吉爾吉斯斯坦基洛夫大壩混凝土現狀分析

[俄]B.A.拉斯卡茲奇科夫

吉爾吉斯斯坦基洛夫大壩混凝土現狀分析

[俄]B.A.拉斯卡茲奇科夫

吉爾吉斯斯坦基洛夫大壩已經運行了 30多年,為了確保該壩運行的安全可靠性,對大壩現狀進行了監測和分析。按照有關規定,采用了無損探傷的方法,借助于儀器設備對大壩混凝土強度進行檢測。檢測結果表明,基洛夫大壩經過 30多年的運行,無論是大壩內部的混凝土,還是外部的混凝土,其強度均超過了規定的強度。對大壩狀況,檢測目的、方法、儀器以及檢測結果等進行了概述。

大壩;安全監測;混凝土強度檢測;檢測分析;基洛夫大壩;俄羅斯

基洛夫 (Кировское)大體積支墩壩修建在塔拉斯 (Талас)河上 (吉爾吉斯斯坦境內 ),是由吉爾吉斯斯坦國立水利工程設計院 (Киргизгипроводхоз)于 1975年設計的。該壩壩高為 84m,壩頂長為 260 m,混凝土澆筑方量為31萬 m3,大壩上、下游斷面的坡度為0.45。壩的下游面的底部較陡(m=0.70),壩段每間隔 22m設置有溫度沉降縫。每個河床壩段都由寬為 22 m的大型壓力泄水孔首部結構物、寬為 12m的支墩和板壁厚度為4.5 m的底部泄水孔結構物組成。支墩之間形成寬為 10m的封閉腔室。從上游面來看,上部泄水孔的首部結構物呈半徑為28.1m的曲線形,不包括伸出部位的孔道彎度。泄水道布置在第 5、6號壩段的832.0 m高程處。在出口處,泄水道為矩形斷面,其尺寸為 3m×4 m,由此過渡到直徑為2.2m的圓形斷面。設置有錐形閘門,以便對水量進行調節。在881.5m高程處,設置有帶溢流堰的上部溢洪道,用以第 7號壩段在洪水期泄洪。

為了觀測壓力泄水孔首部結構物和支墩混凝土的內部表面情況,以及為了觀測監測儀器,分別在822.0 m和 845.5m高程上設置了 2條檢查廊道,廊道寬均為 3 m,高均為3.5 m。822.0 m高程上的檢查廊道主要是作為各河床壩段相互之間的交通通道和用于設備的維護。845.5m高程上的檢查廊道貫通各支墩并一直延伸到岸邊。為了便于通行,在河床壩段內,沿廊道設置有一些小鐵橋。在平行于壓力泄水孔首部結構物的支墩面上,都設置有鐵梯和平臺,這樣可以保證在不同高程的廊道之間通行及順利到達水準儀的安放處。

根據設計方案,大壩混凝土澆筑按施工條件被分為 3個區域進行。巖基至836.0m高程處為一個澆筑區域,其中包括壓力泄水孔的首部結構物,其澆筑的混凝土性能參數為 M250、P18、B8、抗凍性 200。836.0m高程以上的支墩及底部泄水孔的首部結構物為另一個澆筑區域,其采用的澆筑混凝土的性能參數為 M200、P16、B8、抗凍性 150。混凝土的配合比設計是由俄羅斯莫斯科古比雪夫建筑工程學院(МИСИим.ВВ.Куйбышева)完成的,并經過西伯利亞水利工程科學研究院(СибВНИИГ)和建筑施工實驗室共同試驗,且在施工過程中得到了驗證。大壩底部至825.5 m高程是澆筑的 M250混凝土,其水泥用量為 265 kg/m3,而在這個高程以上部位澆筑的混凝土,其水泥用量為 240 kg/m3。混凝土所用的水泥為康德水泥廠生產的 300號低溫抗硫酸鹽波特蘭水泥。水泥的礦物質含量為:C3S=43…49%;C3A=2…4%。骨料為2.5～3.0 mm的粗度模量的砂;礫石為 3級配:即 5～20mm;20～40mm;40～80 mm。混凝土外加劑的含量,是根據水泥比重,摻加0.20%～0.25%。混凝土拌合物的坍落度為 2～4 cm。大壩混凝土分層澆筑,各層厚度為0.5～1 m。

基洛夫水利樞紐庫區的氣候特征為強大陸性氣候,平均氣溫波動較大:-35℃(12～1月)～+35℃(7～8月)。因此,只有大壩在復雜的氣候條件下經過長期運行以后,對其混凝土狀態進行評估才具有實際意義。

2004年,按照吉爾吉斯斯坦共和國土壤改良部任務書的要求,西伯利亞水利工程科學研究院有限公司(原西伯利亞水利技術科學研究所)對基洛夫大壩混凝土進行過無損探傷檢測。采用超聲波方法對大壩基礎部位的混凝土強度進行了測定,為了使取得的數據更為準確,又采用了機械檢測儀器——硬度計對其進行復檢。

