中子無(wú)損檢測(cè)法在瀘定水電站蝸殼脫空檢測(cè)中的應(yīng)用

晏國(guó)順，張富家，王旭明

（1.四川華電瀘定水電有限公司，四川 瀘定 626100；2.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司曲靖分公司，云南 曲靖 655000；3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司工程物探研究院，河南 鄭州 450003）

瀘定水電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量230 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組間距29.8 m。機(jī)組蝸殼最大管節(jié)直徑為9.1 m，最大水平半徑為12.6 m，最小管節(jié)直徑為2.916 6 m，最小水平半徑為7.176 7 m，蝸殼支撐及固定由69個(gè)支墩組成。蝸殼鋼襯上半部鋪設(shè)彈性墊層，內(nèi)側(cè)距基坑里襯外壁1.5 m、外側(cè)至腰線。蝸殼外包混凝土標(biāo)號(hào)為C20（二）。

為保證蝸殼外包混凝土澆筑飽滿，蝸殼外包混凝土底部首先采用常規(guī)的泵送混凝土澆筑，并形成傾向蝸殼中心的斜坡，澆筑至距離蝸殼底部90 cm左右位置，采用塌落度為25～27 cm的高流態(tài)自密實(shí)混凝土，退管法澆筑，當(dāng)混凝土與蝸殼底部相接后，采用3根環(huán)向預(yù)埋的泵管向座環(huán)、蝸殼陰角部位泵送高流態(tài)混凝土。對(duì)于蝸殼底部確實(shí)難以澆筑密實(shí)的部位，埋設(shè)灌漿管，灌注水泥漿回填密實(shí)。

1 瀘定水電站蝸殼脫空檢測(cè)

1.1 檢測(cè)目的

蝸殼外包混凝土澆筑完成后，對(duì)蝸殼進(jìn)行敲擊檢查脫空情況，發(fā)現(xiàn)脫空部位較多，面積較大，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，蝸殼與外包混凝土間脫空區(qū)域面積應(yīng)小于0.3 m2。因此對(duì)脫空面積較大區(qū)域蝸殼鋼板開孔，進(jìn)行接觸灌漿處理，但接觸灌漿進(jìn)漿量極少，開孔之間的連通性較差。為掌握蝸殼與外包混凝土間脫空區(qū)域的具體情況，決定對(duì)蝸殼與外包混凝土間脫空區(qū)域分布范圍、面積及深度等進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 檢測(cè)方法、原理和依據(jù)

蝸殼脫空檢測(cè)采用南京水利水電科學(xué)研究院研制的多功能混凝土質(zhì)檢儀，由探頭和主機(jī)兩部分組成。探頭內(nèi)主要有中子源和熱中子探測(cè)器，中子源發(fā)射快中子，探測(cè)器檢測(cè)快中子慢化后的熱中子計(jì)數(shù)。主機(jī)負(fù)責(zé)采集熱中子計(jì)數(shù)，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。該設(shè)備可以探測(cè)厚度60 mm以內(nèi)鋼板下的混凝土脫空情況，脫空深度分辨率可達(dá)3 mm，最大脫空測(cè)量深度約50 mm。

該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)是利用快中子慢化原理。中子源不斷發(fā)射的快中子與被測(cè)物質(zhì)原子核發(fā)生碰撞而被減速，即中子慢化，每碰撞一次就要減速一次，直到最終慢化成為熱中子，于是，在中子源附近空間就形成了一個(gè)熱中子云球。物理學(xué)指出：不同元素的原子核對(duì)中子的減速慢化能力是由兩個(gè)因子決定的，一是被碰撞核的質(zhì)量，即中子與核碰撞所損失的能量隨核質(zhì)量增大而迅速減少，氫核最輕，碰撞使中子損失能量最大，慢化能力最強(qiáng)；二是中子與原子核的碰撞幾率 （散射截面），氫核對(duì)中子的散射截面最大。

當(dāng)含中子源探頭置于鋼板上時(shí)，鋼板和空洞對(duì)中子慢化貢獻(xiàn)極小，而鋼板下混凝土含有水分，對(duì)快中子慢化有明顯貢獻(xiàn)，所以探頭上的熱中子計(jì)數(shù)器對(duì)混凝土有無(wú)脫空有明顯計(jì)數(shù)差異 （同一塊鋼板）。前期在室內(nèi)對(duì)不同厚度的鋼板、不同脫空深度進(jìn)行標(biāo)定，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)測(cè)熱中子計(jì)數(shù)得出實(shí)際脫空深度。如果鋼板下空洞內(nèi)有水，其計(jì)數(shù)又會(huì)明顯增大，同樣可以檢測(cè)出來(lái)。

利用中子無(wú)損檢測(cè)方法探查厚鋼板下澆筑混凝土脫空缺陷是利用快中子慢化原理，讓快中子穿過(guò)鋼板與鋼板下混凝土材料相互作用，從而被慢化產(chǎn)生熱中子。如果鋼板下混凝土在平面上和沿深度方向上充填分布不均勻，即存在脫空缺陷，在相應(yīng)部位測(cè)點(diǎn)上熱中子分布就會(huì)出現(xiàn)異常。用熱中子探測(cè)器測(cè)取檢測(cè)面上各測(cè)點(diǎn)處的熱中子計(jì)數(shù)率，根據(jù)其大小變化和分布規(guī)律，可探查出鋼板下混凝土脫空缺陷。本項(xiàng)中子檢測(cè)技術(shù)無(wú)損、快速、準(zhǔn)確和安全，并能確定脫空缺陷平面分布范圍和大致深度。

