中國(guó)水庫(kù)大壩水下工程技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展

李偉　王秘學(xué)　劉小飛

摘要：中國(guó)各類(lèi)水庫(kù)大壩大多建于20世紀(jì)50～70年代，其中大量水庫(kù)存在病險(xiǎn)及不安全因素，且部分水下建筑物運(yùn)行多年后，可能產(chǎn)生損傷甚至破壞，需進(jìn)行修補(bǔ)處理。為保證工程安全、經(jīng)濟(jì)合理、生態(tài)環(huán)保的要求，也為了發(fā)展水下工程技術(shù)研究，對(duì)不同類(lèi)型水庫(kù)大壩所存在的主要工程問(wèn)題進(jìn)行了分析，總結(jié)了中國(guó)水庫(kù)大壩水下工程的安全現(xiàn)狀和水下工程檢測(cè)、滲漏、缺陷等處理技術(shù)，并結(jié)合工程建設(shè)管理情況，探討了水下工程技術(shù)發(fā)展研究方向及水平提升的途徑。研究成果可為提高水庫(kù)大壩水下工程修復(fù)、處置技術(shù)水平提供借鑒。

關(guān)鍵詞：水庫(kù); 大壩; 水下工程; 檢測(cè)技術(shù); 缺陷處理

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV698 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.014

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）07 - 0082 - 07

0 引 言

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，中國(guó)共建有水庫(kù)大壩9.85萬(wàn)余座[1]，居世界第一。這些水庫(kù)大壩在調(diào)節(jié)利用水資源、除害興利、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、改善生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮了重要作用。2000年，中國(guó)壩高超過(guò)100 m的高壩有50座，到2020年已增至223座，占全球已建、在建100 m以上892座高壩的近25%;全世界200 m以上高壩有77座，其中中國(guó)有23座，約占30%;全國(guó)水電總裝機(jī)3.75億kW。目前中國(guó)已建成最高的混凝土面板壩為水布埡大壩，233 m（在建最高為大石峽大壩247 m）;最高的混凝土重力壩為三峽大壩，181 m;最高的混凝土拱壩為錦屏一級(jí)水電站大壩，305 m;最高的碾壓混凝土重力壩為龍灘大壩，216.5 m;最高的碾壓混凝土拱壩為萬(wàn)家口子拱壩，167.5 m;最高的土石壩為小浪底大壩，154 m（在建最高為雙江口大壩314 m）;最高的瀝青心墻壩為去學(xué)大壩，164.2 m。這些工程均代表了世界先進(jìn)的筑壩技術(shù)和水平。高壩大庫(kù)發(fā)展迅速，大壩工程安全受到更廣泛關(guān)注，其缺陷檢測(cè)與處理技術(shù)也面臨更多難題。

由于水庫(kù)大壩常年運(yùn)行，水工建筑物自然老化，有些工程還經(jīng)歷了地震，出現(xiàn)了壩體滲漏、結(jié)構(gòu)缺陷及金屬結(jié)構(gòu)銹蝕等問(wèn)題，嚴(yán)重影響工程的正常運(yùn)行。為排除工程安全隱患，中國(guó)實(shí)施了大范圍、高強(qiáng)度的水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)：病害嚴(yán)重的水庫(kù)通常采取放空水庫(kù)加固、水下一定深度作業(yè)加固等加固處理措施;然而，有些水庫(kù)放空難度極大，有些在較深水域的水下工程處理難度極高，特別是對(duì)中國(guó)一大批高壩大庫(kù)而言，放空水庫(kù)干地施工的環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)代價(jià)很大，或者根本不具備放空水庫(kù)條件。因此，水下工程技術(shù)將是壩工界必須面對(duì)和研究的重大技術(shù)課題[2]。

水下工程技術(shù)在其他行業(yè)尤其是海洋石油行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，中國(guó)水下檢測(cè)、水下修補(bǔ)及施工工藝等技術(shù)水平也因此得到了較大提高，但是由于水庫(kù)大壩工程具有影響面大、水環(huán)境復(fù)雜、系統(tǒng)性強(qiáng)、交通不便等特點(diǎn)，高壩大庫(kù)的水下工程檢測(cè)與施工難度很大。本文主要分析了高壩大庫(kù)的水下工程安全現(xiàn)狀與工程技術(shù)，對(duì)水下工程技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了探討。

1 水庫(kù)大壩面臨的問(wèn)題

中國(guó)水庫(kù)工程具有水壩數(shù)量大、分布廣、類(lèi)型多、病險(xiǎn)害問(wèn)題復(fù)雜的特點(diǎn)，隨著工程運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，病險(xiǎn)水庫(kù)還會(huì)不斷出現(xiàn)，水庫(kù)加固所遇到問(wèn)題的廣度、難度和復(fù)雜程度等都是空前的，其治理和安全管理將是長(zhǎng)期的艱巨任務(wù)，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面[3]。

