷，造成钢板里衬变形失稳，严重影响工程的运行安全[3-6]。因此，需要在机组建设期或运行期对上述部位进行现场检测，探查出脱空缺陷的位置和程度并做相应处理。

目前，工程上多采用槌击法检查脱空缺陷[5-6]。该方法是听槌击的声响，凭个人听觉判断，其可靠性差、准确率低。尤其是不同厚度钢板槌击后响应声音差别很大，当钢板较薄时，该方法过于敏感，容易造成误判，从而导致误打许多无用灌浆孔，造成钢板原有结构和强度不必要的破坏。当钢板厚度很大或脱空中充满水时，该方法可靠性更差。并且，槌击法是一个粗略的定性判别方法，不能定量测定脱空深度大小，给灌浆处理增加难度。曾试图采用X射线、γ射线和超声波等方法进行检测，但是X射线穿透力弱，γ射线存在辐射防护上的困难，未能达到理想效果[7]。实际工程中还要兼顾经济效益，需要在日常维护的大小修期间内完成脱空缺陷的检测与处理，因此，需要一种有效的无损、快速、定量地探测钢衬砌砼脱空缺陷的方法。

利用中子无损检测方法探查厚钢板下混凝土脱空缺陷是南京水利科学研究院开发的一项核子检测技术[8]。该项检测技术是利用快中子慢化原理，让快中子穿过钢板与钢衬下混凝土材料相互作用，从而被慢化减速产生热中子。只要钢衬下混凝土在平面上和沿深度方向上充填分布不均匀，即存在脱空缺陷，在相应部位测点上热中子分布就会出现异常。用热中子探测器探测检测面上各测点处的热中子计数率，根据测取的热中子计数率大小变化和分布规律，可探查出钢衬下混凝土脱空缺陷[9]。本项中子检测技术能无损、快速、准确和安全地探查出厚度达60 mm钢板下浇注混凝土脱空缺陷，并能确定脱空缺陷平面分布范围和深度。

1 工程概况

福建水口电站位于福建省闽清县境内的闽江干流上，上游距离南平市94 km，下游距离闽清县城14 km，距福州市84 km[10]。水口电站1993年建成，是华东地区装机容量最大的常规水电站，包括1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#共7台发电机组，大坝全长870 m，高101 m，水库正常蓄水位65 m，汛期(4～7月)运行限制水位61 m。保证出力26万kW，年平均发电量49.5亿kW/h，总装机140万kW，电站建成后向华东电网和福建电网供电[11-12]。

2015年9月至2016年2月，为查清和处理1#～7#机组转轮室钢衬下混凝土存在的脱空缺陷隐患，确保机组安全运行，利用中子无损检测技术先后对1#～7#机组转轮室钢衬下混凝土脱空缺陷进行了全面检测，探查脱空缺陷范围和深度，以便为脱空灌浆处理提供科学依据和指导。其中，3#机组钢板脱落，重新修补并灌浆后进行了复测。

2 检测内容和室内标定

本次检测采用的中子探测器是用锂玻璃作为闪烁体的闪烁探测器，主要由锂玻璃闪烁体、光电倍增管以及计数器组成，使用中子源Am-241/Be，其中子通量约为1.3×105/s，活度为3.7×109Bq，检测时每测点测量时间为30 s。

2.1 中子法检测内容

本次检测工作主要利用中子法对水口电站1#～7#机组转轮室中环、下环进行全面检测，探查出砼脱空范围和深度，供灌浆布孔定位提供依据。另外，根据实际需要和检测结果安排复测，同前期观测结果比较，评价前期灌浆效果并为后期是否安排灌浆布孔提供参考。各机组转轮室检测时机依据各机组安排的大修、小修时间确定，测点布置将依据转轮室的结构确定。

2.2 室内标定实验

根据中子散射法检测原理，测点处热中子计数率大小不仅与该测点下钢板脱空深度有关，同时还受到钢板厚度和砼材料实际含水量大小影响。因此，热中子计数率并不能直接用来计算脱空深度，需要在确定钢板厚度和被测砼材料含水量之后，才能根据测点处的热中子计数率确定该点的脱空深度，而且热中子计数率与脱空深度两者之间的数学关系需要进行室内标定试验。钢衬下混凝土脱空体积越大，热中子计数率越高，由于中子探测器检测断面的截面积一定，检测断面下的热中子计数率只与脱空深度有关。

为了满足现场试验的要求，本次室内标定试验采用铝板与聚乙烯板复合材料模拟一种密度和含水量当量与混凝土相似的材料，通过调整铝板与聚乙烯板配比模拟不同密度、含水量的混凝土试验标块。具体模拟实验参数包括，3种钢板厚度分别为40、16、12 mm，四种含水量分别为160、206、311、520 kg/m3，开展两个模拟实验分别如下。

