水下水工建筑物检测及修复加固技术研究

席隆海

（华能澜沧江水电股份有限公司，昆明 650214）

水下水工建筑物缺陷普遍存在，特别是过流建筑物，常规修补方法是制造干地施工条件后处理，然而电站投产后很多区域长期处于水下无法实现旱地条件，如死水位以下的挡水建筑物以前的混凝土。泄洪洞、放空洞运行时具有高水头、高流速、大流量等特点极易发生空蚀空化现象，较其他部位更易产生缺陷。随着小湾、糯扎渡、向家坝、溪洛渡、锦屏一级、白鹤滩、乌东德及两河口等高坝大库的建成投产以及长期运行，输水洞均或将存在不同程度的缺陷，泄水洞检修门之前的区域水头可达100 m，甚至数百米，如即将建成投产的双江口电站泄洪最大水头约250 m，同时检修门至隧洞进口处也长达数百米。

根据《水电站大坝安全现场检查基本要求》（坝监安监〔2015〕54 号）要求，水下建筑物也应进行检查，掌握了解运行情况，对存在的缺陷应及时进行修复加固，虽难度大、造价高，但我们将不可避免地长期面临这种情况。特别是水头达100 m、长度100 m 以上的双百“超深超长”隧洞水下修复加固处理亟待解决，以确保建筑物结构安全稳定运行。

通过统计分析可知，国内水库大坝出现溃坝失事主要原因是泄洪能力不足或泄洪设施不良，其次是坝体结构原因，再次是超标准洪水，因此必须高度重视掌握泄洪建筑物及泄洪洞、放空洞运行情况以及缺陷修复加固处理。

1 水下检测方法

为确保水工建筑物的运行安全，需定期或不定期对水工建筑物进行水下检查和安全评价，以便后续修复和维护。水下检测具有不要求放空或降低库水位的优势，对电站供水发电无任何影响，水下作业按是否有人可分为潜水员检测和无人仪器检测（如ROV 水下机器人检查、水下声纳检测等）2 大类。

1.1 潜水员检测

载人潜水器HOV 是由人员驾驶操作，配置生命支持和辅助系统，具备水下机动和作业能力的装备，按照潜深分类大致分为重型深海型（超过1 000 m 级）和轻型中浅海型（低于1 000 m 级），重型深海型大多用于海洋，水电站运用仅限于轻型中浅海型。该装备可以使人亲临水下现场进行观察和作业，其精细作业能力和作业范围优于ROV，潜水员可携带测量工具、水下照相录像、定位器、水下示踪、超声波检测仪、钻机及数字电视成像技术等进行水下外观、内部缺陷检查，掌握水下建筑物内外部缺陷情况及修复。但也易受水深、流速等检测环境影响，流速超过0.5 m/s、环境复杂区域安全风险大，不能进行潜水作业。

常规空气潜水极限作业水深为60 m，氦氧混合气潜水最大深度可达115 m[1]，已成功应用于国内外多个电站，但潜水装置均有减压、升压装置和软管等，下潜至最深处作业时间很短仅仅30 min，水平行走速度在10 m/min，因此对大深度、长距离隧洞无法实施水下检查及作业，同时存在软管、导向管等易被水下建筑物裸露的钢筋或其他带刺缺陷缠绕，一旦被缠绕处理时间较长，安全风险较大。ADS（Atmospheric diving system）常压潜水系统作业水深达300～600 m，无需减压、升压，具有4 个推进器、100 磅推力，双重氧气支持系统可提供42～48 h 的持续时间，非常适合大水深长隧洞作业；该系统为潜水员提供了更好的身体保护；18 个专利旋转关节，提供更好的肢体灵活性，360°旋转机械手方便作业；推进系统支持ADS 在水中任何位置移动；水下定位、声纳扫描、水声通信、水下作业监控；卓越的人类感知；与饱和潜水相比船员人数减少，可大幅提高工作效率。

ADS 常压潜水与ROV 相比，使用ADS 的主要好处包括：敏捷性和灵巧性提高了工作任务的完成范围；改进感知和反馈，从而加快任务完成时间，缩短总体任务完成时间；降低了工程成本。与饱和潜水相比，使用ADS 的主要好处包括：一种大气配置；降低设备成本；降低人员成本；降低消耗成本；降低船员餐饮和物流成本；降低安全风险；降低动员和遣散费用；降低行政、培训和人员资格成本；提高安全性。

1.2 无人仪器检测

当流速超过规定等情况下可采用水下机器人检测，根据使用需求和智能程度可分为拖拽式水下机器人TUV、遥控式水下机器人ROV、无人无揽水下机器人UUV、智能水下机器人AUV。ROV 根据作业水深和功能又分2 种，观察性ROV，可携带摄像头、声纳等检查检测设备进行水下检查；操作性ROV，可携带机械手，进行多种水下作业[2]。