（1） 土石壩。土石壩是中國(guó)采用最多的壩型之一，由于大多修建于20世紀(jì)60～70年代，多為“三邊”工程，建設(shè)質(zhì)量較差，隱患較多。運(yùn)行多年后，部分工程出現(xiàn)了壩體與壩基滲漏、壩肩繞滲、壩體沉降變形明顯、壩面翻砂涌水等問(wèn)題。近幾十年來(lái)，混凝土面板堆石壩、瀝青心墻壩等新壩型在中國(guó)得到快速發(fā)展，但其中部分壩型出現(xiàn)了嚴(yán)重的安全問(wèn)題，如面板破裂缺損、面板底部反濾及局部壩體缺失、周邊止水失效、瀝青心墻滲漏等，影響工程正常使用，具體包括湖南株樹(shù)橋、湖南白云、四川布西、云南蒲西橋等面板堆石壩，以及內(nèi)蒙古霍林河、重慶馬家溝、廣東陽(yáng)堤等瀝青心墻壩。

（2） 混凝土壩。混凝土壩主要包括混凝土重力壩、拱壩和支墩壩等形式，均為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。受混凝土水化熱影響，當(dāng)基礎(chǔ)及內(nèi)外溫差較大且受到基巖約束和壩體結(jié)構(gòu)約束時(shí)，壩體產(chǎn)生拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致壩體混凝土開(kāi)裂。綜合而言，該壩型的水下工程問(wèn)題主要體現(xiàn)在壩體裂縫、不同壩段沉陷不協(xié)調(diào)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縫錯(cuò)開(kāi)、止排水失效等，尤其目前新建的碾壓混凝土拱壩，采用了全斷面通倉(cāng)澆筑、連續(xù)上升的施工工藝，壩體溫度裂縫問(wèn)題十分突出，如云南萬(wàn)家口子水電站、貴州普定水電站、貴州園滿(mǎn)貫水電站等工程，其碾壓混凝土拱壩均出現(xiàn)了不同程度的壩體裂縫;新建沖乎爾碾壓混凝土重力壩的層間結(jié)合面也存在較嚴(yán)重滲漏問(wèn)題。

（3） 溢洪道及隧洞。溢洪道及隧洞均為泄水建筑物，具有過(guò)水流量大、流速快、運(yùn)行條件復(fù)雜等特點(diǎn)，受水流影響，其主要存在混凝土表面裂縫與破損、洞身剝蝕、消能區(qū)護(hù)底淘刷及防護(hù)墻基礎(chǔ)失穩(wěn)等水下工程問(wèn)題。此外，由于常年受到庫(kù)水侵蝕，金屬結(jié)構(gòu)逐漸老化銹蝕，閘門(mén)擋水不嚴(yán)、止水失效，產(chǎn)生漏水現(xiàn)象，如花涼亭溢洪道與引水隧洞、溪洛渡導(dǎo)流洞等。

2 水下工程檢測(cè)技術(shù)

水下檢測(cè)是檢查水下建筑物的破損情況，為分析缺陷產(chǎn)生的原因及危害、制定缺陷處理方案提供直觀依據(jù)。隨著科技發(fā)展，中國(guó)水下工程檢測(cè)技術(shù)水平得到了較大提高，呈現(xiàn)出手段多樣化、范圍深水化、檢測(cè)可視化、測(cè)量精確化等特點(diǎn)。

2.1 檢測(cè)方法

根據(jù)不同原理，水下工程檢測(cè)方法主要包括潛水員和水下電視結(jié)合檢測(cè)法、水下機(jī)器人檢測(cè)法、聲波法、示蹤法、電法、電磁法、流場(chǎng)法和水下磁粉探傷技術(shù)等。水利水電水下工程常用的檢測(cè)方法包括以下幾種[3]。

（1） 潛水員和水下電視結(jié)合檢測(cè)法。通過(guò)潛水員水下錄像或從水面下沉水下攝像頭，可及時(shí)觀察水下結(jié)構(gòu)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)水下工程檢測(cè)與施工作業(yè)的互動(dòng)，具有精確度高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是潛水員一般潛水深度在60 m以?xún)?nèi)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作時(shí)間受限。該方法成功用于湖北丹江口水庫(kù)、湖南株樹(shù)橋水庫(kù)等眾多工程的水下質(zhì)量檢測(cè)。目前此方法仍為常規(guī)首選。

（2） 水下機(jī)器人檢測(cè)法。由水面上的工作人員通過(guò)連接潛水器的臍帶操縱和控制潛水器，并通過(guò)水下電視、聲納等專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行觀察，具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效和作業(yè)深度大等突出特點(diǎn)，且可以深入體積狹小部位進(jìn)行觀測(cè);缺點(diǎn)是在水下條件復(fù)雜的部位無(wú)法實(shí)施檢測(cè)，如上游壩面存在大量模板、鋼筋和樹(shù)枝等情況時(shí)，可能存在臍帶纏繞的危險(xiǎn)。該方法成功用于三峽水利樞紐導(dǎo)流底孔封堵和圍堰裂縫處理、貴州天生橋水電站大壩上游面板修補(bǔ)等工程。

