混凝土重力坝病害探测技术应用研究

刘康和，童广伟，林大明

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 工程概况

龙口水利枢纽基本坝型为混凝土重力坝， 水工建筑物包括拦河坝、河床式电站厂房、泄流底孔、表孔、副厂房及开关站等。 拦河坝坝顶高程900m，坝顶全长408m，最大坝高51m。水库总库容1.96亿m3，电站总装机容量为420MW，工程为Ⅱ等工程，工程规模为大（2）型。 大坝自左岸至右岸划分为1#～19#共19个坝段， 其中：1#、2#坝段为左岸非溢流坝段；3#、4#坝段为主安装场坝段；5#～8#坝段为河床式电站厂房①～④号机组即大机组坝段；9#坝段为河床式电站厂房⑤号机组即小机组坝段；10#坝段为副安装场坝段；11#坝段为隔墩坝段；12#～16#坝段为底孔坝段；17#、18#坝段为表孔溢流坝段；19#坝段为右岸非溢流边坡坝段。近年来，发现混凝土重力坝局部渗漏、一级消力池底板脱空、 发电机组立式混凝土蜗壳外围地面混凝土裂缝及钢筋锈蚀等问题。

2 病害现状

2.1 混凝土重力坝坝体

混凝土重力坝坝体下游侧局部出现间歇性的渗漏现象， 渗漏严重时在坝体下游侧呈现明流且渗漏量较大，主要分布：①左岸坝肩与山体结合部位山体呈现渗漏，渗漏量较大，结合部位上部有明流。 ②1#坝段水平缝呈现渗漏，渗漏量较小，有渗漏痕迹，部分有明流。③10#～11#坝段横缝呈现渗漏，渗漏量较大，有明流从坝后中上部横缝流下。④18#～19#坝段横缝呈现渗漏，有明流从坝后中部横缝流下，地面积水严重。 ⑤19#坝段水平缝呈现渗漏，渗漏水明显，局部明流。

2.2 底孔一级消力池

一级消力池底板混凝土破损较为严重， 且消力池底板表面局部存在明显高差， 其最大高程比设计高程高16cm， 推测消力池底板混凝土存在内部缺陷或与下伏基岩之间可能存在脱空缺陷等病害。

2.3 电站厂房

电站厂房某发电机组立式混凝土蜗壳外围地面出现混凝土裂缝，经调查共发现混凝土裂缝22条，基本沿水轮机室呈现放射状分布， 裂缝长度一般为2～6m，最长17m；裂缝宽0.2～0.40mm，最宽处1.07mm。个别裂缝在每年11月下旬至次年3月之间存在渗漏水现象，有时渗漏水有压，渗出时似泉水，最高可达2～3cm。由于对该处裂缝进行过多次灌浆及开凿排水沟导排处理， 但混凝土蜗壳外围地面裂缝及渗水问题仍未得到解决，已严重影响发电机组的安全运行。

3 检测工作思路

3.1 大坝渗漏探测

（1）在渗漏水的横缝（10#～11#坝段横缝及18#～19#坝段横缝）、水平缝（1#、19#坝段水平缝）和左岸坝肩与山体连接部位对应的库内坝体范围布置伪随机流场法和直流充电法测线，并以流场法探测为主，主要目的是探测坝外渗漏水与库水的关系及库内坝体入渗点的位置。

（2）在1#坝段坝顶裂隙处，采用直流充电法探测左岸平硐水池中水是否出现渗漏及渗漏水流向。

（3）通过伪随机流场法供电连通试验，判断排水孔、平硐水池中水、库水与渗漏水之间的连通关系，确定渗漏水来源。

（4）在1#、19#坝段（水平缝渗漏水）坝顶布置两个钻孔（编号为ZK1、ZK19），探查坝体内部裂隙和混凝土浇筑分层接触情况， 判断坝体内部结构缺陷与坝体下游侧水平缝渗漏的连通性。钻孔均采样编录，绘制柱状图。 终孔后先后进行温度测井、电视观察、声波测井、压水试验、芯样声波测试及物理力学试验。

（5）具体工作程序：①伪随机流场法（部分采用直流充电法）→②钻探→③温度测井→④电视观察→⑤声波测井→⑥压水试验→⑦供电连通试验→⑧岩芯取样→⑨芯样声波测试→⑩芯样室内试验。

