水利樞紐工程壩體橫縫滲水成因綜合檢測研究

張 輝,邱本勝,黃志芳,李林娟,趙 青

(長江科學院 武漢長江科創科技發展有限公司,湖北 武漢 430010)

0 引 言

大壩滲漏檢測及治理是水庫大壩除險加固中一項非常重要的工作。水利水電工程地質缺陷和壩體深層缺陷所引起的滲漏問題,不利于水庫大壩的結構穩定,需進行有效檢測和處理[1-3]。當前對堤壩的滲漏檢測技術主要有有限元分析法、物探技術、示蹤法、流場法等[4-6],多為分析判斷滲漏點的出入口及滲流特性。同時,普通水泥灌漿、超細水泥灌漿、化學灌漿、水泥-化學復合灌漿等技術也廣泛應用于混凝土碾壓壩、抽水蓄能電站、特高拱壩等多種水利水電工程中的滲漏缺陷處理[7-9]。

本文以某水利樞紐橫縫為研究對象,該工程具有供水、防洪、發電、灌溉、航運等綜合效益,水位在159.00～160.72 m之間,運行期間溢流壩段邊墩橫縫出現滲漏現象,主要表現為:當庫水位達到160 m高程以上時,溢流壩邊墩下游面橫縫128 m高程處(順導墻)出現了較大的滲漏,隨著庫水位上升,滲漏呈射流狀;隨著庫水位下降,滲流量逐漸減少,當庫水位降至159 m以下時,滲漏基本停止。為保障工程運行安全,有必要查找橫縫滲水原因,采取針對性的處理措施。本文結合多種方法,對該水利樞紐工程溢流壩段邊墩橫縫滲水成因進行綜合檢測,通過分析檢測結果,確定滲水成因及滲水部位,提出有針對性的處理措施,并跟蹤觀測處理效果。

1 檢測方法

采用對橫縫銅止水周邊混凝土進行鉆孔物探試驗和對瀝青井進行掃孔注水試驗相結合的方法對滲漏原因和部位進行檢測分析。物探檢測利用鉆孔內錄像、抽注水試驗、壓水試驗、聲波CT等手段,注水試驗主要利用高錳酸鉀溶液進行示蹤追尋滲漏點。借助以上手段綜合判斷分析邊墩橫縫周邊混凝土質量,特別是混凝土層間縫的分布情況,以及橫縫止水的破損及連通情況,綜合檢測方法技術路線如圖1所示。

圖1 綜合檢測方法技術Fig.1 Technical roadmap of integrated detection methods

1.1 鉆孔內錄像

沿滲水橫縫中銅止水、瀝青井周圍交叉布置鉆孔,并根據鉆孔及滲水情況適當增加鉆孔,需嚴格控制鉆進參數,連續取芯。邊墩橫縫銅止水周邊垂直檢測孔平面布置見圖2。

圖2 邊墩橫縫銅止水周邊垂直檢測孔平面布置(尺寸單位:cm)Fig.2 Layout plan of vertical inspection holes around copper water stop of side pier transverse seam

鉆孔全景成像采用圓錐形導向鏡反射環狀圖像法拍攝。通過鉆孔內錄像可對探測數據進行處理、成像,以便直觀判斷、檢查孔內混凝土是否存在質量缺陷,為后續確定滲水部位及連通情況提供判斷依據。

檢查孔鉆孔完畢后,清洗孔內雜物,保持孔內水體清澈。對檢查孔進行掃孔到指定高程,保證孔壁無附著物后,將探頭穩定在固定速度進行孔內錄像。探頭下降及上升過程中各錄像一次,以保證探測結果的準確性。

1.2 壓水試驗

壓水試驗是通過向鉆孔或瀝青井內注入溶有彩色試劑(高錳酸鉀)的水,通過壓水設備和阻塞器控制相關參數,以觀察橫縫處大壩上游面、下游面、廊道表面等部位的滲水情況。壓水試驗的意義在于通過各級壓力與流量之間的關系,判斷各鉆孔之間是否存在連通情況及連通程度的大小,進而判斷是否存在水平層間縫或其他滲漏缺陷。

鉆孔壓水試驗采用雙栓塞止水,每4 m一個試驗段,對試驗段逐級加壓,每級壓力穩定時間為5 min,記錄每個壓力段的壓力和流量。當某一段壓水透水率較大時,加密壓水,逐漸縮短試驗段,精確滲水部位。

1.3 聲波CT檢測

混凝土聲波層析成像(CT)是在兩側之間一側激發,另一側單道或多道接收,形成扇形觀測系統,通過改變激發點和接收排列的位置,組成密集交叉的射線網絡,然后根據射線的疏密程度及成像精度劃分規則的成像單元,運用射線追蹤理論,采用反演計算方法形成被測區域的波速圖像,根據圖像中的波速分布情況來確定混凝土質量缺陷的空間分布。