（3） 聲波法。通過(guò)發(fā)出一種高頻超聲波在水中傳播，并用聲納儀檢測(cè)遇到物體時(shí)反射回來(lái)的聲波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下地形、混凝土裂縫與缺陷、巖體特性等物理量的測(cè)量。利用聲波在不同水流流向傳播時(shí)間不同的規(guī)律，該方法還可用于滲漏流速場(chǎng)的檢測(cè)。由于水下環(huán)境特殊，水下檢測(cè)的方法與手段受到一定限制，水下能見(jiàn)度低、視距短、圖像模糊不清，而無(wú)線(xiàn)電波難于水中傳播，光波的傳播距離也比較短，此時(shí)聲波檢測(cè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。該方法成功用于四川武都水庫(kù)、湖南白云水庫(kù)等工程大壩的缺陷檢測(cè)。

（4） 示蹤法。采用高靈敏探測(cè)器跟蹤示蹤劑的流動(dòng)路線(xiàn)以查清滲漏通道的方法，分為人工示蹤法和天然示蹤法。① 人工示蹤法是指地下水中的示蹤劑是采用人工方法在鉆孔中或上游庫(kù)底投入的，示蹤劑可選用放射性同位素、可溶性鹽、熒光素等;② 天然示蹤法是指地下水中的示蹤劑是采用天然水中存在的某些化學(xué)或物理特征作為示蹤指示劑，例如環(huán)境同位素、溫度場(chǎng)、電導(dǎo)率、pH值、各種離子等。如：湖南省白云水庫(kù)在水下聲納檢測(cè)覆蓋層表面滲漏流速場(chǎng)的基礎(chǔ)上，輔以高清水下攝像和噴墨示蹤成功檢測(cè)到混凝土面板堆石壩的滲漏通道，取得了非常顯著的效果;青海龍羊峽水電站采用天然示蹤法成功查明大壩左岸繞壩滲漏原因。

（5） 水下磁粉探傷技術(shù)（MPI技術(shù)）。工作原理是在焊縫表面產(chǎn)生磁場(chǎng)，在有裂紋處磁粉產(chǎn)生堆積（漏磁現(xiàn)象），主要用于水下金屬結(jié)構(gòu)焊縫缺陷的檢測(cè)。

2.2 檢測(cè)設(shè)備

常用水下工程檢測(cè)設(shè)備包括以下幾種。

（1） 水下攝像設(shè)備。手持式攝像設(shè)備用于潛水員對(duì)水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)進(jìn)行攝像。該設(shè)備主要由攝像頭、照明燈、控制箱、監(jiān)視器、電纜等組成，最大特點(diǎn)是：水下攝像實(shí)況在水面上的監(jiān)視器里及時(shí)顯示，過(guò)程可以錄制，結(jié)果直觀。該設(shè)備一般最大工作深度為100 m。

（2） 水下機(jī)器人，即無(wú)人遙控潛水器（ROV）。該儀器主要用于大深度或大面積范圍的潛水搜索，由控制臺(tái)、臍帶電纜、水下電纜（攝像頭光圈遙控）及推進(jìn)裝置等組成，工作深度為60～150 m。

（3） 聲納探測(cè)儀。按用途主要分為圖像聲納探測(cè)、剖面聲納探測(cè)和滲漏聲納探測(cè)3種：① 圖像聲納探測(cè)主要用于水下目標(biāo)識(shí)別與追蹤、水下成像、水下結(jié)構(gòu)裂縫與缺陷檢測(cè)等領(lǐng)域;② 剖面聲納探測(cè)可用于水下地形與地層分布等測(cè)量工作，葛洲壩水電站消力池即采用該儀器成功探測(cè)到消力池的淤泥分布范圍及厚度;③ 滲漏聲納探測(cè)主要利用聲波在不同水流流向傳播時(shí)間不同的特征，探測(cè)滲漏流速場(chǎng)的分布情況。該設(shè)備在湖南白云、新疆JLBLK、云南普西橋等十余座水庫(kù)大壩檢測(cè)中發(fā)揮了很大作用。

（4） 堤壩管涌滲漏檢測(cè)儀。該儀器由中南大學(xué)等研制，通過(guò)測(cè)量水體中人工電流信號(hào)的強(qiáng)度和方向獲得滲漏流場(chǎng)的分布，以判斷堤壩滲漏入水口。該系統(tǒng)在江西、湖北、湖南等十多個(gè)省的堤防查險(xiǎn)和淮河洪澤湖大堤滲漏檢測(cè)中得到成功應(yīng)用。