ROV 水下机器人广泛应用于水电站水下检测，主要功能为水下定位和水下摄像，最大潜水深度达300 m。配有水下照明设备、潜水电话、水下摄像机、水深感应器、多波速图像声纳、水下定位系统和机械手等装置。此方法利用遥控水下机器人进行水下检测，具有效率高、工期短、经济性好、使用安全、易于操作、可靠性高、检测结果客观真实等优点，可搭载多种检测附件，应用效果好，弥补了传统人工水下检测的不足。

1.3 检测效果

根据作业环境进行经济技术比选，择优选择适宜的检测方法，可实现当前水电站各环境下水下检测需求。检测前应做好前期调查，掌握被检测建筑物及周边基本情况，编写检查大纲比选实施方案，准备资源做好安全措施后进行现场作业，收集整理分析数据资料，编写提交检测报告。在水电站水下检测中常用观察型ROV 水下机器人检测，能够满足规范及检测要求。

ROV 可将人的眼睛和手延伸到ROV 所到之处，信息传输实时、可以长时间在水下定点作业；HOV 可以使人亲临现场进行观察和作业，其精细作业能力和作业范围优于ROV。根据目前技术水平2 种不同的潜水器各有使命，互相不能替代，特别是无人潜水器还替代不了人在现场的主观能动作用[3]。

2 修复加固技术研究

水下检测仅是发现问题，如何修复加固、消除隐患才是最终解决问题的关键，如何针对不同缺陷采取经济技术最优方案是修复加固的重点。

2.1 实施环境比选

2.1.1 旱地实施修复加固

国内外已有多个电站通过底孔、泄洪洞的坝前封堵实现旱地施工条件，典型的有：三门峡、刘家峡、哈萨克斯坦Chardara 和龚嘴水电站等。三门峡在底孔前建立了一个钢叠梁围堰；刘家峡和Chardara 制造了一个整体的大型浮体闸门，通过潜水员在深水中引导闸门到进口相应位置，人工牵引闸门就位封堵进口；龚嘴采用了分体积木式自动封堵浮体闸门，均实现了旱地施工条件[4]。

刘家峡水电站泄水道2 号深水底孔，采用了将水下施工与旱地施工相结合的方案，即利用进口喇叭口潜没式检修闸门水下封堵泄水道2 号孔，使其下游形成旱地检修工况。施工中以浮体门上水舱充水量来调节门的下沉力及直立情况，既保证了浮体门的强度与刚度，又避免了起重吊放上的困难。浮体门水下封堵泄水道2 号孔能否成功取决于橡胶水封的随形性、浮体门充水直立的可行性、浮体门就位的准确性及浮体门封堵过程的稳定性。通过实践最终一次性封堵挡水成功，证实浮体门设计与封堵技术在水工建筑物水下孔洞封堵方面的施工技术可行性与可操作性。

龚嘴水电站洞口封堵由可调节为零浮力的积木式浮体闸门（设计水头100 m、孔口尺寸9 m×15.027 m、8节门叶、305.8 t）、目标靶系统、不平度测量系统、三维驱动系统、自动就位定位系统、可视化测控导向系统、测控用仪器仪表和潜行式深孔自动封堵浮体闸门系统，能够完成水下孔洞的有效封堵，并成功实践于龚嘴水电站10 号底孔检修门段50～60 m 水深工况下的封堵。该技术通用性好、安全性好，能够减少水下人工作业；积木结构便于分离拆卸，同一闸门可用于不同工程，降低使用成本即经济性好[5]。

针对深度更深、隧洞进口复杂的异性机构，目前有相关单位正联系研究机构开展钢制内核+气囊封堵、多气囊逐级减压封堵等多种封堵方案。经专家评审钢制内核+气囊封堵方案受库水位影响小，重量轻、制造可行性高，将成为下一步重点研究方向。

闸门封堵技术对于坝身泄水孔、引水道进水口、泄洪洞进口（地形条件适宜）水深在100 m 以内可实现，但闸门制造安装费用较高，利用率低，对于缺陷较少选择封堵方案经济性差，同时封堵门之前部位无法实现旱地条件。高坝大库放空洞、泄洪洞大多水深均在100 m以上且检修门之前隧洞也较长，甚至长达数百米，而降低水位、放空水库经济损失严重、社会影响大，因此必须选择经济技术更优的方案实施修复加固方案。

2.1.2 水下实施修复加固

水下清淤、打捞已成功在向家坝、溪洛渡、三峡等多个水电站成功实施，最大作业水深达57 m，采用气力提升清淤系统结合水下钻孔等技术进行清淤；使用高压水枪将密实的淤积物冲散后，对于人力能搬动的大粒径块石杂物由潜水员搬至吊笼集中吊出或钻孔安装吊环吊出[6]。水下修复加固技术已日趋成熟，国内黄龙滩、葛洲坝、喜河、公伯峡和水布垭等水电站已成功进行水下修补加固作业。其中公伯峡水电站面板坝3#面板水下缺陷修复，实现了高海拔（2 010 m）、低水温（0 ℃）、47 m 水深下对渗漏的混凝土缺陷进行处理[7]。