為了對大壩施工過程中的混凝土強度進行檢測,西伯利亞水利技術科學研究所與基洛夫建筑安裝局建筑施工實驗室一起,當時曾對加筋混凝土試件(加有鋼筋的邊長 20 cm的混凝土立方體)進行過超聲波試驗和機械試驗(在壓力機下進行)。根據試驗結果,確定了“混凝土強度與超聲速度”的關系。在此次試驗中,使用了 2種標號的混凝土:即 M250(R=0.76 V4.00)和 M200(R=0.76V3.75)混凝土。

在進行實驗室的室內試驗時,使用的是 УКБ-1M型超聲波檢測儀,而 2004年進行的大壩混凝土強度檢測,使用的是 УК-14ПM型便攜式超聲波檢測儀。利用超聲波檢測儀進行大壩混凝土強度檢測時,采用的方式是在 120 mm基礎的上部鳴響。因而,對于標號為 M 200和 M250的混凝土來說,要分別采用轉換系數 Kn=1.1和1.4。除此以外,當建筑物中的混凝土含水量與試驗室試件的誤差較大時,還應采用系數 Kw,其數值為0.95～1.1。檢測建筑物中混凝土的含水量時,所使用的是 MГ4Б型濕度計。

采用機械方法(ОМШ-1型硬度計)測定 M 200和 M 250標號的混凝土的強度時,采用了以下公式:

式中 R為混凝土的抗壓強度,kg/cm2;H為撞擊回彈數值,約定單位。

在測定表面潮濕的混凝土強度時,所獲得的 H值會增大,因此,如果采用機械方法進行檢測,則系數 Kw應根據不同濕度,取值范圍為 1～1.14。

無論是采用超聲波檢測方法,還是采用機械檢測方法,對混凝土強度進行測定時,系數 Kn和系數Kw都要通過試驗的方法來確定。

圖1 大壩橫縫處剖面

大壩某些區段和區域的混凝土強度的平均值Rm,以及混凝土不均勻性的變化系數 CV值,是根據超聲波檢測方法和機械檢測方法的現場實際檢測數據來確定的。除此以外,還應確定每個檢測區域的相應強度系數 Rm/RT,其中 RT為在獲得變化系數條件下該標號的混凝土所必需的強度。

1 大壩內部混凝土

對大壩內部混凝土的檢測,是借助于高程822.0m和高程845.5 m上的小鐵橋和平臺(懸臂梁)完成的。這些小鐵橋和平臺沿上部斜水孔和支墩壁架設在腔室內。大壩內部混凝土強度檢測結果列于表 1。

從表 1中可以看出,水泥用量為 265 kg/m3的標號為 M 250的混凝土平均強度是所要求強度的1.8倍,這是根據超聲波檢測數據得出的結論;而根據機械檢測數據得出的 Rm則是 RT值的1.82倍多。根據超聲波檢測儀和硬度計檢測數據得出的水泥用量為 240 kg/m3的標號為 M250的混凝土強度,分別是 RT值的1.62倍和1.74倍。

根據采用超聲波檢測方法和機械檢測方法所獲取的資料數據,可以確定,標號為 M 200的混凝土強度分別超過了標準值2.03倍和2.24倍。

2種標號混凝土的均勻性都達到了要求:個別區段的變化系數沒有超過 20%,對于水工建筑物來說,屬于在允許范圍以內,而用超聲波檢測儀器檢測出的 Cv值小于 16%,硬度計檢測出的小于 15%。

表1 大壩內部混凝土強度

早在大壩施工期間,基洛夫建筑安裝局建筑施工實驗室就對混凝土質量做了全面系統的監測,其監測所用試件全部按規定的配合比制作,測定混凝土強度的齡期為 28 d和 180 d。同時,從壩體(支墩)取芯樣進行了對比試驗。對180 d齡期的試件和350～400 d齡期的大壩芯樣采用機械方法進行的試驗結果列于表2。

表2 試件與壩體芯樣的混凝土強度

從表 2中可以看出,根據 2組試件的檢測結果,混凝土具有良好的均勻性,大壩芯樣所具有的均勻性同樣不可否認。從大壩芯樣中得出的變化系數較大,這說明取樣直徑不足(130 mm),因為骨料粒徑已達 80mm,而且取樣用的是波別基特硬質合金鉆頭,而不是金剛石鉆頭。

列于表 2的是 M 250標號混凝土的試驗結果,其水泥用量為兩種,即 240 kg/m3和 265 kg/m3。對混凝土試件組(105個)進行了試驗比較,結果表明,水泥用量為 240 kg/m3,齡期為 180 d的混凝土的平均強度減少了 9%。超聲波檢測數據顯示,在 30 a齡期組中,這一比值為4.5%,而硬度計檢測數據則顯示為1.3%。

1973～1975年,在基洛夫大壩施工期間,西伯利亞水利技術科學研究所使用超聲波儀器對混凝土強度做過檢測評估。在澆筑 M200和 M250標號混凝土的 5～8號壩段,總共對大約 1 100個區段進行了觀測。在觀測期間,混凝土齡期為 30～605 d。觀測結果表明,變化系數為 15%～31%的情況下,這些壩段中的混凝土平均強度超過設計強度的1.2～1.6倍,同時,對于早齡期的混凝土來說,主要特點是具有較大的不均勻性。表 3列出了在良好的溫度、濕度條件下,經過 30 a運行之后,兩種標號混凝土強度的變化情況。

