某水利枢纽工程溢洪洞衬砌结构的混凝土质量检测技术

吴育学，吴建东

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000；2. 甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

该水利枢纽工程是以城乡生活供水及工业供水、生态环境用水为主的大型水利枢纽工程。水库正常蓄水位为2202.00 m，校核洪水位2205.11m，总库容为 9.43亿m3，调蓄保证引洮供水5.5亿m3，属于全年调节水库；拦河大坝最大坝高为133.00 m，坝型为混凝土面板堆石坝。该工程2004年12月开工，溢洪洞围岩为巨厚层状角砾状灰岩和灰岩，断层和长大裂隙发育。至2009年10月31日，两条溢洪洞防渗固结灌浆施工完成，溢洪洞总渗漏量减少到约100L/s，比灌浆前减少了约80%。衬砌混凝土设计标号为C30/F200/W6。

本工程地处高寒高海拔地区，经现场检查发现，1#、2#溢洪洞洞身衬砌混凝土存在不同程度的冻融破坏及局部洞身段渗水量较大等问题。渗漏的主要原因是断层裂隙发育，水库高水位运行时库水沿断层及裂隙渗入隧洞，同时工程在建设期间为加快施工进度，实现提前发电的目的，1#、2#溢洪洞均存在未按设计要求完成洞身混凝土衬砌的问题。

2 检测方法

结合本工程溢洪洞在运行期间出现的冻融破坏及渗水问题，我们对该工程的混凝土质量进行检测研究，从而得到工程质量缺陷现状，为后续的缺陷处理方案提供相关资料。本次混凝土质量检测分别在1#、2#溢洪洞隧洞底板及左右侧墙进行，以洞长50 m划分检测单元，每100 m采用超声波法检测混凝土的冻融破坏情况。

根据现行水利规范等相关规定，结合本工程溢洪洞运行现状，为更准确地获得混凝土强度数据，综合使用回弹法、碳化深度检测法、超声波法、钻芯法对混凝土强度进行检测与分析。使用地质雷达反射波探测法对衬砌结构混凝土冻融破坏进行检测与分析[1- 5]。检测结果可为1#、2#溢洪洞缺陷处理方案的专题设计工作提供技术依据。

3 混凝土强度检测

3.1 回弹法强度检测

回弹法以反弹距离与弹簧初始长度之比作为与强度相关的指标来推定混凝土强度[6- 10]。该工程溢洪洞衬砌混凝土设计强度为30MPa，典型桩号的混凝土回弹强度检测结果见表1。

由表1可知，1#溢洪洞左侧墙混凝土强度平均值为20.3MPa，其中小于15MPa的数据占该表试验数据的15.38%，大于30MPa的数据占比0%；右侧墙混凝土强度平均值为16.59MPa，其中小于15MPa的数据占比46.15%，在15～20MPa之间的数据占比30.77%，大于30MPa的数据占比0%；左右侧墙混凝土强度均小于30MPa。由于2#溢洪隧洞中0+028至0+428段左侧墙面潮湿，剥蚀严重，且浇筑面面积小，无法进行回弹试验，因此选择对0+428至0+805段进行回弹试验。2#溢洪洞右侧墙面强度平均值为20.9MPa，其中在15～20MPa之间的数据占8.57%，在20～25MPa之间的数据占比71.43%；右侧墙面强度平均值为21.2MPa，其中在20～25MPa之间的数据占比75%；左右侧墙混凝土强度均小于30MPa。

3.2 混凝土钻芯法强度检测

3.2.1钻芯取样单元划分

钻芯法是测量混凝土强度的方法之一，通过压力机检测混凝土取样钻芯的抗压强度[3，8，11]。溢洪洞底板及左右侧墙按照50m一个单元来取样检测。

3.2.2钻芯法强度检测结果

将现场取的芯样编号包装带回试验室，按照高径比为1∶1的比例在锯石机上截取试样，然后在压力机上做混凝土芯样的抗压强度试验[3，12- 16]。混凝土设计强度为30MPa，典型桩号的检测结果见表2。

由表2 可知，1#溢洪洞底板混凝土抗压强度小于15MPa的数据占试验数据8.33%，在20～30MPa之间的数据占比41.67%；左侧墙混凝土抗压强度在15～20MPa之间的数据占比33.33%，大于30MPa只占8.3%；右侧墙混凝土抗压强度在15～20MPa之间的数据占比58.3%，20～30MPa的数据占比41.67%，实验数据都低于设计强度30MPa。2#溢洪洞底板混凝土抗压强度在15～20MPa之间的数据占比25%，大于30MPa的数据占比16.67%，多数实芯低于设计强度30MPa；左右侧墙混凝土抗压强度在15～20MPa之间的数据占比16.67%，大于30MPa的数据占比8.33%。结果表明，1#、2#溢洪洞衬砌混凝土抗压强度大部分低于设计强度30MPa。