上述作业水深已接近国标规定的空气潜水极限，氦氧潜水可进一步增加水下作业深度至100 m。大深度潜水作业安全风险高，需要严格执行合理的减压程序，为此配备了减压舱，采用水下工作20 min、水下减压30 min、减压舱减压30 min 的方案进行作业，潜水作业时间短、功效低。长隧洞（水平行走超过100 m）采取以上2 种潜水方法无法抵达工作面时就需返回，对于超深超长隧洞水下作业只能选择ADS 常压潜水系统进行。

ADS 常压潜水系统为潜水员提供了更好的保护，水下作业时间长，肢体灵活性、感知更好，360°旋转机械手方便作业。与ROV 相比，敏捷性和灵巧性提高了工作任务的完成范围，具有工作效率更高、成本降低等优点。与空气、氦氧潜水相比，有着无需减压升压、水下作业时间更长、作业范围更广、成本降低和安全风险降低等好处。ADS 常压潜水系统尚未在水电工程超深超长隧洞修复加固应用，还需经过实践检验逐步完善。

2.2 修复加固方案制定

根据电站水文地质、运行情况，结合缺陷所处位置、成因、数量等，经技术经济比较，选择合适的施工时段、方法进行处理，消除隐患确保水工建筑物安全稳定运行。

2.2.1 原材料选择

部分工程的泄水建筑物均发生不同程度的破坏，一些工程在投入运行后短时间内就发生了严重的破坏，反映出高压高速水流下的泄水建筑物在结构体型设计、掺气减蚀设施、混凝土原材料和施工工艺等方面还需进一步改善。

泄水建筑物损毁部分修复必须选用高强度、抗冲、耐磨、防空蚀性能良好的材料进行修补加固处理，如NE-Ⅱ型环氧砂浆、HG 型环氧胶泥涂层护面材料，较大冲坑易采用高标号抗冲耐磨的水下不分散自密实混凝土进行浇筑。NE-Ⅱ型环氧砂浆具有抗冲耐磨强度高、主要力学性能优良等特性，已在国内外大中型水电站泄水建筑物广泛应用，并发挥了重要作用[8]。

2.2.2 水下修复加固施工工艺

水下作业主要工序为：做好前期资料收集、施工方案编制、安全技术交底、测量放样和施工资源等准备工作后将工作船固定于缺陷部位，上方水域，做好安全措施，通过潜水员下潜至缺陷部位将淤积物清理完成后，详细测量描述缺陷位置、大小等特征参数，再根据缺陷特征采用水下专用工器具实施修补。

1）蜂窝麻面：打磨表面清洗→涂刷底层环氧基液→环氧胶泥刮涂→养护→检查。

2）裂缝处理：裂缝描述→凿V 型槽、钻孔、清洗→埋管、封缝→压风检查→灌浆→注浆嘴清除、环氧砂浆回填、环氧胶泥涂刮→养护→灌后质量检查。

3）冲坑缺块修补：沿冲坑边缘10 cm 切割→凿除破损混凝土、保留建筑物原钢筋→钻孔→安插锚固钢筋→立模→水下浇筑混凝土→养护→检查。

4）面板坝混凝土破损施工：破损区域清淤→水下检查测量，记录破损处于的具体位置、形状、长度、宽度、深度，并进行录像→松动混凝土凿除清理，露出新鲜混凝土→切割修整→底部凿毛→模板制作与安装→水下不分散混凝土配料与浇筑→混凝土浇筑后表面处理→涂刷环氧粘接剂→粘贴防渗盖片→压条固定→环氧涂料封边→水下复查及现场验收工程结束后，潜水员水下录像复查。

3 结束语

水工建筑物工作环境复杂，大多数建筑物长期浸泡于水下，在高水头、高速水流的浸蚀下以及各种恶劣气候和地质环境下工作，水工建筑物将出现不同程度的老化、冲蚀及各种缺陷和库区淤积等现象，降低水位或放空库容进行检测或修复不经济且社会影响较大，因此需进行大量的水下作业。

随着现代技术的发展，水下检测及修复加固技术有了快速的进步，水下检测技术已能够满足水工建筑物水下检测要求。水下修复加固技术也在国内外多个电站成功实施，但水深均在100 m 以内，水平行走距离均较短，同时隧洞进口在100 m 水深范围内还可通过闸门封堵技术实现旱地施工条件。对于泄洪洞、放空洞等超深超长隧洞水下修复加固可利用ADS 常压潜水系统实施完成，但还需结合工程实践进一步验证，若实践成功将填补国内外超深超长隧洞水下水工建筑物缺陷修复加固技术空白，并彻底解决超深超长隧洞缺陷无法修复加固的难题，推广应用前景广阔。