水电站监测仪器鉴定评价与监测设计及修复技术综合应用研究

熊波

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

水电站在长期运行过程中，建筑物都会出现不同程度的变化，变化的严重程度将直接影响水工建筑物的安全运行。同时，监测设施在长期运行中也难免会出现故障，若不及时修复处理，监测工作将失效，不能达到监控目的。某电站长期运行中监测仪器已基本失效，对该电站监测系统展开仪器鉴定评价和修复设计工作，通过修复后的监测仪器和物探检测相结合的数据成果，对判定建筑物的变化位置、严重情况及所制订的解决方案具有重要的指导意义。

1 仪器安全鉴定评价工作

水工建筑物大坝安全监测系统是监测大坝运行工况、及时发现工程安全隐患的重要手段，也是水工建筑物运行管理的耳目。大坝安全监测评价系统是对水工建筑物大坝安全监测设施进行系统的检测、数据比对和成果评价，在查阅监测仪器安装埋设资料、数据比对和测试，并通过对仪器安装至今已有的监测资料进行整编分析等工作的基础上，对整个大坝安全系统从设备选型、监测设施工作状态、监测系统完备性、可靠性等方面作出综合性评价。同时，对大坝监测系统运行状态评级后，提出监测设施增设、封存、报废、更新改造的意见和建议。

1.1 监测系统概况

为了解和掌握水工建筑物的运行状况及其变化规律，根据有关规范和标准，结合某水电站工程的具体情况，监测的建筑物有：主厂房、泄洪冲沙闸、左非溢流坝和右非溢流坝。设置的监测项目主要有上下游水位、变形监测、渗流监测、上下游冲淤等。

1.2 监测系统评价方法

通过现场检查、测试和历年监测数据对比分析，结合各建筑物的结构特性和运行情况，最终对监测系统作出有效评价。

1.3 现场检查、测试成果及评价

对现场33支弦式仪器进行了测试，仪器布置情况表和现场测试成果如下所示（见表1、表2）。

表1 大坝渗压计布置情况表（部分仪器列表）

表2 弦式仪器现场测试成果表（部分仪器列表）

由表可见：现场测试合格的仪器有4支，占总数的12.12%；不合格的有29支，占总数的87.88%。对仪器工作状态的评价不仅依据现场测试的成果，还需要结合每支仪器的历年测值过程线的分析成果来评判仪器工况（见表3）。

表3 弦式仪器综合评价成果表

2 监测修复设计和监测成果

2.1 监测修复设计

该坝区从左至右依次布置左岸非溢流坝（长368 m）、左岸储门槽坝段（长18 m）、泄洪冲沙闸（长283 m）、右岸储门槽坝段（长18 m）和右非溢洪道（长22.55 m）。通过监测仪器鉴定评价结论和查阅相关资料及现场踏勘，电站安全监测系统基本属于失效状态。

该枢纽工程监测的建筑物有：主厂房、泄洪冲沙闸、左非溢流坝和右非溢流坝。根据枢纽监测原设计的监测项目和相应规程规范，计划修复的监测项目包括：枢纽区环境量；枢纽建筑物变形监测水平位移监测控制网、垂直位移监测控制网；大坝变形、渗流渗压；枢纽边坡变形监测［2］。

2.2 监测数据成果

按照监测修复设计项目，对已实施完成的大坝18个测压管孔渗压计近1年的监测成果进行分析如下：

（1）在0+172.30断面共设计3个测压管，从上到下依次为P10、P11、P12，P10、P11在钻孔施工中出现冒水现象，监测成果需结合检测情况进行分析，表中数据仅供参考；P11测点最高水头值13.54 m，水位高程在228.18 m。

（2）在0+250.50断面共设计3个测压管，从上到下依次为P16、P17、P18，该断面各测点水头值在8.33～23.25 m之间，水位高程在220.43～229.57 m之间；在土建钻孔期间，该断面孔内出现冒水和串口冒水，测值成果仅供参考，监测成果需结合孔内检测情况进行分析。

3 物探检测

3.1 检测目的

结合监测渗压计数据成果和闸墩施工中冒水情况，拟对电厂闸坝闸墩本体及闸墩与建基面之间进行物探检测，为闸墩安全运行提供依据。采用对穿声波方法，查明闸墩内部的缺陷情况及闸墩与建基面之间是否存在渗漏通道［3］。