2 檢測(cè)范圍和測(cè)點(diǎn)布置

2.1 蝸殼鋼板基本情況

瀘定水電站每臺(tái)水輪機(jī)蝸殼鋼板，從蝸殼進(jìn)口到蝸殼螺旋尾部可分為34節(jié)，鋼板編號(hào)為A、B、C以及1～31。由15種厚度不同的鋼板拼焊而成，其厚度范圍為：40～16 mm。

2.2 斷面及測(cè)點(diǎn)布置

本次檢測(cè)范圍為從蝸殼進(jìn)口到蝸殼螺旋尾部的蝸殼底部約1/3圓周面積上。單臺(tái)機(jī)組蝸殼檢測(cè)斷面長(zhǎng)度大約50 m，布置了161個(gè)斷面，斷面間隔約33 cm，在蝸殼檢測(cè)面上繪制33 cm×33 cm的方形網(wǎng)格，單個(gè)蝸殼總計(jì)約4 000個(gè)測(cè)點(diǎn) （含復(fù)測(cè)約400個(gè)測(cè)點(diǎn)）。這種測(cè)量網(wǎng)格的布置是基于考慮探測(cè)器的平面測(cè)量范圍，以保證不存在測(cè)量盲區(qū)。蝸殼底部中心線上的測(cè)點(diǎn)為0號(hào)，內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)號(hào)為偶數(shù)，距中心軸線由近及遠(yuǎn)號(hào)碼依次為2、4、6、8、10……，外側(cè)測(cè)點(diǎn)號(hào)為奇數(shù)，距中心軸線由近及遠(yuǎn)號(hào)碼依次為1、3、5、7、9……，單個(gè)蝸殼測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

圖1 瀘定水電站單個(gè)機(jī)組蝸殼斷面及測(cè)點(diǎn)布置示意

3 檢測(cè)初步結(jié)果及分析

3.1 檢測(cè)初步結(jié)果

瀘定水電站4號(hào)機(jī)組蝸殼鋼板下混凝土脫空缺陷現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)于2011年1月20日至25日進(jìn)行。4號(hào)機(jī)組蝸殼鋼板下混凝土脫空結(jié)果見表1，圖2、 3分別為10～45斷面和-26～0斷面混凝土脫空分布平面展開示意圖。

圖2 瀘定水電站4號(hào)機(jī)組蝸殼10～45斷面鋼襯混凝土脫空分布平面展開示意

3.2 檢測(cè)結(jié)果分析

（1）4號(hào)機(jī)組蝸殼在整個(gè)檢測(cè)斷面上未發(fā)現(xiàn)有大面積的、連片的嚴(yán)重脫空缺陷，其混凝土澆筑和灌漿處理質(zhì)量總體較好。

（2）存在兩小塊脫空深度大于3 mm的區(qū)域，即37斷面到45斷面底部 （集中在0、

圖3 瀘定水電站4號(hào)機(jī)組蝸殼-26～0斷面鋼襯混凝土脫空分布平面展開示意

表1 4號(hào)機(jī)組蝸殼脫空情況統(tǒng)計(jì)

1、3號(hào)測(cè)點(diǎn)）大約2 m2的脫空區(qū)域以及122、123斷面5號(hào)測(cè)點(diǎn)附近的脫空區(qū)域，其中40斷面0號(hào)測(cè)點(diǎn)、41斷面0號(hào)測(cè)點(diǎn)、42斷面0號(hào)和1號(hào)測(cè)點(diǎn)以及122、123斷面5號(hào)測(cè)點(diǎn)的脫空深度都大于10 mm。

（3）沿蝸殼外側(cè)在15～21號(hào)測(cè)點(diǎn)范圍存在一條呈帶狀分布的高含水量的介質(zhì)，見圖2斜線陰影部分，這種規(guī)律性現(xiàn)象的出現(xiàn)有可能與所澆筑混凝土結(jié)構(gòu)和位置或鋼板外軟墊層位置有關(guān)。

（4）A、B、C號(hào)鋼板檢測(cè)面上測(cè)點(diǎn)熱中子計(jì)數(shù)大小及分布情況相比蝸殼內(nèi)1～31節(jié)鋼板上的顯得更為均勻。出現(xiàn)以上這種情況一方面可以認(rèn)為A、B、C號(hào)鋼板區(qū)域混凝土澆筑和灌漿質(zhì)量相對(duì)更好，但當(dāng)A、B、C號(hào)鋼板與混凝土之間存在一個(gè)厚度均勻的軟墊層時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）中子法檢測(cè)將蝸殼鋼板與其外包混凝土間脫空區(qū)域分布、面積及深度進(jìn)行詳細(xì)展現(xiàn)，為下步處理和后續(xù)施工提供了科學(xué)依據(jù)。

（2）在蝸殼外包混凝土施工時(shí)，即使再飽滿，也會(huì)因混凝土收縮產(chǎn)生縫隙，因此，有必要對(duì)蝸殼底部、座環(huán)陰角部位預(yù)埋可重復(fù)接觸灌漿管進(jìn)行接觸灌漿。

（3）建議蝸殼在設(shè)計(jì)制造時(shí)，預(yù)留接觸灌漿孔，采用堵頭封堵。