吉尔吉斯斯坦基洛夫大坝混凝土现状分析

[俄]B.A.拉斯卡兹奇科夫

吉尔吉斯斯坦基洛夫大坝混凝土现状分析

[俄]B.A.拉斯卡兹奇科夫

吉尔吉斯斯坦基洛夫大坝已经运行了 30多年,为了确保该坝运行的安全可靠性,对大坝现状进行了监测和分析。按照有关规定,采用了无损探伤的方法,借助于仪器设备对大坝混凝土强度进行检测。检测结果表明,基洛夫大坝经过 30多年的运行,无论是大坝内部的混凝土,还是外部的混凝土,其强度均超过了规定的强度。对大坝状况,检测目的、方法、仪器以及检测结果等进行了概述。

大坝;安全监测;混凝土强度检测;检测分析;基洛夫大坝;俄罗斯

基洛夫 (Кировское)大体积支墩坝修建在塔拉斯 (Талас)河上 (吉尔吉斯斯坦境内 ),是由吉尔吉斯斯坦国立水利工程设计院 (Киргизгипроводхоз)于 1975年设计的。该坝坝高为 84m,坝顶长为 260 m,混凝土浇筑方量为31万 m3,大坝上、下游断面的坡度为0.45。坝的下游面的底部较陡(m=0.70),坝段每间隔 22m设置有温度沉降缝。每个河床坝段都由宽为 22 m的大型压力泄水孔首部结构物、宽为 12m的支墩和板壁厚度为4.5 m的底部泄水孔结构物组成。支墩之间形成宽为 10m的封闭腔室。从上游面来看,上部泄水孔的首部结构物呈半径为28.1m的曲线形,不包括伸出部位的孔道弯度。泄水道布置在第 5、6号坝段的832.0 m高程处。在出口处,泄水道为矩形断面,其尺寸为 3m×4 m,由此过渡到直径为2.2m的圆形断面。设置有锥形闸门,以便对水量进行调节。在881.5m高程处,设置有带溢流堰的上部溢洪道,用以第 7号坝段在洪水期泄洪。

为了观测压力泄水孔首部结构物和支墩混凝土的内部表面情况,以及为了观测监测仪器,分别在822.0 m和 845.5m高程上设置了 2条检查廊道,廊道宽均为 3 m,高均为3.5 m。822.0 m高程上的检查廊道主要是作为各河床坝段相互之间的交通通道和用于设备的维护。845.5m高程上的检查廊道贯通各支墩并一直延伸到岸边。为了便于通行,在河床坝段内,沿廊道设置有一些小铁桥。在平行于压力泄水孔首部结构物的支墩面上,都设置有铁梯和平台,这样可以保证在不同高程的廊道之间通行及顺利到达水准仪的安放处。

根据设计方案,大坝混凝土浇筑按施工条件被分为 3个区域进行。岩基至836.0m高程处为一个浇筑区域,其中包括压力泄水孔的首部结构物,其浇筑的混凝土性能参数为 M250、P18、B8、抗冻性 200。836.0m高程以上的支墩及底部泄水孔的首部结构物为另一个浇筑区域,其采用的浇筑混凝土的性能参数为 M200、P16、B8、抗冻性 150。混凝土的配合比设计是由俄罗斯莫斯科古比雪夫建筑工程学院(МИСИим.ВВ.Куйбышева)完成的,并经过西伯利亚水利工程科学研究院(СибВНИИГ)和建筑施工实验室共同试验,且在施工过程中得到了验证。大坝底部至825.5 m高程是浇筑的 M250混凝土,其水泥用量为 265 kg/m3,而在这个高程以上部位浇筑的混凝土,其水泥用量为 240 kg/m3。混凝土所用的水泥为康德水泥厂生产的 300号低温抗硫酸盐波特兰水泥。水泥的矿物质含量为:C3S=43…49%;C3A=2…4%。骨料为2.5～3.0 mm的粗度模量的砂;砾石为 3级配:即 5～20mm;20～40mm;40～80 mm。混凝土外加剂的含量,是根据水泥比重,掺加0.20%～0.25%。混凝土拌合物的坍落度为 2～4 cm。大坝混凝土分层浇筑,各层厚度为0.5～1 m。

基洛夫水利枢纽库区的气候特征为强大陆性气候,平均气温波动较大:-35℃(12～1月)～+35℃(7～8月)。因此,只有大坝在复杂的气候条件下经过长期运行以后,对其混凝土状态进行评估才具有实际意义。

2004年,按照吉尔吉斯斯坦共和国土壤改良部任务书的要求,西伯利亚水利工程科学研究院有限公司(原西伯利亚水利技术科学研究所)对基洛夫大坝混凝土进行过无损探伤检测。采用超声波方法对大坝基础部位的混凝土强度进行了测定,为了使取得的数据更为准确,又采用了机械检测仪器——硬度计对其进行复检。