（5） 水下磁粉探傷儀。該儀器專(zhuān)用于對(duì)水下金屬結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行裂縫探傷檢測(cè)，但其工作深度通常在40 m左右，對(duì)水能見(jiàn)度要求高、需徹底清理焊縫表面;此外，其難以測(cè)量裂紋深度，磁粉也容易被沖走，影響檢測(cè)效果。目前已開(kāi)發(fā)出改進(jìn)型的磁膜探傷儀。

3 水下工程處理技術(shù)

水庫(kù)大壩常見(jiàn)的水下工程缺陷有：壩體滲漏、結(jié)構(gòu)裂縫、混凝土結(jié)構(gòu)沖坑破損、水下透水事故和金屬結(jié)構(gòu)銹蝕老化等。

3.1 壩體滲漏處理技術(shù)

3.1.1 混凝土表面及深層裂縫處理

水下混凝土裂縫修補(bǔ)主要面臨修補(bǔ)材料在水下與原混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)問(wèn)題和水下修補(bǔ)作業(yè)操作困難等難題。根據(jù)裂縫分布情況，混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)分為兩大類(lèi)：① 表面封閉技術(shù)，根據(jù)封閉的機(jī)理，分“嵌、堵、涂、貼”4種方法，以實(shí)現(xiàn)封閉縫隙、裂縫;② 深入裂縫修補(bǔ)技術(shù)，主要指通過(guò)各種途徑填充混凝土縫隙以達(dá)到修補(bǔ)目的，常用灌漿和自修復(fù)兩種技術(shù)。如在丹江口水庫(kù)大壩裂縫處理中，經(jīng)水下檢測(cè)與錄像，發(fā)現(xiàn)上游壩面水下36 m處出現(xiàn)一條長(zhǎng)達(dá)上百米的裂縫，在廊道豎井內(nèi)發(fā)現(xiàn)裂縫有滲水現(xiàn)象，冬天增大呈射流狀;經(jīng)分析，該裂縫是由于施工間斷引起的水平縫。對(duì)該裂縫灌注LW和HW水溶性聚氨酯進(jìn)行處理，再沿裂縫粘貼橡皮板進(jìn)行封閉。處理后，滲漏量減少為處理前的0.3%，效果顯著[4]。

3.1.2 混凝土面板缺陷修補(bǔ)

面板堆石壩運(yùn)行多年，受壩體沉降變形、反濾料缺失、滲透壓力等影響，一些面板壩的混凝土面板出現(xiàn)明顯裂縫及破損現(xiàn)象，導(dǎo)致壩體嚴(yán)重滲漏。① 對(duì)混凝土面板破損情況，可通過(guò)先對(duì)壩體缺失部位進(jìn)行填充密實(shí)作為臨時(shí)處理，破損面板鋪設(shè)防滲材料如土工膜，膜周邊錨固并進(jìn)行密封處理，條件具備時(shí)再進(jìn)行永久處理;② 對(duì)混凝土面板裂縫，可沿裂縫破損處切槽，采用柔性止水材料填充，最后在面板上澆筑一層混凝土板;③ 針對(duì)混凝土面板伸縮縫漏水問(wèn)題，可采用水下柔性止水材料修補(bǔ)或SR防滲模塊密封處理。

以湖南省瀏陽(yáng)市株樹(shù)橋水庫(kù)大壩滲漏處理為例。該大壩最大壩高78 m，為混凝土面板堆石壩。水庫(kù)自1990年下閘蓄水時(shí)大壩即出現(xiàn)滲漏，1999年7月測(cè)得漏水量已達(dá)2 500 L/s以上。通過(guò)詳查，大壩上游面板多處折斷，下部塌陷形成孔洞，大壩防滲體系已發(fā)生嚴(yán)重破壞。2000年至2002年5月，對(duì)大壩上游壩面進(jìn)行了修補(bǔ)及水下加固，主要措施包括：壩頂鉆超長(zhǎng)斜孔對(duì)大壩墊層料進(jìn)行加密灌漿;對(duì)面板L12～L14灌筑水下速凝柔性混凝土，拋投粉煤灰、砂和黏土，形成表面鋪蓋，大壩滲漏量降至10 L/s以?xún)?nèi)，至2021年仍保持穩(wěn)定，大壩滲漏處理取得了顯著效果[5]。此外，在位于湖南省城步縣的白云水庫(kù)大壩滲漏處理中，主要采用了大壩破損面板修復(fù)、表止水更換、面板脫空灌漿、墊層料加密灌漿以及面板裂縫處理、帷幕補(bǔ)強(qiáng)的措施，2020年大壩滲漏量約60 L/s，基本穩(wěn)定，大壩滲漏處理效果明顯[6]。