3.2.3对钻芯样进行超声波检测

本次超声波检测采用NM- 4A型非金属超声波检测仪。建立混凝土抗压强度与弹性波速的关系如图1所示。

由图1可以看出，抗压强度与弹性波速的相关关系较好，相关系数为0.853。这表明可以用正相关来表示抗压强度与弹性波速的关系。

3.3 混凝土超声波检测

本次超声波检测采用平测法进行检测，在1#、2#溢洪洞左右侧墙每100 m作为一个检测单元，底板因砂石覆盖和水流因素无法检测。典型桩号的检测强度结果见表3。

表1 1#、2#溢洪洞混凝土回弹法检测抗压强度统计表 单位: MPa

表2 1#、2#溢洪洞混凝土钻芯法强度检测结果 单位: MPa

图1 弹性波速与抗压强度关系图

表3 1#、2#溢洪洞混凝土超声波检测结果 单位：m/s

由表3可知，1#溢洪洞左侧墙从0+028至0+328段所测得波速相对较小，均低于3000m/s，右侧墙从0+028至0+328段所测得波速低于3500m/s，判断此段混凝土强度相对较低、受损严重，内部有架空或不密实现象。2#溢洪洞左侧墙从0+028至0+528段所测得波速相对较小，均低于2500m/s，2#溢洪洞右侧墙从0+028至0+428段所测得波速相对较小低于3000m/s，可以判断混凝土强度低于设计值。

综合混凝土的回弹法、钻芯取样、超声波检测结果，溢洪洞混凝土强度均小于30MPa，因此该工程溢洪洞衬砌混凝土强度不符合工程设计标准。

3.4 碳化深度测量

混凝土的碳化深度检测对评定混凝土质量有着重要的意义，是评价混凝土耐久性的重要指标之一[11- 12]。回弹值测量完毕后，选择代表性的测区上进行碳化深度值的测量，测点数不少于测区数的30%，取其平均值作为该构件每个测区的碳化深度值。测量碳化深度值时，先用手工凿或电动冲击钻在回弹值的测区内，钻一个直径20 mm、深70 mm的孔洞，将孔洞内的混凝土粉末清除干净，然后用1.0%～2.0%酚酞乙醇溶液滴在孔洞内壁的边缘处，并观察颜色变化。如果混凝土未碳化，显示则为红色，若已碳化则不变色。再用碳化深度测定仪测量混凝土碳化深度值，读数精度到0.5 mm。典型桩号的碳化深度检测结果见表4。

表4 1#、2#溢洪洞碳深度成果汇总表

由表4 可知， 1#溢洪洞左侧墙0+000至0+200段混凝土碳化严重，其中在0+100至0+150段有严重碳化，碳化深度超过保护层厚度，属于C类碳化。右侧墙0+450至0+600段属于C类碳化。2#溢洪洞右侧墙混凝土碳化属于正常碳化，碳化深度没有超过保护层平均厚度。由此可见左右侧墙混凝土浇筑不均匀，密实性差。

4 混凝土冻融破坏检测

通过对1#溢洪洞左右侧墙距底板约1m范围内二次衬砌结构内部缺陷进行检测， 发现1#泄洪洞左侧墙存在内部缺陷10处，右侧墙存在内部缺陷8处，缺陷类型主要为脱空、空洞、不密实、钢筋错位及缺失等，典型桩号缺陷检测结果见表5。

由于2#溢洪隧洞中0+028至0+480段墙面潮湿，表面结冰，因此无法使用地质雷达进行探测试验，所以试验从0+480段开始。经检测，2#泄洪洞左右侧墙二次衬砌结构较为完整，在左侧墙0+706—0+708、右侧墙0+670—0+671范围内存在内部缺陷各1处，缺陷类型主要为脱空、不密实。结合混凝土衬砌结构强度检测结果，混凝土强度不达标段均出现了不同程度的碳化程度与冻融破坏现象。同时该工程地处高海拔寒冷地带，混凝土强度不达标更加剧了冻融作用对衬砌结构的破坏。

表5 1#溢洪洞衬砌缺陷检测统计表

5 衬砌混凝土质量等级

衬砌混凝土质量评定采用的分级标准见表6。该工程混凝土抗压强度小于设计值，部分洞段混凝土碳化程度严重，超过保护层厚度，由探地雷达检测结果可知，洞段多处出现脱空、空洞、不密实等质量缺陷，综合评定该衬砌混凝土质量为III类缺陷。

表6 衬砌混凝土质量等级划分

6 结语

为研究该工程运行期间出现的质量缺陷情况，采用回弹法等多种检测技术对该工程溢洪洞隧洞底板及左右侧墙衬砌混凝土强度进行了检测，采用探地雷达方法对冻融破坏程度进行现场试验与取样分析。检测结果表明，混凝土强度均不满足设计强度要求，且多处出现脱空、不密实等现象。根据现场勘查情况与试验数据综合分析，混凝土出现冻融破坏的主要原因是施工不合格导致的混凝土强度不符合设计值。该工程溢洪洞混凝土质量缺陷为III类缺陷，属于较严重缺陷，对该建筑物的安全性和耐久性有一定影响，如进一步发展则危害严重。