大坝安全评价之结构安全检测浅析

王修春

（湖南省水务规划设计院有限公司，湖南 长沙410005）

引 言

2021 年4 月2 日国务院办公厅印发《关于切实加强水库除险加固和运行管护工作的通知》（以下简称《通知》）。《通知》指出，水库安全事关人民群众生命财产安全。党中央、国务院高度重视水库安全工作。近年来，各地区各有关部门按照党中央、国务院决策部署，集中开展了几轮大规模的病险水库除险加固，取得明显成效，但部分水库由于运行时间长、管理不到位等原因，安全隐患依然严重。《通知》明确，2022 年年底前，有序完成2020 年已到安全鉴定期限水库的安全鉴定任务；对病险程度较高的水库，抓紧实施除险加固；探索实行小型水库专业化管护模式。

本文结合《通知》要求，对水库大坝开展除险加固的前期工作——大坝安全评价进行浅析，供业内人士参考。大坝安全评价是通过现场检查和安全检测，查明工程质量和大坝现状实际工作条件，对大坝的防洪能力、渗流安全、结构安全、抗震安全、金属结构安全以及运行管理等进行复核与评价，并指明问题和提出建议，帮助水库实现除险加固、解除隐患。限于篇幅，本文结合工程实例重点对结构安全检测开展分析讨论。

1 结构安全检测概述

结构安全检测是为了揭示大坝当前质量状况，为大坝安全评价提供能显示目前性状的计算参数。

安全检测主要包括：混凝土结构安全检测、砌体结构安全检测、金属结构安全检测和坝体质量检测。具体根据项目安全评价工作需要和现场检测条件确定。

混凝土结构安全检测一般包括的内容有：混凝土外观质量与缺陷检测；主要结构构件混凝土强度检测；混凝土碳化深度、钢筋保护层厚度与锈蚀程度检测等。

砌体结构安全检测一般包括的内容有：石材检测；砌筑砂浆（细石混凝土）检测；砌石体检测；砌筑质量与构造检测；砌石结构损伤与变形检测。

金属结构安全检测针对水库大坝一般指钢闸门、拦污栅和启闭机的安全检测，检测内容主要有：外观质量检测；腐蚀检测；材料检测；无损检测等。

坝体质量检测主要通过钻探试验检测坝体填筑质量、坝体及坝基覆盖层的渗透参数等。

下面结合工程实例对主要检测内容、检测手段及检测结果进行分析讨论。

2 工程实例

某水电站位于铜仁市境内，属于锦江小水电梯级开发规划中的一级，距铜仁市区6 km，地理位置为东经109°14′7″，北纬27°42′57″，坝址以上总流域面积3 346 km2。现状大坝左岸有条宽约3 m 的泥结石进厂公路，右岸设有长1.5 km 的公路与下游长2.6 km 的乡村公路相接，厂区内通过坝顶交通桥连通电站左、右岸公路，交通较为便利。

该水电站是一座具有改善水环境、防洪、发电、旅游、航运等多功能的综合性水利工程，电站属坝后式。水库调节性为日调节，正常蓄水位244.30 m，设计洪水位247.14 m（P=2%），校核洪水位251.02 m（P=0.2%），死水位243.50 m。总库容3 481 万m3，电站装机3 台，总装机容量21.0 MW（3×7 000 kW），属中型水库，枢纽建筑工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3 级，次要建筑物级别为4 级。

根据地形地质条件，大坝为混凝土闸坝，坝轴线方位角为142.6°，全长252.0 m（左岸非溢流坝段长38.1 m，左岸滚水坝段长31.4 m，中间溢流坝段长112.9 m，右岸非溢流坝段长69.6 m），坝顶高程252.50 m，非溢流坝段坝顶宽6.00 m，滚水坝段坝顶宽3.00 m，坝基最低高程为229.00 m，最大坝高23.50 m，溢流坝段布置于河流中间，厂房等建筑物布置于右岸非溢流坝段坝后。

根据《水库大坝安全评价导则》的相关要求，结合现场情况，本次安全检测主要内容有混凝土结构检测、金属结构检测、大坝钻孔检测3 大项内容，详见表1。

表1 安全检测主要内容

3 混凝土结构安全检测

3.1 混凝土强度检测

混凝土强度检测采用回弹法，按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011）进行。本项目采用HT225-B 回弹仪。测区均匀分布，相邻两测点的间距为20 cm，测区避开钢筋密集区和预埋件，测试时选择构件表面平整、干燥，没有结构缝/裂缝并避开蜂窝、麻面部位，并用砂轮将表面磨平，清洁干净。

根据测区回填数据计算平均回弹值，从测区的16个回弹值中剔除3 个最大值和3 个最小值，其余10 个回弹值按下式计算：

式中 Rm——测区平均回弹值；

Ri——第i 个测点的回弹值。

因本次检测均为水平向检测，因此不进行角度修正。

3.2 混凝土碳化深度检测

混凝土构件的碳化深度测量是在每个回弹测区内布置1 个测点，每个测点在不同位置量测3 个测值，测试时用冲击钻在测区表面钻开直径为15 mm 的孔洞，其深度应大于混凝土的碳化深度，清除孔洞中的粉末和碎屑后，立即用1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁的边缘处，碳化部分的混凝土不变颜色，而未碳化部分的混凝土会变成紫红色，然后用碳化深度测量仪测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离，每次读数应精确至0.25 mm，取3 次测量的平均值作为检测结果，并精确至0.5 mm。

3.3 混凝土抗压强度计算

根据上述检测值依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011）计算结构的混凝土强度，所采用的公式为：