3.2 消力池病害检测

（1）采用探地雷达法探测表层抗冲磨混凝土与下层常规混凝土分层及其结合面状况。

（2）采用地震映像法探测下层常规混凝土与基岩分层及其结合面状况。

（3）采用钻孔取芯、钻孔编录、电视观察、声波测井及芯样试验等方法探查消力池混凝土及基础是否脱空，并对底板抗冲磨混凝土结构密实度进行检测。

（4）具体工作程序：①探地雷达法→②地震映像法→③钻探→④电视观察→⑤声波测井→⑥压水试验→⑦岩芯取样→⑧芯样声波测试→⑨芯样室内试验。

3.3 机组蜗壳混凝土裂缝检测

3.3.1 蜗壳地面检测

（1）采用超声横波三维成像法、探地雷达法、表面声波法检测混凝土裂缝深度。

（2）采用探地雷达法、半电池电位法检测混凝土内钢筋分布及锈蚀情况。

（3）采用冲击回波法、探地雷达法、超声回弹综合法、 表面声波法检测混凝土内部缺陷并推定混凝土抗压强度。

（4）布置少量小口径钻孔钻取芯样，并进行声波测试、电视观察、芯样试验等工作，验证检测成果、获得混凝土强度等参数。

（5）综合以上检测结果分析判断混凝土裂缝深度（进行分类）及其内部缺陷。

（6）工作程序：①探地雷达法→②超声横波三维成像法→③冲击回波法→④表面声波法→⑤超声回弹综合法→⑥钻探→⑦电视观察→⑧声波测井→⑨岩芯取样→⑩芯样声波测试→芯样室内试验。

3.3.2 蜗壳内部检测

（1）采用超声横波三维成像法、冲击回波法检测蜗壳内顶部钢衬与外侧混凝土脱空情况。

（2）采用超声横波三维成像法、声波反射法、冲击回波法检测蜗壳内顶部钢衬外侧混凝土存在的裂缝及深度。

（3）采用超声横波三维成像法、探地雷达法、冲击回波法检测侧墙混凝土存在的裂缝及深度。

（4）综合以上检测结果分析判断混凝土内部的其他缺陷。

（5）工作程序：①冲击回波法→②超声横波三维成像法→③声波反射法→④探地雷达法。

4 检测成果

4.1 大坝渗漏探测成果

（1）坝后渗漏水均来源库水，但左坝肩与山体结合部、1#坝段水平缝渗漏水除库水外还与左岸平硐水池渗漏水有关。

（2）库内入渗点分布位置主要为：①左坝肩与山体结合部高程890.0～897.0m； ②1#坝段坝0+000.33～坝0+004.0、 高程892.0～897.0m及坝0+010.8～坝0+025.0、 高程877.0～887.0m区域内的两期混凝土接触面及附近混凝土内裂隙； ③10#～11#坝段横缝高程877.7 ～878.5m； ④18#～19#坝 段 横 缝 高 程879.4 ～890.3m、893.8～896.8m； ⑤19#坝段坝0+381.9～坝0+390.9、 高程877.3～880.0m区域和坝0+383.6～坝0+393.1、 高程895.4～896.8m区域内的两期混凝土接触面及附近混凝土内裂隙； ⑥右坝肩与山体结合部坝0+398.1～坝0+408.0、高程889.5～896.4m区域。

图1为1#坝段坝0+000.0～坝0+008.5桩号桩号段伪随机流场法（图1（a））、直流充电法（图1（b））渗漏探测成果对比图。 图1（a）和图1（b）均在桩号坝0+000.33～坝0+004.0、 高程892.0～897.0m区域呈现异常，该异常区被判定为渗漏区域，说明伪随机流场法与直流充电法的探测结果是吻合的。

图1 1#坝段桩号坝0+000.0～坝0+008.5两种方法渗漏探测成果对比

图2为18#～19#坝段横缝及19#坝段库内入渗点探测成果图， 图中清晰的表征出坝前库内渗漏区的位置及范围。 图3（a）为钻孔电视观察图像，发现高程896.3～896.0m段混凝土呈蜂窝状；图3（b）为声波测井曲线，其高程895.6～896.6m声波速度很低。 由此说明图2与图3成果一致。