本阶段电厂闸坝闸墩混凝土检测共进行钻孔6个，总钻孔深度184.72 m；钻孔全景成像检测24个，总孔深742.634 m；对穿声波检测12剖面，总长度356.277 m；单孔声波检测24孔，总长度120 m。

3.2 检测结果

从测得的对穿声波检测结果来看（见图1），各对穿剖面波速为4.053～4.539 km/s，平均值为4.291～4.316 km/s，标准差0.133～0.151 km/s。由此可见，各检测剖面闸墩混凝土波速均在正常波速范围内，且波速相对较高，整个测试闸墩没有大的缺陷区域，仅局部相对较低，但都在正常范围内（见表4）；各剖面对穿声波标准差均较小，说明整个测试剖面代表的闸墩混凝土质量较均匀。

表4 电厂闸坝闸墩混凝土对穿声波检测简要情况

图1 闸墩混凝土对穿声波检测成功过程线

3.3 对穿（跨孔）声波检测技术

3.3.1 检测原理

智能钻孔电视成像仪是通过孔壁扫描图像及影像，更直观地分析孔内情况的检测技术设备；能够实时获得非常清晰的彩色图像，为判断地层岩性状、裂隙、断层等提供可靠依据，具有独特的直观性和真实性；广泛应用于工程水文地质、混凝土、地下管道的检测中。在工程施工阶段可以用来检查基础灌浆效果、混凝土施工质量，适用于各种类型钻孔的检测。

智能钻孔全景图像方法可实现钻孔成像、录像和轨迹检测三合一，采用先进的DSP图像采集与处理结束，画面清晰细腻；可实现全孔连续高清成像，对孔内360°全景、全柱面成像，无需调焦；分析软件可显示、输出平面展开图及立体柱状图，立体柱状体可360°连续旋转。

3.3.2 检测结果

从钻孔全景成像检测成果分析（见图2、图3），各闸墩混凝土正常，胶结基本良好，无明显的骨料分离现象。P8孔14.40～14.60 m混凝土结合面胶结较差；20.26～23.78 m为暗红色细砂岩；32.10～32.52 m混凝土被掏空（见表5）。

表5 电厂闸坝闸墩钻孔全景成像检测简要描述表

图2 P8孔14.40～14.60 m混凝土结合面

图3 P8孔20.26～23.78 m为暗红色细砂岩

3.4 对单孔声波检测技术

3.4.1 检测原理

声波检测是利用声波在某介质中的传播特性，对被检测物体进行检查或测定的方法和技术；声波在介质中传播时，通过人工激振法，使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，接收被测介质的声波参数；经过数据计算整理和分析，确定岩土介质和结构的力学特性，了解其内部缺陷。声波检测具有轻便、灵活，可以大范围测试等优点［4］，在水利、市政等地下工程中得到广泛应用。

单孔声波检测用于检测岩体质量、洞室围岩松弛深度等，在检测物上通过钻孔方式，在一个钻孔内，使用一发双收声波换能器发射和接收声波信号，根据声波到达两接收换能器的旅行时间差，分析计算孔壁混凝土的声速。发声换能器通常采用圆管形压电陶瓷发射声波脉冲，散射半角为θ1，其大小与发射换能器中压电陶瓷圆管的高度h有关。引用惠更斯原理，在波的传播过程中所到达的孔内壁上都可以看作是新的波源，按照临界角的子波折射回钻孔中，采用换能器接收（见图4）。

图4 单孔声波检测观测系统示意图

式中，Vp为岩体声波速度；△L为S1、S2两个接收换能器间的距离；t1、t2分别为发射换能器分别到达S1、S2接收换能器的时间。

3.4.2 检测结果

从测得的单孔声波检测结果分析，孔单孔波速4.082～4.651 km/s，平均值为4.267～4.462 km/s，标准差0.130～0.173 km/s。由此可见，P1、P2、P3、P9、P10、ZK2、P18孔测试区段混凝土波速均在正常波速范围内，且波速相对较高，说明测试区段没有掏空等缺陷；各孔对穿声波标准差均较小，说明测试区段闸墩混凝土质量较均匀。