该部位混凝土设计强度为C20，混凝土推定强度满足原设计要求。经检测，其他检测结果均满足原设计要求。

4 金属结构检测

4.1 金属结构涂层厚度检测

依据《水工金属结构防腐蚀规范》（SL 105-2007）相关规定，利用MC-2000D 型涂镀层测厚仪采用电磁感应法测量涂（镀）层的厚度。位于部件表面的探头产生一个闭合的磁回路，随着探头与铁磁性材料间距离的改变，该磁回路将不同程度的改变，引起磁阻及探头线圈电感的变化。取1#闸门防腐涂层检测结果进行分析，见表3。

表2 某一部位检测及计算结果

表3 1#闸门防腐涂层检测结果表 μm

由表3 可知，闸门抽样检测的涂层厚度平均值为122.8～139.9 μm，抽样检测的涂层厚度均小于150 μm，检测结果表明，闸门涂层厚度均不满足原设计要求，外部环境对涂层影响较大，特别是易受水力冲刷部位，涂层厚度损失较大。

4.2 金属结构腐蚀状态检测

采用HCH-2000C 超声波测厚仪对闸门的腐蚀状态进行检测。由于闸门面板的水上、水下部分腐蚀状况有较大差别，因此对水上、水下分别划分测量单元，分别检测，以使得检测结果能更准确的反映面板的腐蚀状况。取1#闸门腐蚀状态检测结果进行分析，见表4。

由表4 可知，面板受腐蚀状况最大，特别是易受水力作用部位。依据《水工金属结构防腐蚀规范》（SL 105-2007）相关规定，腐蚀状况较大部位评定为B 级，其他为A 级。

表4 1#闸门腐蚀状态检测结果表

4.3 金属结构材料强度检测

本次安全检测采用里氏硬度计对弧形闸门面板、主梁、纵梁的材料硬度进行测量，按《黑色金属硬度及强度换算值》（GB/T 1172-1999）换算出闸门构件的抗拉强度的近似值，取1#闸门检测结果进行分析，见表5。

表5 1#闸门材料强度检测结果表

本工程闸门面板、主梁、纵梁使用钢材均为Q235B，极限抗拉强度值为370 N/mm2，根据材料强度检测结果，并查表推算材料极限抗拉强度满足材料强度要求。

4.4 金属结构无损检测

依据GB/T 14173-2008 规范中的相关规定，利用CTS-1002 金属超声波探伤仪对钢闸门、压力钢管等金属结构的主要焊缝进行超声波无损检测，检测方法为超声直接接触法。采用超声波方法检测钢闸门主要构件焊缝缺陷：将超声波探头置于被测焊缝侧，超声波经过耦合剂入射到焊缝内部，在遇缺陷时，声波被反射后又由超声波探头接收。根据反射回波在探伤仪荧光屏上的位置和波幅高低判断缺陷的大小和位置。依据规范《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB/T 11345-2013 对焊缝缺陷进行分级评定。

本次抽检二类焊缝共5 800 mm，合格5 800 mm，合格率为100%，所抽检焊缝均未发现裂纹等严重危害性超标缺陷。

5 钻孔试验检测

5.1 压水试验检测

压水试验是采用高压方式把水压入钻孔，根据岩体吸水量计算了解岩体裂隙发育情况和透水性的一种原位试验。压水试验是用专门的止水设备把一定长度的钻孔试验段隔离出来，然后用固定的水头向这一段钻孔压水，水通过孔壁周围的裂隙向岩体内渗透，最终渗透的水量会趋于一个稳定值。根据压水水头、试段长度和稳定渗入水量，可以判定岩体透水性的强弱。

依据《水利水电工程压水试验规程》SL 31-2003 对开展钻孔压水试验，取其中一个钻孔试验结果进行分析，见表6。

表6 钻孔压水试验检测结果表

压水试验过程中，上下游坝面未发现明显漏水点，坝体透水率满足原设计要求；因本次钻孔受场地条件限制，未在防渗帷幕上钻孔，基岩透水率超过设计值；但查阅原施工资料及施工期检查孔压水试验，帷幕灌浆段基岩平均透水率为1.57～2.37 Lu，各试段透水率均小于5 Lu，单元工程合格率达100%，帷幕灌浆的施工质量可靠。

5.2 声波检测

对钻孔采用HX-SY02B 非金属超声波检测仪进行声波检测。采用单孔法进行声波测试。声波检测成果表见图1。

图1 钻孔声波检测成果表

声波测试结果显示混凝土声波波速为3 878～4 919 m/s，平均值为4 342 m/s，坝基声波波速为3 805～5 602 m/s，平均值为4 442 m/s；检测情况表明坝体、坝基声波波速较高，声波曲线显示，坝体、坝基段内没有出现波速突变的现象，说明坝体及坝基密实度较好，强度较高。

6 结论及建议

通过对大坝开展安全检测，判断大坝坝体的质量状况，对大坝后期开展安全评价提供依据。根据本次安全检测，提出大坝运行管理建议：

1）坝体混凝土强度满足原设计要求，但不同构件出现不同程度的碳化，混凝土强度和钢筋保护层厚度均有不同程度的损伤。因此后期运行过程中要注重使用环境的改善，如降低空气中二氧化碳含量，在混凝土碳化程度高的构件表面设置防护层等，来降低混凝土的碳化速率。

2）金属结构出现不同程度的涂层脱落和锈蚀现象，虽不影响大坝的安全运行，仍造成一定的隐患。建议加强后期更新维护，定期更新涂层等。

3）现时坝体防渗满足运行功能，后期管理应加强巡视，建议增设安全监测系统及水情测报系统，加强监测，定期分析，及时掌握大坝的稳定情况，为后期工作提供科学依据。