3.1.3 結(jié)構(gòu)縫止水失效滲漏處理

上游壩面防滲體結(jié)構(gòu)縫均布置止水材料，工程運(yùn)行多年后止水材料逐漸老化、破損，導(dǎo)致滲漏，通常采取更換止水材料、填充水下快速密封劑或粘貼SR防滲模塊等處理措施。河南省長(zhǎng)洲河水庫(kù)漿砌石重力壩通過(guò)采取壩體充填灌漿、上游混凝土面板結(jié)構(gòu)縫粘貼SR防滲模塊等措施后，消除了廊道涌水。此外，面板堆石壩周邊縫可拋填粉煤灰或粉細(xì)砂進(jìn)行淤堵，或灌注水下柔性混凝土進(jìn)行封堵。如安奇卡亞面板壩（哥倫比亞）、格里拉斯面板壩（哥倫比亞）、謝羅羅面板壩（尼日利亞）、阿瓜密爾帕面板壩（墨西哥）等，通過(guò)拋填粉煤灰或粉細(xì)砂淤堵，滲漏量均明顯減小。

3.1.4 水下修補(bǔ)材料

混凝土壩體水下滲漏修補(bǔ)材料須滿(mǎn)足水下不分散、變形協(xié)調(diào)性強(qiáng)、與結(jié)構(gòu)粘結(jié)牢固等要求。常用的修補(bǔ)材料有以下幾種。① 水下快速密封劑：具有水下不分散、固化快、與水下混凝土粘結(jié)力強(qiáng)、無(wú)毒、使用方便等特點(diǎn)，可用于水下混凝土裂縫的密封、孔洞修補(bǔ)，或用于大壩混凝土伸縮縫、裂縫在進(jìn)行水下灌漿時(shí)的灌漿管埋設(shè)及縫面止封處理等。② 雙組分水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿材料：為防滲堵漏化學(xué)灌漿材料，具有良好的親水性能，遇水后凝結(jié)固化、膨脹止水。③ 改性環(huán)氧涂料：以環(huán)氧樹(shù)脂為主，通過(guò)添加一系列助劑制成，在水中具有較好的涂刷性能，對(duì)混凝土、柔性止水材料等有著很強(qiáng)的粘結(jié)力。④ 遇水膨脹橡膠：為新型的嵌縫止水材料，在保持橡膠彈性的同時(shí)具有遇水膨脹的特性。⑤ 復(fù)合土工膜：其防滲系統(tǒng)由不透水的土工膜與防刺穿的土工布構(gòu)成，可將其沿著壩基直到上游面的頂部、用防水不銹鋼壓條錨固周邊，阻止水從水庫(kù)侵入;限于使用壽命，其在國(guó)內(nèi)一般用于臨時(shí)工程。

3.2 結(jié)構(gòu)缺陷處理技術(shù)

3.2.1 缺陷處理技術(shù)

過(guò)水面結(jié)構(gòu)缺陷大多由水流沖蝕產(chǎn)生，通常包括：上游流道的沖蝕破損，如進(jìn)水口底板、閘門(mén)槽等;下游泄洪引起的沖刷或氣蝕破壞，如消力池、水墊塘或沖沙閘等的破損。

對(duì)于此類(lèi)缺陷的處理，首先應(yīng)鑿除破損部位混凝土，鑿毛基面，再采用一定強(qiáng)度的抗沖磨水下混凝土進(jìn)行修復(fù)。為利于修補(bǔ)材料與原結(jié)構(gòu)之間的良好粘接，兩者強(qiáng)度、彈性模量不能相差懸殊，否則會(huì)引起新老結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)。

3.2.2 水下修補(bǔ)材料

水下沖坑破損修補(bǔ)材料關(guān)鍵是要解決好修補(bǔ)材料在水中與原混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足抗壓、抗劈裂及抗沖磨等要求;材料選擇要考慮工作環(huán)境、與原結(jié)構(gòu)結(jié)合、結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求、骨料強(qiáng)度特性以及費(fèi)用控制等因素。常用的水下修補(bǔ)材料包括以下3種。

（1） 水下不分散混凝土。一種應(yīng)用較為普遍的水中澆筑混凝土，其原理是在普通混凝土拌合物中加入特殊的絮凝劑，使水下混凝土硬化前具有一定程度的抗分散性。該混凝土較多用在水下大體積混凝土的澆筑和修補(bǔ)處理，在漢江黃龍灘水電站尾水渠擋墻水下修復(fù)工程、葛洲壩大江電站尾水沖坑修復(fù)工程、武強(qiáng)溪電站沖坑修復(fù)工程均得到應(yīng)用。

（2） 聚合物混凝土。以高分子樹(shù)脂為粘結(jié)劑，與骨料固結(jié)而形成的混凝土;其同時(shí)具有高分子和無(wú)機(jī)材料的綜合性能，可在水中快速固化。一般常用的有PBM水下混凝土和HK系列環(huán)氧混凝土，均有較高強(qiáng)度。該混凝土成功應(yīng)用于葛洲壩大江電廠排砂底孔沖坑處理、湖南柘溪電站大壩劈頭縫表面處理、云南漫灣電站水墊塘沖坑處理、青銅峽泄水孔底板淘空水下處理等工程。