(1) 同一钢板厚度，零脱空条件下，不同含水量与热中子计数率的关系。

(2) 同一含水量，脱空深度与热中子计数率的关系。

通过上述工况的室内模拟实验，在钢板厚度不变，零脱空的条件下，得到不同含水量与热中子计数率的关系，根据这一关系可以先判断实际工况下的含水量情况，再通过室内实验模拟同一含水量时，脱空深度与热中子计数率的关系，从而判断出相应的脱空深度。由于室内试验与实际工况下的钢板下砼的含水量本底值会存在差异，因此对脱空深度的刻画采用不脱空、<3 mm脱空、3～10 mm脱空、>10 mm脱空4种区间，在实际工程应用中一般仅对处于3～10 mm和>10 mm区间内的大脱空进行灌浆处理。

图1 不同钢板厚度条件下热中子计数与含水量关系Fig.1 Relationship between thermal neutron count and water content under different thickness of steel plate

统一含水量条件下，热中子计数率与脱空深度之间的二次拟合关系为y=ax2+bx+c，具体系数列于表1。

2.3 转轮室结构与测点布置

本次脱空检测对象为1#～7#机组转轮室的中环和下环，其高度分别为1 040 mm和1 200 mm，钢板厚度分别为40 mm和30 mm，不同机组转轮室结构相同，转轮室为近似圆柱形，直径8.3 m，沿圆周方向有4条竖直焊缝，48条纵向筋板，纵向筋板间距520 mm；6条横向筋板，以中环、下环交界面为界分上、下两部分，中环间距520 mm，下环间距400 mm，转轮室钢板从进人孔沿顺时针方向可分为48节钢板，编号为b1～b48。

本次检测范围为1#～7#机组转轮室中环下半部分和下环的圆周面。以进人孔处的竖直焊缝为筋板标号b1，沿转轮室圆周的顺时针方向每隔520 mm为一个筋板标号，共设置了48条竖向筋板标号，每两条筋板标号之间等分布置两条测量断面，共96条竖直测量断面；同时，以补偿段与下环的分界线为0号横向筋板，向上依据横向筋板结构布置横向测量断面，标号为1、2、3、4、5，以中环与下环的交界，上部筋板标号间隔260 mm、上环筋板标号间均匀布置2条测量断面，下部筋板标号间隔400 mm，下环筋板标号间均匀布置3条测量断面，那么，96条竖直测量断面与5条横向测量断面的交汇点即为测点，总共布置了测点480个。转轮室中环以测点为中心，形成近似260 mm×260 mm的正方形网格，总计192个测点；转轮室下环以测点为中心，形成近似260 mm×400 mm的长方形网格，总计288个测点。仪器探头放在以上方形网格中心进行逐点测量，这种测量网格的布置是基于考虑探测器的平面测量范围，以保证不存在测量盲区。转轮室结构及测点布置示于图3、图4。

图2 热中子计数率与脱空深度关系Fig.2 Relationship between thermal neutron counting rate and depth of inner cavity defects

含水量/(kg·m-3)不同钢板厚度下的拟合系数40/mm16/mm12/mma(×10-5)b(×10-3)c(×10-3)a(×10-5)b(×10-3)c(×10-3)a(×10-5)b(×10-3)c(×10-3)160-040168-072-164384-083-534607-310206-3031299-142-655390083-315537404311-120236249-272562-165-589784115520-240321-192-396729-281-9591028059

图3 转轮室结构图Fig.3 Structure of the runner chamber

图4 测点布置图Fig.4 Arrangement of measuring point

3 结果和分析

3.1 检测结果

本次水口电站转轮室钢衬下混凝土脱空检测时机安排依据电站机组大修、小修时间进度控制，1#机组受桨叶位置的限制，转轮室中环上部位置b4～b7、b12～b15、b20～b23、b28～b31、b36～b39、b44～b46的4号、5号共48个测点无法测量，3#机组转轮室存在钢板撕裂脱落现象，在进行钢板焊接，根据初测结果指导灌浆后进行了复测。现场检测时根据转轮室结构特点，合理布置测点，依据热中子计数率的大小、分布规律，按机组序号排列，采用脱空情况统计表对各台机组转轮室脱空情况进行统计，结果列于表2。