本次針對該部位鉆孔情況,共布置聲波CT剖面13對(見圖3中虛線),11號為補充檢查鉆孔,根據鉆孔位置,具體工作布置見圖3。

圖3 聲波CT工作布置Fig.3 Layout of acoustic CT work

1.4 抽注水試驗

注水法即向兩道銅止水片中間的瀝青井以及鉆孔內分別注入紫色高錳酸鉀溶液,通過水位監測儀器測量瀝青井或鉆孔內水面高程的變化狀況與下降速率。水位觀測結合水下攝像檢測技術,在大壩其他部位(如上下游壩面橫縫處、廊道內、壩體排水孔等)進行觀察,觀測注入水的出滲情況,判斷是否存在滲漏通道。

抽水試驗采用深井泵將瀝青井內水位盡可能抽至最低處(低于庫水位),觀測庫水回灌瀝青井內的情況,并通過瀝青井內水位上升的變化速率分析上游止水的破損高程及滲漏量。

水下攝像主要采用水下無人探測系統對上游橫縫庫水位以下部分的滲漏情況進行視頻檢查。通過在瀝青井注入彩色高錳酸鉀水,自橫縫處滲出,觀察彩色水的滲出情況,同時記錄滲出點的高程,判斷橫縫上游止水的破損部位。同時對其他未滲漏部分的混凝土表面、層間縫、橫縫等進行水下視頻檢查,以排除其他部位的滲漏狀況。

2 檢測結果與綜合分析

2.1 層間縫滲漏情況

通過鉆孔內錄像、壓水試驗、抽注水試驗以及聲波CT檢測、水下攝像等檢測方法,對目標壩段進行檢測,根據檢測時觀測的現象和采集的數據進行綜合分析,以判斷滲水原因及滲水部位。

2.1.1鉆孔內錄像結果分析

針對現場鉆孔情況,共對11個鉆孔以及1個瀝青井進行了孔內電視錄像檢測。檢測結果見圖4。由檢測結果可知:檢查孔7號、8號、11號孔至上游面和橫縫區域在160.4～160.9 m高程區域內存在明顯層間縫或瀝青夾層。9號孔在157.1～157.4 m高程處存在局部豎向縫,層間縫連通情況有待進一步判斷。

圖4 鉆孔裂縫孔內錄像Fig.4 Video data of borehole cracks

2.1.2壓水試驗結果分析

根據壓水試驗期間的觀測結果,該壩段7號、8號、11號孔在160.0～162.0 m高程區間壓水試驗期間,當其中一個孔進行壓水試驗時,其余兩個孔均有彩色高錳酸鉀溶液自孔口滲出,說明7號、8號、11號孔是連通的。同時結合孔內錄像可知,以上檢查孔在160.4～160.8 m高程處是相互連通的。

對各孔進行壓水試驗時,除7號、8號、9號、11號外,其他孔位未見有流量顯示或高錳酸鉀溶液滲出現象。而對9號孔進行壓水試驗時,雖有流量顯示,卻未在其他鉆孔中見到高錳酸鉀溶液滲出現象,可見9號孔可能存在局部細微缺陷,但并未與其他孔位連通。同時,在8號孔160.0～162.0 m高程區間進行壓水試驗期間,通過水下攝像檢查,大壩上游面相同高程的層間縫內有彩色高錳酸鉀溶液滲出,橫縫瀝青井內的水位略有上升。由此說明,7號、8號、11號孔的層間縫與上游面和橫縫是連通的,且銅止水有破損。

2.1.3抽注水試驗結果分析

抽注水試驗的結果表明:8號、7號、11號3個孔的水位下降速度較快,1 h內水位下降約3 m,24 h后基本穩定至160.5 m高程左右(層間縫位置),隨后孔內水位不再下降,說明160.5 m高程以下不存在明顯的層間縫。9號孔位于24號邊墩附近(離邊墩表面約0.5 m),其孔內水位下降速度較慢,但48 h后水位基本與庫水位相同,這與157.1～157.4 m區間存在明顯的豎向裂縫有關(裂縫垂直于水流方向)。

結合大壩長期運行資料[10-12],蓄水期間,當庫水位下降至159.0 m高程附近時,大壩下游面的出滲點停止滲漏,結合抽注水試驗期間155.0 m高程上游面橫縫出現明顯滲漏,上游止水破損高程低于下游止水破損高程,由此可以判斷出下游止水破損最低高程應在159.0 m高程附近,而上游止水破損的高程應低于159.0 m高程。

根據抽水試驗結果,抽水后瀝青井水位高程穩定在157.5 m(此時的庫水位),基本可以判斷上游止水的破損部位位于157.5 m以下,而根據瀝青井注水試驗及水下機器人檢查的結果,可判定上游止水破損的最低高程為155.0 m。結合聲波CT檢測的結果,也可判斷得出上游止水破損的區間應在155.0～157.5 m 高程。

2.1.4聲波CT檢測結果分析

根據聲波CT檢測成果可知,8-2斷面在160.5～161.6 m高程附近和1-7斷面在162.0～163.6 m高程附近存在異常。結合其他方法分析結果可判斷層間縫可能在該區域有不同程度延伸。同時8-2斷面在158.6～159.6 m高程附近,7-1斷面在154.6～159.0 m高程附近,6-4 斷面在163.0～163.4 m高程附近分別存在不同程度異常。結合其他檢測方法分析結果可判斷這3處異常未出現連通情況,應為局部異常。聲波CT檢測結果見圖5,具體可見聲波CT異常統計(表1)。