從表 3可以看出,根據超聲波檢測數據資料進行的分析,大壩在 30 a的運行期間,其內部區域的 2種標號的混凝土強度提高了 30%以上。

2 大壩外部混凝土

對大壩上、下游面采用相同的方式進行儀器檢測:每個壩段從中心到邊緣分成 3個面積為1.5～2 m2的區域來檢測混凝土強度。在每個區域用超聲波儀器檢測 15個區段,用硬度儀檢測 8個區段。

圖2 大壩縱剖面

表3 大壩內部混凝土強度變化情況

大壩上游面從 3號壩段到 10號壩段的混凝土強度檢測,是在858.5m水位處借助于劃艇完成的,其余部位的檢測是沿側壁的斜坡進行的。混凝土強度檢測結果列于表 4。

表4 大壩上游面混凝土強度

從表 4中可以看出:

(1)根據超聲波方法和機械方法的檢測數據得出的上游面外部混凝土的平均強度分別為:在變化系數 CV=13.5%的條件下,Rm=35.1 MPa;在變化系數 CV=10.4%的條件下,Rm=36.0 MPa。分別超過 250號混凝土規定強度的1.58倍和1.65倍。

(2)根據超聲波檢測數據資料,相對于運行了30 a的大壩內部混凝土來說,上游面的外部混凝土的強度要低8.3%,而機械檢測數據顯示,其強度要低7.1%。

在下游面所進行的混凝土強度檢測,采用的是無損探傷檢測法。主要是沿大壩連接段的側壁,利用施工平臺進行檢測。下游面混凝土強度測定結果表明:

(1)根據超聲波方法檢測的數據資料得出的下游面上部混凝土的平均強度是標號為 M200的混凝土必需具有強度的1.87倍;而硬度儀檢測數據顯示,混凝土強度超過其強度的2.12倍。相對于內部混凝土強度,外部混凝土強度分別低了7.7%和4.7%。

(2)下游面底部澆筑的是標號為 M250的混凝土,其水泥用量為 240 kg/m3,用兩種方法檢測出的混凝土平均強度是規定強度的1.66倍。相對于內部混凝土強度來說,用超聲波方法和無損探傷方法檢測的混凝土強度分別低了3.4%和6.7%。

至于水泥用量為 265 kg/m3的 M 250混凝土,根據超聲波方法和機械方法檢測數據得出的平均強度分別是規定強度的1.81倍和1.72倍。

按照有關規定,采用無損探傷檢測法對各區段的混凝土強度進行檢測,這樣不會在混凝土上造成縫隙、空洞等明顯缺陷。而且,在大壩斜坡面上已出現相當多的空洞,這些空洞大多在靠近塊間縫的部位,尤其是底部,最多的是在下游面斜坡上。空洞的深度不相同,有些部位深達 12～15 cm。空洞的出現與干硬性混凝土密實不夠有關,混凝土在澆筑時是采用統一的澆筑方式,致使有些部位難以澆筑到。因此對于這些部位,澆筑的是細骨料混凝土或水泥砂漿。由于這些部位難以充分的密實,經過嚴寒的侵襲,強度自然會降低。目前,這些空洞區域的損壞基本上未對建筑物的運行安全造成影響。

由于混凝土密實不充分而產生的空洞在壩體內部也有,這種狀況對于大壩的上游面來說尤為重要。早在 1975年秋季,在水庫首次蓄水時,上部泄水孔壩段就是因為混凝土密實不夠而出現滲漏。當時對上游面滲漏情況采取了混凝土加固措施,包括從壩頂到上游水道均填入砂質粘土,這樣才基本上控制住了大壩的滲漏。現在,水位變化區域的上游面被薄薄的沖積層所覆蓋,滲水不是很嚴重,滲漏壩段的水泥析出也很少。進行的超聲波檢測亦未發現滲漏區域的混凝土強度有降低減弱的情況。

3 結 語

(1)使用儀器對混凝土強度進行了無損探傷檢測,并對檢測數據進行了分析,結果表明,基洛夫水庫大壩經過 30 a的運行,無論是大壩內部的混凝土,還是外部的混凝土,其強度都超過了規定強度1.5倍。

(2)對運行期間的結構部件進行了觀測,未發現任何缺陷,即沒有觀測到裂縫、混凝土空洞、某些壩段滑動等情況。

(3)通過對獲得的觀測資料進行分析,可以得出如下結論:無論是在設計方案、混凝土成分選配方面,還是在緊湊的工期(修建該壩總共只用了 4 a時間)方面,基洛夫水庫大壩均可堪稱為吉爾吉斯斯坦水利工程建設的典范。

芮淮豐 趙秋云 編譯自俄刊《水工建設》

2009年第 11期

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1006-0081(2010)12-0013-04

2010-09-18