西枝江地下输水箱涵渗漏综合无损检测新技术

2021-08-05曹小武李海民

水电与新能源 2021年7期

曹小武，李爽，李海民

(1.深圳市东江水源工程管理处，广东深圳 518036； 2.水资源与水电工程科学国家重点实验室(武汉大学)，湖北武汉 430072)

随着城市建设的发展，城市规模不断扩大，城市排水箱涵设施数量也增长迅速，但随着时间增长，全国箱涵管龄普遍已达10～30年，接近设计年限中期。在长期使用过程中，污水长期冲刷腐蚀及软土地基变形、道路负荷加重及扩宽改造、周边施工影响等造成箱涵存在结构性和功能性缺陷其所引起的渗漏、变形、破裂甚至坍塌等安全事故日渐成为城市安全的隐患，受到民众越来越多的关注和重视[1]。

目前，箱涵渗漏隐患调查多采用地质雷达法[2-3]、分段灌水加压法等方法。但地质雷达法判别难度大、准确性差；分段灌水加压法难以准确定位缺陷位置，且检测所施加的内水压力也会对箱涵结构产生影响，造成结构变形变位。

为此，针对上述问题，本文提出一种综合无损检测技术，利用采用冲击映像法[4]、高密度面波法[5]和渗漏噪声监控法进行渗漏检测，可以有效、可靠、无损地判断渗漏区域。本文将选取深圳市东江水源工程西枝江输水箱涵进行试验并介绍此技术。

1 工程背景

深圳市东江水源工程西枝江输水箱涵采用压力箱涵、隧洞、管道、渡槽等封闭结构避免外界环境对水质的影响，其中箱涵断面型式采用双孔(3.2 m×4.0 m)箱型现浇钢筋混凝土结构(见图1)，标准段(节)长度为23 m，分缝处设橡胶(或紫铜片)止水。工程运行以来，箱涵结构出现伸缩缝填缝材料脱落、局部破损、填缝材料出现鼓包等影响结构防渗性能并导致渗漏的问题。因此必须寻找新的、可靠、有效，且适合本工程特点的渗漏检测新技术。

图1 压力箱涵标准断面图

2 综合无损检测新技术的应用

根据西枝江段压力箱涵的工程特点、场地条件及作业环境等条件，整合选用冲击映像法、高密度面波法和渗漏噪声监控法对该段箱涵进行渗漏检测。总体技术路线为：通过冲击映像法确定箱涵伸缩缝位置，通过高密度面波、渗漏噪声监控法判定渗漏区域，并相互验证。

2.1 冲击映像法检测

1)冲击映像法原理。在西侧漏水箱涵上方采用冲击映像法，弹性波通过折射传播至检波器，通过接收的地震波，来判断箱涵的伸缩缝的位置，确定箱涵渗漏的原因，为箱涵稳定状况评价提供数据依据。简单来说，利用冲击映像法探查道箱涵伸缩缝的位置，为接下来的工作做好准备。其原理如图2所示。

图2 水平两层介质水平时距曲线图

2)冲击映像法检测探查过程。冲击映像法探查采用24个检波器，检波器为100 Hz动圈式垂直分量速度型传感器，震源偏移距1 m，测点间距1 m。测线布置平行于箱涵走向，自北向南，布置1条测线，测线长47 m，测线布置如图3所示。

图3 冲击映像法检测测线布置示意图

2.2 高密度面波法技术

1)高密度面波法原理。当敲打地面时，地面会振动，振动向远方传播就形成了面波波动，包括有瑞雷波和勒夫波。与瑞雷波不同，勒夫波介质质点的振动与传播方向垂直。使用垂直分量检波器就可接收瑞雷面波的垂直成分而避开勒夫面波。即利用高密度面波探查箱涵两侧地层分布状态，判断地层是否存在疏松、脱空和空洞区域。激发震器、检波器布置如图4所示。

图4 面波数据采集方法示意图

2)高密度面波法探查过程。高密度面波检测系统由激振器(14磅八角锤)、采集系统(4.5 Hz动圈式垂直分量速度型传感器阵列)和控制系统(GEODE 24道地震仪)组成，如图5所示。

图5 高密度面波系统图

根据现场状况，布置高密度面波测线如图6所示。高密度面波试验路段测线2条；冲击映像法测线1条，位于两面波测线中间；渗漏噪声监控法以漏水点为中心点布置测线1条，测线位置与冲击映像法测线相同。其中，高密度面波系统信号激发，震源偏移距5 m，完成1次采集后，整体移动采集系统至下一个测点，步长为6 m，重复上述操作，至完成整条测线数据采集；冲击映像法采用14磅铁锤进行信号激发，震源偏移距1 m，完成1次采集后，整体移动采集系统至下一个测点，步长为1 m，重复上述操作，至完成整条测线数据采集；渗漏噪声监控法系统布置24道检波器，监控30 min，完成整条测线数据采集。

图6 高密度面波测线布置平面示意图

2.3 渗漏噪声监控法检测

1)渗漏噪声监控法原理。当输水箱涵局部破损产生渗漏时，水在压力作用下向管外喷出的同时产生哨叫，引起振动并在内部形成涡流。在压力一定的情况下，渗漏越小，震动频率越高，反之渗漏越大，则振动频率越低。通过一定间隔(一般10～20 m)设置检波器，用仪器连续地测量和记录，并通过数字滤波等手段消除背景噪音后，可以准确判断渗漏程度。即利用渗漏噪声监控法探查道箱涵渗漏点位置。其原理如图7所示。