表1 聲波CT波速異常統計Tab.1 Statistical of acoustic CT wave velocity abnormality

圖5 聲波CT檢測成果Fig.5 Results of acoustic CT

2.2 橫縫滲水成因綜合分析

2.2.1滲水高程、滲水連通情況及滲水量

根據壓水試驗、抽注水試驗結果、蓄水期間滲漏狀況分析可知:7號、8號、11號孔層間縫在160.5 m高程處相互連通,且與上游壩面及橫縫連通,滲漏量為80 L/min,占總滲漏量的63.35%。瀝青井與橫縫上游側在155.0～157.5 m高程部位連通,滲漏量為80 L/min,占總滲漏量的27.78%。下游止水層間縫滲漏量較少,只占總滲漏量的8.73%。滲水情況統計見表2。

表2 壓水試驗、抽注水試驗滲水量統計Tab.2 Statistics of water leakage in water pressure test and water pumping test

2.2.2結果分析

從鉆孔內錄像、壓水試驗、抽注水試驗以及聲波CT檢測結果來看,上游銅止水在155.0～157.5 m高程之間存在破損,7號、8號、11號孔層間縫在160.5 m高程處相互連通,且與上游壩面及橫縫連通,并存在層間縫滲水現象。下游銅止水在159.0 m高程附近存在破損,瀝青井與橫縫上游側在155.0～157.5 m高程部位連通,與橫縫下游側銅止水159.0 m 高程連通;大壩上、下游橫縫連通,庫水自橫縫向下游滲漏。檢測范圍內其他部位的混凝土質量良好,無孔洞和裂縫等缺陷。因此,水利樞紐溢流壩邊墩橫縫滲水的主要原因是橫縫上、下游止水破損,次要原因是壩體混凝土存在連通的層間縫。

3 滲漏處理與效果

經綜合分析明確滲水原因,采用化學灌漿技術對滲水部位進行處理,跟蹤觀察處理效果,驗證分析結果的可靠性與準確性。

3.1 滲漏處理

3.1.1止水破損騎縫孔灌漿處理

騎縫孔灌漿工藝如下:鉆孔沖洗→管道試漏→安裝射漿管→阻塞→灌漿→結束灌漿。針對銅止水破損的部位,在止水上下游50 cm處鉆騎縫孔,進行灌漿。灌漿前先對瀝青井進行濕砂充填,防止瀝青井上部的排水井被灌漿漿液封堵。灌漿采取自下而上卡塞分段純壓式灌漿,最大灌漿壓力控制在0.4 MPa,分3段逐級加壓,在灌漿過程中進行孔內實時觀測,滿足結束標準時停止該段灌漿。

3.1.2層間縫處理

層間縫貼嘴化學灌漿處理工藝如下:基面處理→鑿槽→沖洗→埋管→填縫→灌漿→結束灌漿→表面處理。為保證層間縫兩端的封閉和處理效果,在上游壩面外露層面縫距橫縫30 cm處騎層面縫鉆孔,并嵌填止水材料,形成止漿塞,以保證層間縫兩端的密封性。對封閉空間進行貼嘴化學灌漿。

3.2 處理效果

3.2.1騎縫孔處理效果

根據檢測結果及滲漏情況,該部位橫縫共計布置4個騎縫孔灌漿封堵,灌漿成果統計見表3。

表3 灌漿成果統計Tab.3 Statistics of chemical grouting result

灌漿處理前后大壩131 m廊道相應橫縫上安裝的排水管的觀測滲水量情況見圖6,灌后滲漏量小于5 mL/min,滲漏量明顯變小,說明滲水位置及成因分析準確,防滲檢查和處理起到了良好效果。

圖6 131 m廊道橫縫滲水情況Fig.6 Water leakage of gallery 131 m corridor transverse seam

3.2.2層間縫處理效果

灌漿完成后進行相應壩段壩體交通洞滲水檢查,發現155 m高程以上壩體層面處裂縫已完全不漏水,證明橫縫及層間縫滲水位置及成因分析準確,處理效果良好。

4 結 論

本文針對水利樞紐溢流壩邊墩橫縫滲水問題,采用鉆孔取芯、孔內電視錄像、壓水試驗、注水試驗、抽水試驗、聲波CT等綜合檢測方法,以及水下機器人配合水下滲漏觀測方式,開展了滲水成因分析、滲水高程確定、滲水連通情況分析及滲水量估算,不同方法相互印證,確定了滲水缺陷的類型和分布。水利樞紐溢流壩邊墩橫縫滲水的主要原因是橫縫上、下游止水破損,而壩體混凝土存在連通的層間縫是橫縫滲水的次要原因。通過化學灌漿技術對滲水部位進行處理,處理結果進一步驗證了檢測技術的先進性、準確性和可靠性,可為類似堤壩滲水檢測及處理技術理論研究和工程實踐提供參考。