表2 水口电站1#～7#机组转轮室脱空检测结果统计表

3.2 综合分析

(1) 表2统计了1#～7#机组转轮室混凝土不脱空区域、脱空深度<3 mm、脱空深度3～10 mm和脱空深度>10 mm区间对应的脱空面积占总面积的比例，结合1#～7#机组转轮室1～48断面钢衬混凝土脱空分布情况，发现1#～7#机组转轮室都存在分散性的小片或零星孤立的点状<3 mm的微小脱空区域，这些脱空多为混凝土或水泥砂浆干缩造成的微小剥离性脱空。除1#、5#机组转轮室外，都存在局部孤立的3～10 mm脱空点，仅3#机组转轮室存在>10 mm的脱空区域。

(2) 受钢板脱落影响，3#机组转轮室钢板破坏区域附近脱空情况相对严重，检测面上存在多块小片3～10 mm和>10 mm的脱空区域。灌浆处理后的复测表明，除了钢板脱落区外，其他区域受灌浆影响，脱空基本消失，但在新修补的钢板b39～b41断面的5号测点处热中子计数总体偏低，表明该部位灌浆不够充分，管理单位采纳了指导意见并完成了灌浆处理。

(3) 3#、4#、6#机组转轮室存在热中子计数明显偏高区域，对应的面积分别占总测量面积的15.71%、1.25%、5.63%，但区域内并无脱空。3#机组某些部位热中子计数明显偏高是由于灌浆时高含水量的浆液所造成，4#、6#是由于钢衬下混凝土本身含水量背景值高，或是由于钢板局部气蚀渗水造成。

(4) 根据灌浆处理时布孔测深与脱空检测结果对比，其数据一致，表明与槌击法相比，中子法能够进一步定量测定脱空深度，可避免误打灌浆孔，造成钢板原有结构和强度的破坏，因此保障了灌浆质量，提高了灌浆效率。

4 小结

转轮室钢板下混凝土脱空的形成主要存在两种情况，一种是建设期混凝土浇筑质量问题形成的脱空，另一种是机组运行期间由于负荷的变化引起振动或其他物理、化学作用造成的脱空，因此，建议定期安排机组转轮室的脱空检查，同时利用本次的检测结果进行对比分析，判断造成转轮室钢板下混凝土脱空可能的原因，保障机组的运行安全。

本次采用中子法检测手段对钢衬下混凝土进行脱空检测，取得了可靠的测量结果，该技术已在我国多个大型水利、水电和航运工程中，特别是水库大坝引水、排沙和输水钢管以及水电机组尾水管、管形座和机组转轮室、蜗壳钢板下混凝土脱空缺陷检测中进行了应用。相对传统的槌击法，中子无损检测技术在指导灌浆施工、检查或评价灌浆效果、保证灌浆质量方面具有不可比拟的优点。

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Study on Application of Quantitative Detecting of Inner Cavity Defect of Concrete Under Steel Plate Lining of Hydro-power Plant

ZHANG Hui1, LIU Guo-qing2, LIU Cheng1, FAN Zi-wu2, ZHAO Hong-bo2, CHENG He-seng2

(1.FujianShuikouPowerGenerationGroupCo.,Ltd.,Fuzhou310001,China; 2.NanjingHydraulicResearchInstitude,Nanjing210029,China)

A brief description of the principle, detection equipment and technical indexes of neutron method was used to detect the inner cavity defect of concrete under steel palte lining. The specific introduction of site testing conditions and results of 7 runner chambers in Shuikou hydro-power plant were described in this article. The results showed that each runner chamber had several pieces or isolated inner cavity defects, which depth were less than 3 mm. Except 1# runner chamber, all of the rest had isolated inner cavity defects which depth were within from 3 mm to 10 mm. Affected by falling of steel plate, the depth of inner cavity defects in 3# runner chamber were larger than 10 mm. A remeasurement for 3# runner chamber after grouting was carried out, and summarized guidance for the retested results. In addition, the reasonable analysis was did in the aspect of grouting, the water content of the background and cavitation for the high thermal neutron count of 3#, 4# and 6# runner chamber. The successful application of neutron method for detecting inner cavity defect of concrete under steel plate lining of the runner chamber provides a reliable means of detection and scientific basis to the construction and operation safety of permanent components embedded in concrete in water conservancy projects.

neutron method; cavity detection; concrete under steel plate lining; runner chamber

2016-10-19;

2017-01-02

国家自然科学基金项目(41402217)；中国博士后基金项目(2014M561686)；中央级公益性科研院所基本科研业务专项基金(Y115003)

刘国庆(1984—)，男，安徽泾县人，在站博士后，主要从事地表与地下水运动模拟及水利工程检测方面的研究，E-mail: gqliu@nhri.cn

TL364.5

A

1000-7512(2017)03-0194-06

10.7538/tws.2016.youxian.051