（3） 水下環(huán)氧涂料。以環(huán)氧樹(shù)脂為主，通過(guò)添加增韌劑、活化劑、固化劑等制成，以適應(yīng)不同工程需要的材料;廣泛用于水下工程的缺陷修補(bǔ)、表面保護(hù)等。

3.3 水下透水通道封堵技術(shù)

與壩體滲漏、結(jié)構(gòu)缺陷等情況不同，水下透水通道主要分布在水庫(kù)周邊山體深處，具有極強(qiáng)的隱蔽性。透水通道封堵往往會(huì)遇到滲漏通道難以確認(rèn)、封堵難度大、時(shí)間緊迫、社會(huì)影響強(qiáng)烈等問(wèn)題，難度很大。近年來(lái)，水利水電工程出現(xiàn)了一些透水事故，通過(guò)采用現(xiàn)有的水下工程技術(shù)，基本達(dá)到了封堵透水通道、減少工程損失的目的。

3.3.1 漳河水庫(kù)透水事故處理

該水庫(kù)位于湖北省荊門(mén)市漳河鎮(zhèn)，為大（1）型水庫(kù)，其東南岸為李家洲煤礦開(kāi)采區(qū)。2008年5月，煤礦采煤時(shí)打穿與水庫(kù)連通的老礦道，發(fā)生透水事故，透水流量達(dá)2.56 m/s，透水礦道距地面深約100～150 m。通過(guò)采用水下電視、多普勒流速儀及鉆孔流速儀等新型探測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確查找并定位了主要透水巷道，研究出了“膏狀穩(wěn)定漿液灌注采空區(qū)帷幕”、“深孔灌漿模袋地下堵水”和“氣動(dòng)拋投砂卵石”等新型堵水技術(shù)。經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的艱苦努力，透水巷道漏水流量減小到0.07 m/s，并一直保持穩(wěn)定，效果良好[7]。

3.3.2 構(gòu)皮灘巖溶通道封堵

構(gòu)皮灘水電站施工導(dǎo)流采取圍堰全年擋水、隧洞導(dǎo)流的方案，其中左岸布置1號(hào)和2號(hào)導(dǎo)流洞，右岸布置3號(hào)導(dǎo)流洞。3條導(dǎo)流洞前半段均穿過(guò)灰?guī)r地層，巖溶非常發(fā)育。在1號(hào)導(dǎo)流洞施工期間，為了防止地下暗河和江水倒灌淹沒(méi)洞身，采取了“堵排結(jié)合”的方法，即先設(shè)置5號(hào)排水洞引排暗河水，后封堵1號(hào)導(dǎo)流洞兩側(cè)巖溶通道，取得了非常理想的效果。

該電站于2008年11月下閘蓄水，12月3日庫(kù)水位至高程490 m時(shí)，1號(hào)導(dǎo)流洞透水。經(jīng)分析，透水是庫(kù)水經(jīng)5號(hào)排水洞滲入，對(duì)5號(hào)排水洞洞口封堵采用“鋼筋石籠+石渣+復(fù)合土工膜”分階段實(shí)施的方案，達(dá)到了縮小洞口透水通道面積、減小透水量的目的。

3.4 水下防腐技術(shù)

水工程的金屬結(jié)構(gòu)常年處于水下，逐漸銹蝕，影響其正常運(yùn)行，如閘門(mén)及埋件銹蝕導(dǎo)致閘門(mén)關(guān)閉時(shí)發(fā)生漏水、襯砌鋼板銹蝕導(dǎo)致強(qiáng)度降低等。

水下涂裝防腐包括水下無(wú)損檢測(cè)、水下鋼結(jié)構(gòu)表面處理和水下涂裝3個(gè)步驟。根據(jù)無(wú)損檢測(cè)的數(shù)值掌握結(jié)構(gòu)的腐蝕程度和厚度，以便選用合適的除銹方法。目前水下除繡方法主要包括水下噴砂、水下電動(dòng)滾刷、水下打磨機(jī)或鋼絲刷等。

水下鋼結(jié)構(gòu)表面處理后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行水下涂裝防腐作業(yè)，通常采用手工涂裝和機(jī)械涂裝。由于潛水員水工涂裝工作效率低、涂料損耗大，應(yīng)盡量選用水下噴涂機(jī)械作業(yè)，涂料應(yīng)具備不易被水溶解、與鋼結(jié)構(gòu)表面有較強(qiáng)粘結(jié)力、防腐性能優(yōu)越等特點(diǎn)。

目前，金屬結(jié)構(gòu)的水下涂裝防腐技術(shù)在新建工程中普遍采用。對(duì)已建的水電工程，主要采取陽(yáng)極保護(hù)的方法;有些已建工程，如安徽蓮花水電站，雖然采用聚氨脂涂料進(jìn)行水下金屬結(jié)構(gòu)防腐處理，但這種方法還未得到廣泛應(yīng)用。因此，水下防腐涂料與施工工藝是我國(guó)水下工程領(lǐng)域的重要研究方向。