图3 19#坝段钻孔电视观察及声波测井成果

4.2 消力池检测成果

（1）二期混凝土与一期混凝土之间胶结良好；一期混凝土与基岩之间除30#、40#板胶结稍差外， 其余界面胶结良好。

（2）7#板1.2m深处、24#板1.6m深处混凝土存在离析，30#板1.7～2.0m、3.8～4.0m深处混凝土呈蜂窝状，27#板3.5m深处基岩裂隙发育且较为破碎。

（3）表层抗冲磨混凝土结构厚度范围为0.20～0.50m，上游较厚，下游偏薄，21#～38#板抗冲磨混凝土结构厚度多小于0.3m。

（4）天然、饱和状态抗冲磨混凝土结构单轴抗压强度均不合格。 天然状态抗冲磨混凝土结构单轴抗压强度范围值为34.4～58.9MPa， 平均值为48.3MPa，相对设计值降低0%～31.2%， 降低率平均值为8.0%；饱和状态抗冲磨混凝土结构单轴抗压强度范围值为32.9～54.9MPa，平均值为43.8MPa，相对设计值降低0%～34.2%，降低率平均值为13.3%。

（5）饱和状态下层常规混凝土结构单轴抗压强度合格， 天然状态下层常规混凝土结构单轴抗压强度范围值为25.5～50.7MPa，平均值为33.2MPa。

表1给出了不同检测方法解释成果之间对比及二期混凝土与一期混凝土接触状况综合分析成果。

表1 二期与一期浇筑混凝土接触面综合检测成果

表2给出了不同检测方法解释成果之间对比及一期混凝土与基岩接触状况综合分析成果。

表2 一期混凝土与基岩接触面综合检测成果

4.3 蜗壳混凝土检测成果

（1）根据蜗壳地面和蜗壳内部裂缝检测成果分析，发现1#、9#、10#、16#、17#等5条裂缝为贯穿裂缝。

（2）第一层钢筋埋深范围为5～31cm，高差较大。第二层钢筋埋深范围为30～50cm。

（3）发生钢筋锈蚀概率＞90%的测点占0.62%，钢筋锈蚀性状不确定的测点占7.02%，不发生锈蚀的概率＞90%的测点占92.37%。

（4）蜗壳混凝土内部存在蜂窝及不密实现象，一般越靠近水轮机墩蜂窝或不密实现象越多。

（5） 蜗壳内部顶板钢衬和混凝土接触面局部存在不密实或脱空缺陷，主要集中在边部附近。

图4为蜗壳混凝土地面18#、19#裂缝探地雷达法、超声横波反射三维成像法探测成果图， 其中图4（a）雷达图中18#裂缝纵向延伸约50cm，19#裂缝延伸约40cm；而图4（b）超声横波三维成像图中18#裂缝纵向延伸约49cm。 由此说明两种方法探测结果吻合。

图4 蜗壳混凝土地面18#、19#裂缝两种方法测试成果对比

图5为蜗壳混凝土内钢筋锈蚀半电池电位法测试成果，图中长方形框范围内发生锈蚀概率>90%的区域、锈蚀性状不确定区域、发生锈蚀概率<10%的区域均存在，且发生钢筋锈蚀的概率很大，需重点关注并加以防护。

图5 蜗壳混凝土内钢筋锈蚀半电池电位法测试成果

5 结语

（1）通过对该混凝土重力坝坝体渗漏、消力池底板脱空、机组蜗壳混凝土缺陷等病害的诊断检测，为大坝除险加固提供了依据，取得了较好的应用效果。由此说明，在具备一定物性差异的前提下，适时选用物理探测方法进行大坝病害诊断非常有效。

（2）混凝土大坝老化病害类型复杂、种类繁多，且坝体不属于地质体， 其填筑材料和介质极不均匀，给病害探查带来诸多困难，也对探测方法、仪器设备及数据资料分析解译等提出了特殊要求。因此应综合运用物探、钻探、试验等多种检测手段，并尽量采用快速、经济、非破损探测技术，以查明病害的详细情况和特征，为制定切实可行的加固设计方案提供依据。