为了对大坝施工过程中的混凝土强度进行检测,西伯利亚水利技术科学研究所与基洛夫建筑安装局建筑施工实验室一起,当时曾对加筋混凝土试件(加有钢筋的边长 20 cm的混凝土立方体)进行过超声波试验和机械试验(在压力机下进行)。根据试验结果,确定了“混凝土强度与超声速度”的关系。在此次试验中,使用了 2种标号的混凝土:即 M250(R=0.76 V4.00)和 M200(R=0.76V3.75)混凝土。

在进行实验室的室内试验时,使用的是 УКБ-1M型超声波检测仪,而 2004年进行的大坝混凝土强度检测,使用的是 УК-14ПM型便携式超声波检测仪。利用超声波检测仪进行大坝混凝土强度检测时,采用的方式是在 120 mm基础的上部鸣响。因而,对于标号为 M 200和 M250的混凝土来说,要分别采用转换系数 Kn=1.1和1.4。除此以外,当建筑物中的混凝土含水量与试验室试件的误差较大时,还应采用系数 Kw,其数值为0.95～1.1。检测建筑物中混凝土的含水量时,所使用的是 MГ4Б型湿度计。

采用机械方法(ОМШ-1型硬度计)测定 M 200和 M 250标号的混凝土的强度时,采用了以下公式:

式中 R为混凝土的抗压强度,kg/cm2;H为撞击回弹数值,约定单位。

在测定表面潮湿的混凝土强度时,所获得的 H值会增大,因此,如果采用机械方法进行检测,则系数 Kw应根据不同湿度,取值范围为 1～1.14。

无论是采用超声波检测方法,还是采用机械检测方法,对混凝土强度进行测定时,系数 Kn和系数Kw都要通过试验的方法来确定。

图1 大坝横缝处剖面

大坝某些区段和区域的混凝土强度的平均值Rm,以及混凝土不均匀性的变化系数 CV值,是根据超声波检测方法和机械检测方法的现场实际检测数据来确定的。除此以外,还应确定每个检测区域的相应强度系数 Rm/RT,其中 RT为在获得变化系数条件下该标号的混凝土所必需的强度。

1 大坝内部混凝土

对大坝内部混凝土的检测,是借助于高程822.0m和高程845.5 m上的小铁桥和平台(悬臂梁)完成的。这些小铁桥和平台沿上部斜水孔和支墩壁架设在腔室内。大坝内部混凝土强度检测结果列于表 1。

从表 1中可以看出,水泥用量为 265 kg/m3的标号为 M 250的混凝土平均强度是所要求强度的1.8倍,这是根据超声波检测数据得出的结论;而根据机械检测数据得出的 Rm则是 RT值的1.82倍多。根据超声波检测仪和硬度计检测数据得出的水泥用量为 240 kg/m3的标号为 M250的混凝土强度,分别是 RT值的1.62倍和1.74倍。

根据采用超声波检测方法和机械检测方法所获取的资料数据,可以确定,标号为 M 200的混凝土强度分别超过了标准值2.03倍和2.24倍。

2种标号混凝土的均匀性都达到了要求:个别区段的变化系数没有超过 20%,对于水工建筑物来说,属于在允许范围以内,而用超声波检测仪器检测出的 Cv值小于 16%,硬度计检测出的小于 15%。

表1 大坝内部混凝土强度

早在大坝施工期间,基洛夫建筑安装局建筑施工实验室就对混凝土质量做了全面系统的监测,其监测所用试件全部按规定的配合比制作,测定混凝土强度的龄期为 28 d和 180 d。同时,从坝体(支墩)取芯样进行了对比试验。对180 d龄期的试件和350～400 d龄期的大坝芯样采用机械方法进行的试验结果列于表2。

表2 试件与坝体芯样的混凝土强度

从表 2中可以看出,根据 2组试件的检测结果,混凝土具有良好的均匀性,大坝芯样所具有的均匀性同样不可否认。从大坝芯样中得出的变化系数较大,这说明取样直径不足(130 mm),因为骨料粒径已达 80mm,而且取样用的是波别基特硬质合金钻头,而不是金刚石钻头。

列于表 2的是 M 250标号混凝土的试验结果,其水泥用量为两种,即 240 kg/m3和 265 kg/m3。对混凝土试件组(105个)进行了试验比较,结果表明,水泥用量为 240 kg/m3,龄期为 180 d的混凝土的平均强度减少了 9%。超声波检测数据显示,在 30 a龄期组中,这一比值为4.5%,而硬度计检测数据则显示为1.3%。

1973～1975年,在基洛夫大坝施工期间,西伯利亚水利技术科学研究所使用超声波仪器对混凝土强度做过检测评估。在浇筑 M200和 M250标号混凝土的 5～8号坝段,总共对大约 1 100个区段进行了观测。在观测期间,混凝土龄期为 30～605 d。观测结果表明,变化系数为 15%～31%的情况下,这些坝段中的混凝土平均强度超过设计强度的1.2～1.6倍,同时,对于早龄期的混凝土来说,主要特点是具有较大的不均匀性。表 3列出了在良好的温度、湿度条件下,经过 30 a运行之后,两种标号混凝土强度的变化情况。