3.5 水下焊接技術(shù)

水下焊接技術(shù)作為水下工程結(jié)構(gòu)的安裝、維修施工中重要的工藝手段，常被用于海上救撈、海洋采礦等海洋工程中。

除了常用的濕法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外，水下焊接技術(shù)還包括水下螺柱焊接、水下爆炸焊接、水下電子束焊接、水下激光焊接和水下鋁熱劑焊接等新方法。其中，水下爆炸焊接具有省時(shí)、成本低、焊接質(zhì)量高等特點(diǎn)，是一種具有發(fā)展前景的焊接技術(shù)。比如要求管道內(nèi)壁具有耐磨或者防腐蝕功能時(shí)，可以采用爆炸焊接技術(shù)進(jìn)行復(fù)合板材的焊接，但該法應(yīng)用尚不普遍，目前仍以水下濕法焊接和局部干法焊接為主。此外，水下焊接“氫脆”問(wèn)題一直未得到有效解決，因此加強(qiáng)這方面的研究具有重要意義。

3.6 水下爆破技術(shù)

水下爆破是指被爆對(duì)象位于水面以下、爆破作業(yè)級(jí)別和爆破效果受到水環(huán)境影響的特殊控制爆破。成功的水下爆破作業(yè)應(yīng)考慮以下因素：① 特殊的作業(yè)方法和鉆孔設(shè)備;② 不同的裝藥結(jié)構(gòu)和方法;③ 使用的炸藥在水中應(yīng)具有較好的抗水性能;④ 使用安全可靠的起爆系統(tǒng);⑤ 使用恰當(dāng)?shù)难訒r(shí)方法，控制振動(dòng)和水擊波對(duì)水工結(jié)構(gòu)物的傷害。

水下爆破施工比較復(fù)雜，多由潛水員在水下進(jìn)行鉆孔和裝藥等作業(yè)，工作范圍受水深的限制。由于水作為介質(zhì)的阻力遠(yuǎn)比空氣大，因此計(jì)算裝藥量時(shí)必須考慮水的深度和阻力，才能保證爆破效果;同時(shí)，水介質(zhì)傳播沖擊波的能力也遠(yuǎn)大于空氣，附近若有其他建筑物時(shí)，多采取氣泡帷幕方法進(jìn)行防護(hù)，以減弱水擊波的影響。水下爆破常用的方法有水下鉆孔爆破、潛水鉆孔爆破、水下巖塞爆破、水下拆除爆破、水下聚能爆破、水下擠壓爆破和水下裸露爆破等[8]。在水利水電行業(yè)中，除了應(yīng)用較多的水下巖石爆破和拆除爆破外，巖塞爆破也是一種重要手段，是解決引水隧洞與水庫(kù)貫通的關(guān)鍵;豐滿(mǎn)水電站泄水洞、響洪甸水庫(kù)引水隧洞[6]、塘寨電廠取水隧洞等工程進(jìn)水口，以及白云水庫(kù)加固放空時(shí)原導(dǎo)流洞的臨時(shí)堵頭拆除[6]均采用了這種爆破方式。

4 水下工程技術(shù)發(fā)展探討

水下工程技術(shù)的核心是水下檢測(cè)儀器、潛水技術(shù)和水下作業(yè)技術(shù)等。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，各國(guó)水下工程技術(shù)的研究重點(diǎn)已從常規(guī)的有人潛水技術(shù)向大深度無(wú)人遙控潛水方向發(fā)展，并初步形成以智能化、高效率、遙控化為特征的現(xiàn)代水下工程技術(shù)。盡管近年來(lái)中國(guó)水下工程技術(shù)已廣泛用于國(guó)民建設(shè)各領(lǐng)域，但總體技術(shù)發(fā)展水平較國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距。綜合國(guó)內(nèi)工程建設(shè)和工程管理情況，尚需從以下幾方面發(fā)展水庫(kù)大壩水下工程技術(shù)。

4.1 檢測(cè)儀器研究

近年來(lái)，水下檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)儀器不斷改進(jìn)，但水庫(kù)大壩水下工程檢測(cè)有其特殊性：① 缺陷部位未知而帶來(lái)的檢測(cè)工作量大;② 檢測(cè)目標(biāo)清晰度要求高，比如裂縫寬度往往不到1 mm;③ 庫(kù)水環(huán)境復(fù)雜，如在渾水、泥沙環(huán)境下進(jìn)行水下檢測(cè)等。因此，研發(fā)自動(dòng)高效、精確度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的檢測(cè)儀器是提高中國(guó)水庫(kù)大壩水下工程技術(shù)水平的重要課題。目前國(guó)內(nèi)水下檢測(cè)儀器的研發(fā)還處于初級(jí)階段，除了水下超聲波測(cè)量（聲納）外，對(duì)于覆蓋層底部或巖體的滲漏檢測(cè)、壩體深層裂縫的檢測(cè)還缺乏專(zhuān)門(mén)的儀器和手段。

