采用先进的泄漏检测技术监测坝面修复

2022-10-13蒋海霞

水利科学与寒区工程 2022年9期

蒋海霞

(中国安能建设集团有限公司，北京 100000)

水库在防御洪水灾害和保障国民经济建设中发挥着重要作用，尤其是在经济迅速发展，水库周边人口财富集中化的当代[1]。水库如果存在病险，带病运行，会对周边人民生命财产安全造成巨大威胁。因此，病险水库除险加固意义深远、责任重大，一直是水利工程的一项非常重要的工作。水库坝面修复及综合整治项目关系到水库大坝安全运行和三防安全[2]。最近，水工建筑物密封系统的修复变得越来越重要。沥青和合成土工膜已成为传统密封系统的重要替代品，因为改进了材料，以及固定和接缝技术的新可能性[3]。对于开放河道上的一些特殊应用，用土工膜修复表面是完全重建的唯一替代方案，合成膜适用性的一个特殊技术重点是固定，会决定性地影响施工成本[4]。土工膜水密性的监测尤为重要，分布式光纤温度测量提供了进行有效泄漏检测的可能性，即使是对于目前尚无法进行详细监测的饰面结构。在过去的几十年里，沥青和合成土工膜作为一种密封技术越来越重要，在岩土工程中，土工膜经常被用作地下密封[5]。例如，垃圾填埋场被包裹在土工膜中，以保护地下水免受污染。对于这些地下应用，膜仅用于密封目的，不会因荷载而变形，沉降除外。在水利工程中，合成土工膜主要用作护面，尤其是用于修复。

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)用作水工结构的土工膜材料。在薄膜下方使用无纺布，以防止其被下面表面的粗糙边缘刺穿，使薄膜下方排水，并改善与地下的摩擦。所有材料都耐紫外线辐射，预期使用寿命超过30年。PVC结构非常灵活的，可以很容易地调整成困难的几何形状，并有一个大的接缝窗口。FPP也是一种柔性材料，但其接缝窗口很小，因此需要现场的精确工艺。PEHD有最大的接缝窗口，但非常坚硬，FPP和PEHD都不使用化学添加剂。

1.1.2 分布式光纤测温系统

分布式光纤测温系统是一种用于水利工程领域的电子测量仪器。传统堤坝渗流监测主要借助于测压管、渗压计及量水堰等技术手段，分别通过渗透压力和渗流量来监测其渗流异常情况。因堤坝内温度场在渗流场作用下表现为周期性平稳分布，堤坝渗流异常将引起温度场的局部异常，通过监测渗流作用下堤坝内温度场的分布及变化过程或异常现象，可以判断出堤坝内的渗流异常情况即渗漏发生。随着分布式光纤测温技术的日益完善，逐渐应用于堤坝渗漏监测。堤坝中预先埋设分布式测温光纤，渗流异常或渗漏发生时，渗流场变化必然引起温度场的异常变化，利用分布式测温光纤测得温度场异常区域，可以精确定位堤坝渗漏地点或区段。

1.2 试验方法

1.2.1 土工膜固定

当大坝的混凝土面板因老化而变得可渗透时，大坝内部和下方的水压会增加，从而影响稳定性。降低扬压力的最有效方法是安装一个排水表面密封系统，该系统与地下密封相连。如果表面密封破裂，排水系统必须处理大量渗水。因此，必须拥有足够大的渗透性。土工膜表面的水下周长通常作为水密压缩周长执行在大坝运行期间，土工膜面上的最高负荷是由于快速下降而在膜后面产生的水压。在高流速的明渠或隧道等输水系统中，也可能出现更高的荷载。

通过锚固件和钢型材(图1)实现表面固定。首先，安装锚，将无纺布(排水土工布)和土工膜铺在表面上(图1(a))。将放置并固定在锚上的钢筋夹紧(图1(b))，可以选择在固定线上焊接一条薄膜(图1(c))。周边的固定杆还可以用环氧树脂密封。

图1 土工膜不同固定系统示例

理想情况下，这些固定装置线性地传递来自膜的力。然而，如果锚定器放置的距离太远，膜将只能点式固定，可能会撕裂。减少锚的距离可以防止这种情况，但由于固定成本占修复成本的很大比例，因此需要优化间距。

一旦有负载在膜上，多发生膜损坏和水从下面通过的情况。由于河道内的水流速度，动态水压Pdyn可能会在破裂的膜下方产生，Pdyn的计算见式(1)。

(1)

式中：ρ为水的密度，kg/m3；v为河道中的平均流速，m3/s。

水压可能会在膜内部产生拉应力N，根据式(2)计算。

N=Pdynr

(2)

式中：r是变形膜的半径，m。

1.2.2 固定测试

为了研究不同固定技术的效率，对部分工程中使用的土工膜进行了拉拔测试。土工膜样品已固定在河道旧混凝土饰面的上部，并在绞盘的帮助下以规定的角度施加了规定的载荷(图2)。