图7 渗漏噪音监控原理图

2)渗漏噪声监控法探查过程。渗漏噪声监控法探查采用24个检波器，检波器为100 Hz动圈式垂直分量速度型传感器，测点间距1 m。测线布置平行于箱涵走向，自北向南，以漏水处为中心点布置1条测线，测线长47 m，测线布置如图8所示。

图8 渗漏噪音监控法测线布置平面示意图

3 检测数据处理及结论

1)冲击映像法检测数据及结论。图9～图11中若显示为折射波波形图，其中相位连续，表明地下为无接缝整段箱涵；若显示波形不连续，表示此处存在伸缩缝，在16 m(K162+169)和17 m(K162+170)之间存在箱涵的一条伸缩缝，在36～37 m之间存在第二条伸缩缝。

图9 测线第一段折射波波形图

图10 测线第二段折射波波形图

图11 测线第三段折射波波形图

2)高密度面波法检测数据及结论。箱涵两侧测线对比检测结果如图12、图13所示，图中蓝色至深蓝色代表土壤含水率高或土质疏松。由两条测线对比可知，东侧箱涵无渗漏或破损情况，箱涵西侧在5～22 m(K162+158-K162+175)段范围内含水率较高，地层缺失稳定性，存在疏松或脱空。

图12 测线1箱涵西侧剪切波速度分布段面图

图13 测线2箱涵东侧剪切波速度分布段面图

3)渗漏噪声监控法检测数据及结论。图14中显示为无人为震源情况下检测的震动噪音情况，正常情况下，无其他干扰，监测的噪音振幅较小，而出现漏水时，会加强干扰，造成噪音的振幅加大，在16 m(K162+169)处出现噪音变大，地面漏水处在16.5 m(K162+168.5)处，由于管道压力较小，白天监测时，受外界的其他噪音干扰较大，造成异常不明显，但可见箱涵16 m(K162+168)处裂缝处在地面漏水。

图14 渗漏噪声检测波形图

经过冲击映像法、高密度面波法和渗漏噪音监控法综合物探检测，该段西枝江输水管道在16～17 m(K162+169-K162+170)范围内存在一条伸缩缝，该伸缩缝出现断裂，导致该箱涵出现漏水，建议进行开挖验证并进行修补。注浆和开挖时应避免损坏其他箱涵，防止出现其他渗漏，建议加强工程安全监测，确保工程安全。

4 箱涵伸缩缝防渗漏处理技术方案

先剔除原有老化的止水胶板，对伸缩缝采用化学灌浆及快速堵漏剂堵漏，保证施工面为干燥面，缝内嵌填2～3 cm厚高弹性砂浆。在伸缩缝表面锚贴高密度三元乙丙复合GB板(止水带)。止水带宽20 cm，三元乙丙厚5 mm，GB止水板3 mm，不锈钢板厚3 mm，宽40 mm，表面再涂刷SK手刮聚脲，防止胶板老化及腐蚀，聚脲涂层厚度3～4 mm。该方案可以在潮湿或有渗水的环境下施工，具有三道止水措施，处理方案如图15所示。

图15 箱涵伸缩缝止水技术方案图

主要材料性能如下：

高密度三元乙丙板具有强度高、耐老化、变形大等特点。三元乙丙板厚度为5 mm；复合的GB止水板条具有与混凝土及橡胶材料粘接好、耐老化、变形大等特点，厚度为3 mm。用于固定高密度三元乙丙复合GB板的压条使用不锈钢压条。

施工工艺如下：

1)拆除原老化止水胶板及锚固螺栓；

2)沿伸缩缝两侧表面打磨清理，宽度35 cm；

3)沿伸缩缝凿槽，槽深约5 cm，宽约2 cm，清洗干净，并先用快速堵漏剂在缝槽内嵌填1～2 cm厚，进行封缝；再沿伸缩缝两侧打孔进行化学灌浆，止水后，保持缝内干燥，在缝槽内嵌填2～3 cm厚的高弹性砂浆，将渗水部位伸缩缝中部凿槽，用快速堵漏剂将槽填满，如果渗水量较大，在伸缩缝侧边打排水管，将水引出；

4)按止水带宽度划线，止水带宽20 cm，用云石机沿划好的混凝凝土边线进行切割，切割深度为3～5 mm；

5)用金刚石磨片沿切割线向内打磨出槽，遇深坑或混凝土表面松脱时，需进行局部修补处理，确保处理面混凝土新鲜平整；

6)用冲击钻打孔，按15 cm间距安装不锈钢膨胀螺栓；

7)涂刷界面粘接剂后，安装已打好孔的高密度三元乙丙复合GB板(止水带)；

8)用不锈钢板压条将高密度三元乙丙复合GB板压好固定，将螺丝拧紧，每个螺丝拧紧时用力要均匀；

9)三元乙丙复合GB板安装完成后，整体表面涂刷SK手刮聚脲进行封闭及防腐处理，并向两侧混凝土各延伸10 cm宽，厚度3～4 mm。

以上方案经现场实施与检验，效果良好，处理后未见有伸缩缝渗漏情况。