从表 3可以看出,根据超声波检测数据资料进行的分析,大坝在 30 a的运行期间,其内部区域的 2种标号的混凝土强度提高了 30%以上。

2 大坝外部混凝土

对大坝上、下游面采用相同的方式进行仪器检测:每个坝段从中心到边缘分成 3个面积为1.5～2 m2的区域来检测混凝土强度。在每个区域用超声波仪器检测 15个区段,用硬度仪检测 8个区段。

图2 大坝纵剖面

表3 大坝内部混凝土强度变化情况

大坝上游面从 3号坝段到 10号坝段的混凝土强度检测,是在858.5m水位处借助于划艇完成的,其余部位的检测是沿侧壁的斜坡进行的。混凝土强度检测结果列于表 4。

表4 大坝上游面混凝土强度

从表 4中可以看出:

(1)根据超声波方法和机械方法的检测数据得出的上游面外部混凝土的平均强度分别为:在变化系数 CV=13.5%的条件下,Rm=35.1 MPa;在变化系数 CV=10.4%的条件下,Rm=36.0 MPa。分别超过 250号混凝土规定强度的1.58倍和1.65倍。

(2)根据超声波检测数据资料,相对于运行了30 a的大坝内部混凝土来说,上游面的外部混凝土的强度要低8.3%,而机械检测数据显示,其强度要低7.1%。

在下游面所进行的混凝土强度检测,采用的是无损探伤检测法。主要是沿大坝连接段的侧壁,利用施工平台进行检测。下游面混凝土强度测定结果表明:

(1)根据超声波方法检测的数据资料得出的下游面上部混凝土的平均强度是标号为 M200的混凝土必需具有强度的1.87倍;而硬度仪检测数据显示,混凝土强度超过其强度的2.12倍。相对于内部混凝土强度,外部混凝土强度分别低了7.7%和4.7%。

(2)下游面底部浇筑的是标号为 M250的混凝土,其水泥用量为 240 kg/m3,用两种方法检测出的混凝土平均强度是规定强度的1.66倍。相对于内部混凝土强度来说,用超声波方法和无损探伤方法检测的混凝土强度分别低了3.4%和6.7%。

至于水泥用量为 265 kg/m3的 M 250混凝土,根据超声波方法和机械方法检测数据得出的平均强度分别是规定强度的1.81倍和1.72倍。

按照有关规定,采用无损探伤检测法对各区段的混凝土强度进行检测,这样不会在混凝土上造成缝隙、空洞等明显缺陷。而且,在大坝斜坡面上已出现相当多的空洞,这些空洞大多在靠近块间缝的部位,尤其是底部,最多的是在下游面斜坡上。空洞的深度不相同,有些部位深达 12～15 cm。空洞的出现与干硬性混凝土密实不够有关,混凝土在浇筑时是采用统一的浇筑方式,致使有些部位难以浇筑到。因此对于这些部位,浇筑的是细骨料混凝土或水泥砂浆。由于这些部位难以充分的密实,经过严寒的侵袭,强度自然会降低。目前,这些空洞区域的损坏基本上未对建筑物的运行安全造成影响。

由于混凝土密实不充分而产生的空洞在坝体内部也有,这种状况对于大坝的上游面来说尤为重要。早在 1975年秋季,在水库首次蓄水时,上部泄水孔坝段就是因为混凝土密实不够而出现渗漏。当时对上游面渗漏情况采取了混凝土加固措施,包括从坝顶到上游水道均填入砂质粘土,这样才基本上控制住了大坝的渗漏。现在,水位变化区域的上游面被薄薄的冲积层所覆盖,渗水不是很严重,渗漏坝段的水泥析出也很少。进行的超声波检测亦未发现渗漏区域的混凝土强度有降低减弱的情况。

3 结 语

(1)使用仪器对混凝土强度进行了无损探伤检测,并对检测数据进行了分析,结果表明,基洛夫水库大坝经过 30 a的运行,无论是大坝内部的混凝土,还是外部的混凝土,其强度都超过了规定强度1.5倍。

(2)对运行期间的结构部件进行了观测,未发现任何缺陷,即没有观测到裂缝、混凝土空洞、某些坝段滑动等情况。

(3)通过对获得的观测资料进行分析,可以得出如下结论:无论是在设计方案、混凝土成分选配方面,还是在紧凑的工期(修建该坝总共只用了 4 a时间)方面,基洛夫水库大坝均可堪称为吉尔吉斯斯坦水利工程建设的典范。

芮淮丰 赵秋云 编译自俄刊《水工建设》

2009年第 11期

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2010-09-18