图2 倾倒测试仪固定图示

2 结果与分析

2.1 河道坝面土工膜覆盖及泄漏检测

修复河道部分具有梯形横截面(见图3(a))。只有右侧堤板被排水土工膜系统密封，左侧板仅进行了局部改进。河道底部用一层新的沥青混凝土修复。沥青混凝土和土工膜之间的接缝需要特殊设计，以避免沥青混凝土放置的高温对膜的伤害。为了观察新饰面和接头的水密性，在膜下安装了光缆(见图3(b))。使用加热法测得的温度升高范围为2～10 K。为了提高测量评估的可能性，进行了几次泄漏模拟测试，以及为了产生明确的渗漏，在修复期间将管道铺设在旧混凝土面板上，在河道重新蓄水后，水以恒定的流速进入膜下(见图4)。

图3 修复后的河道横截面

图4 修复后的河道模拟试验剖面

图5(a)和图5(b)显示了不同流速下无泄漏和有泄漏的温度升高分布。流速从0.1 L/s到0.4 L/s不等(图6)。在开始加热测量之前以恒定速率施加泄漏流，加热测量包括一小时后测量和加热测量。结果表明，泄漏检测系统能够正确定位泄漏点。此外，对于小流量，温度升高的最小值取决于流量。对于更高的流速，无法观察到最小值的进一步降低，但异常的扩散迅速增加。例如，在流量为0.1 L/s的情况下3.5 h后泄漏管2处的异常情况以及在流量为0.3 L/s的情况下的额外2.5 h后的异常情况会蔓延到50 m。由于电缆本身，温差不会明显低于2 K,即使以相同的加热功率在河道的流动水中加热电缆，也会导致可比的温度升高2 K。

全断面测量值的变异性只是由于温度测量的不精确造成的一小部分，主要表现在旧混凝土板的孔隙率和膜间隙宽度等电缆边界条件的变异性。此外，电缆上沥青混凝土的厚度会因河道旧底部的不平整而变化。

2.2 混凝土重力坝修复及泄漏检测

五强溪水电站位于湖南省沅陵县境内的沅水干流上，坝型为混凝土重力坝。溢流坝长244.50 m，表底孔溢流坝段长149.50 m，由6个在现有的饰面上应用了新的双层沥青混凝土饰面。除了常规监测排水层渗水外，还通过加热法观察了靠近右桥台的饰面非常有缺陷的部分。试验表明，大坝排水层渗漏监测效果良好。除了精确定位泄漏外，该系统还可以估计不同的渗水径流。

图5 河道模拟试验的结果

图6 河道模拟试验的边界条件

表孔和5个底孔组成。表孔溢流坝段长81.25 m,由3个表孔组成，溢流面设计采用美国WES曲线，堰面设计最大工作负压为0.06 MPa。表孔溢流坝堰顶高程87.80 m，进口宽为19 m，在堰顶下游设一长19 m的宽尾墩，溢流面从19 m宽收缩至7 m。承担了防洪任务坝体由一个冲压混凝土核心组成，带有最初的瓦砾砌体饰面。在第一次修复工程过程中，上游饰面被执行为不透水的混凝土外壳。结构的进一步老化和排水系统效率的降低使得需要进行额外的补救工作。调查表明，除了供水和底部出口外，整个大坝必须在上游面进行密封必须完全现代化。上游混凝土面的防水设计为上游表面的外露 PVC 土工复合材料为了证明面向分布式光纤温度测量系统的土工复合材料的不渗透性，按照设计，沿着其周边接缝处的坝脚和溢洪道安装了PVC膜，下方光纤电缆作为环直接安装在饰面混凝土上，通向顶部的接线盒。膜周边的光纤电缆的布置允许参考纵向坝站明确检测泄漏，并允许与通过周边接头或膜本身的泄漏相关联。在储层重新蓄水完成后，根据加热方法进行分布式光纤温度测量。该系统绝对适用于后续上游的土工复合材料面的泄漏监测。加热方法允许区分这种现代面对系统背后的真实泄漏和普通现象。分布式光纤温度测量系统具有高精度和长期耐用性方面的经验以及光纤电缆的低成本。

2.3 混凝土面板堆石坝的泄漏检测

由于其经济和施工优势，混凝土面板堆石坝在大多数有岩石地基的场地被认真考虑作为一种选择，并且在未来将越来越多地使用。这种类型的大坝在泄漏量大的情况下运行安全，并且可以以相对容易、快速和经济的方式修复混凝土面板。尽管混凝土面板堆石坝的肩部对明显的渗流相对不敏感，但大量的设计和施工工作都集中在提高密封元件的水密性上。

分布式光纤温度测量为具有高空间分辨率的精确泄漏检测和定位提供了一种非常合适的方法。由于使用光纤温度测量进行泄漏监测，可以明确证明设计的功能性，即使在很长一段时间后出现的任何泄漏也可以精确定位，有效地简化预期的修复工作。由于混凝土板下没有排水层，渗水不能分配到饰面。对于分布式光纤测量，这意味着光缆只能观察其周围的水密性。为了观察整个楼板或所有垂直混凝土接头，必须选择图7C视图中所示的电缆布局，对于周边接头的观察，电缆必须如图7D点所示安装。由于混凝土面板堆石坝中的周边接头承受一定的拉应力风险，并且该接头的水密性是此类项目成功的最重要要求之一，因此安装光纤加热建议将该接头中的电缆作为混凝土面板堆石坝的最低安装。