P8孔32.0 m以下波速偏低，说明该处混凝土存在缺陷；经与对穿声波与钻孔全景图像综合分析，该缺陷为掏空。

3.5 检测结论

通过对闸墩及底板的跨孔声波检测、单孔声波检测，结合钻孔全景成像检测，可以得出：

（1）闸墩混凝土绝大部分声速较高，对穿波速4.053～4.539 km/s，单孔波速4.082～4.651 km/s，混凝土胶结良好，总体质量较好。

（2）闸墩部分混凝土存在骨料分离现象，砂砾石集中。主要部位：P8孔14.40～14.60 m、ZK3孔19.40～20.25 m。存在部分混凝土被掏空，P8孔32.10～32.52 m、P13孔32.10～32.40 m、P16孔27.32～29.39 m。

（3）少数部位存在波速偏低，经与对穿声波与钻孔全景图像综合分析，该缺陷为掏空，主要部位：P8孔32.0 m以下、P13孔31.9 m以下、P16孔27.2 m以下。

（4）对于闸墩发现的质量缺陷，需采取一定的修补措施。对于闸底板以下的掏空部位，可采取细石混凝土或水泥砂浆进行修补；对比底板以上部分，可采用水泥灌浆或化学灌浆的方式修补。

4 闸墩修复

4.1 闸墩破坏情况

通过对该水电站大坝闸室边墙和底板水下检查，发现10号闸左右两侧闸墩、16号闸左侧闸墩、17号闸左侧闸墩、18号闸右侧闸墩以及15号闸闸底板存在破损掏空现象。破坏位置均位于检修闸门槽和工作闸门槽的预埋钢板附近。其中，10号闸左右两侧闸墩为表面破损，16号闸左侧、17号闸左侧、18号闸右侧的闸墩均存在贯穿破坏，导致闸门关闭时泄洪闸（冲沙闸）存在漏水现象（见图5）。

图5 左、右两侧闸墩情况

4.2 闸墩破坏原因分析

闸墩破坏表现为闸室门槽侧墙二期混凝土及沿二期混凝土与一期混凝土结合处出现坑洞及贯穿孔，水流从贯穿孔流出，导致工作闸门后出现了漏水的现象。从闸墩破坏区域所处位置判断，闸门开启（特别是局部开启）运行时，工作门槽与底板结合区域闸墩边墙可能存在负压及较强水流脉动，极易造成混凝土的冲蚀破坏。因此，闸墩破坏原因为闸墩门槽二期混凝土浇筑质量稍差，门槽二期混凝土自身强度及二期混凝土与一期混凝土粘接强度不够以及闸墩破坏部位混凝土遭受高速、强脉动水流冲蚀作用造成。

4.3 闸墩修复关键点

基于闸墩破坏原因，本工程闸墩修复关键点为：

（1）修补材料需要有足够的自身强度。

（2）修复施工时，需做好新老混凝土界面处理，并设置锚筋，以加强新老混凝土的粘接强度。

（3）缺陷修复外立面需保证较高的平整度，以减轻水流冲蚀破坏。

4.4 施工方案简述

从闸墩的破坏情况来看，闸墩破坏区域大，破坏部位均基本存在贯穿孔；如闸墩破损不及时修复，一旦破损范围进一步扩大，将会影响到闸墩自身的稳定，继而影响整个大坝的安全［5］。对比分析设计报告提出的干地施工方案和水下施工方案，干地施工方案修复彻底、全面、修复效果好、技术难度低，为闸墩修复的优选方案。

根据本次闸墩修复技术要求及工期实际情况，在2020年汛前采用水下施工方式对闸墩缺陷进行应急抢险修补，施工方案为潜水员潜入水下，针对泄洪闸（冲沙闸）闸墩、底板进行水下修复［6］：

·闸墩、闸底板水下复查。

·闸墩修复前，需对水下已知缺陷逐一进行复查。

·闸墩表面缺陷水下修补。

5 结语

在水电站建设及长期运行中，通过工程安全监测和物探检测手段融合的方式进行监测和判断，可为维护水工建筑物的安全提供技术指导，及时发现隐患并有效处理，为水电站的长期安全运行起到保驾护航的作用。