4.2 水下修補(bǔ)材料研究

目前，中國(guó)開(kāi)發(fā)了一系列聚氨酯類(lèi)和環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)的水下修補(bǔ)材料并得到廣泛應(yīng)用。受水體流動(dòng)和結(jié)構(gòu)變化的影響，修補(bǔ)材料不可避免會(huì)發(fā)生老化、磨損及脫落等現(xiàn)象，修補(bǔ)材料的有效性和耐久性還難以準(zhǔn)確度量。因此，研發(fā)抗老化、抗沖磨、粘結(jié)力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單且無(wú)毒的水下修補(bǔ)材料在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍是水下工程的工作重點(diǎn)。

4.3 水下施工設(shè)備研究

水庫(kù)大壩水下修補(bǔ)工程包括檢測(cè)、鉆孔、打磨、涂刷、焊接、吊裝等多種工序。為了滿(mǎn)足施工質(zhì)量及精度要求，施工設(shè)備應(yīng)具有靈活性和高效性。由于國(guó)內(nèi)高壩大庫(kù)工程條件各異，水下施工設(shè)備需要滿(mǎn)足深水及復(fù)雜環(huán)境的作業(yè)要求。結(jié)合國(guó)內(nèi)水下工程施工技術(shù)現(xiàn)狀，在開(kāi)發(fā)多功能集成化施工設(shè)備的同時(shí)，可從以下兩方面展開(kāi)研究。

（1） 深度潛水作業(yè)技術(shù)研究：如氦氧（混合氣）潛水、飽和潛水及空氣巡潛等技術(shù)。充分吸取海洋工程經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩領(lǐng)域的深度潛水施工作業(yè)。

（2） 水下機(jī)器人研發(fā)。由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的水下機(jī)器人只適用于視野開(kāi)闊、水質(zhì)較好的海域環(huán)境檢測(cè)，而在環(huán)境復(fù)雜或空間狹小區(qū)域還難以實(shí)施有效檢測(cè)與修補(bǔ)作業(yè)。隨著國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的實(shí)施，目前已研制出小型化、以檢測(cè)為主、具備簡(jiǎn)單作業(yè)功能的水下載人機(jī)器人。

4.4 專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍的建設(shè)與培養(yǎng)

建設(shè)與加強(qiáng)培養(yǎng)水下工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍，有利于技術(shù)水平、技術(shù)力量的整合與提高和減少作業(yè)事故的發(fā)生。要開(kāi)展好這項(xiàng)工作，應(yīng)重點(diǎn)抓好國(guó)內(nèi)潛水及水下工程技術(shù)人才市場(chǎng)需求的研究與預(yù)測(cè)，同時(shí)吸收國(guó)外經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)，分類(lèi)建立培養(yǎng)計(jì)劃，以適應(yīng)未來(lái)市場(chǎng)的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

幾十年來(lái)，中國(guó)水利水電建設(shè)成就巨大，但其安全管理仍面臨巨大壓力，同時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)環(huán)境變化、極端氣候頻發(fā)，對(duì)大壩安全提出了更高要求。已建、在建的高壩大庫(kù)，在經(jīng)過(guò)若干年的運(yùn)行后，均可能出現(xiàn)不同程度的水下結(jié)構(gòu)滲漏、老化、破損等問(wèn)題，其大深度水下結(jié)構(gòu)的保養(yǎng)維護(hù)及應(yīng)急事件的處置均會(huì)面臨新的難題。提高水庫(kù)大壩水下工程檢測(cè)、維修及施工質(zhì)量和技術(shù)創(chuàng)新水平，對(duì)于應(yīng)對(duì)水庫(kù)大壩日常管養(yǎng)維護(hù)和可能出現(xiàn)的意外事件以及保證大壩安全具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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（編輯：高小雲(yún)）

Current situation and progress of underwater engineering technology of reservoir dams in China

LI Wei WANG Mixue LIU Xiaofei

（1. CISPDR Corporation， Wuhan 430010， China; 2. National Research Center of Dam Safety Engineering Technology， Wuhan 430010， China）

Abstract：The various reservoir dams in China were mostly built in 50～70 s of the 20th century. A large number of reservoirs are in danger and have unsafe factors， and after operation for many years， some underwater structures may be damaged and need to be repaired. In order to ensure the requirements of engineering safety， economic rationality， ecological environmental safety， and develop underwater engineering technology， the main engineering problems of different types of reservoir dams are analyzed， the safety status， as well as detection， leakage and defects of underwater engineering， and other treatment technologies for underwater engineering of reservoir dam in China are summarized. Combined with the management of engineering construction in China， the research direction of underwater engineering technology development and the improvement approaches are discussed. The research results can provide some references for improving the techniques of underwater repair and disposal of reservoir dam.

Key words：reservoir; dam; underwater engineering; detection technology; defect treatment