水利枢纽工程坝体横缝渗水成因综合检测研究

张 辉,邱本胜,黄志芳,李林娟,赵 青

(长江科学院 武汉长江科创科技发展有限公司,湖北 武汉 430010)

0 引 言

大坝渗漏检测及治理是水库大坝除险加固中一项非常重要的工作。水利水电工程地质缺陷和坝体深层缺陷所引起的渗漏问题,不利于水库大坝的结构稳定,需进行有效检测和处理[1-3]。当前对堤坝的渗漏检测技术主要有有限元分析法、物探技术、示踪法、流场法等[4-6],多为分析判断渗漏点的出入口及渗流特性。同时,普通水泥灌浆、超细水泥灌浆、化学灌浆、水泥-化学复合灌浆等技术也广泛应用于混凝土碾压坝、抽水蓄能电站、特高拱坝等多种水利水电工程中的渗漏缺陷处理[7-9]。

本文以某水利枢纽横缝为研究对象,该工程具有供水、防洪、发电、灌溉、航运等综合效益,水位在159.00～160.72 m之间,运行期间溢流坝段边墩横缝出现渗漏现象,主要表现为:当库水位达到160 m高程以上时,溢流坝边墩下游面横缝128 m高程处(顺导墙)出现了较大的渗漏,随着库水位上升,渗漏呈射流状;随着库水位下降,渗流量逐渐减少,当库水位降至159 m以下时,渗漏基本停止。为保障工程运行安全,有必要查找横缝渗水原因,采取针对性的处理措施。本文结合多种方法,对该水利枢纽工程溢流坝段边墩横缝渗水成因进行综合检测,通过分析检测结果,确定渗水成因及渗水部位,提出有针对性的处理措施,并跟踪观测处理效果。

1 检测方法

采用对横缝铜止水周边混凝土进行钻孔物探试验和对沥青井进行扫孔注水试验相结合的方法对渗漏原因和部位进行检测分析。物探检测利用钻孔内录像、抽注水试验、压水试验、声波CT等手段,注水试验主要利用高锰酸钾溶液进行示踪追寻渗漏点。借助以上手段综合判断分析边墩横缝周边混凝土质量,特别是混凝土层间缝的分布情况,以及横缝止水的破损及连通情况,综合检测方法技术路线如图1所示。

图1 综合检测方法技术Fig.1 Technical roadmap of integrated detection methods

1.1 钻孔内录像

沿渗水横缝中铜止水、沥青井周围交叉布置钻孔,并根据钻孔及渗水情况适当增加钻孔,需严格控制钻进参数,连续取芯。边墩横缝铜止水周边垂直检测孔平面布置见图2。

图2 边墩横缝铜止水周边垂直检测孔平面布置(尺寸单位:cm)Fig.2 Layout plan of vertical inspection holes around copper water stop of side pier transverse seam

钻孔全景成像采用圆锥形导向镜反射环状图像法拍摄。通过钻孔内录像可对探测数据进行处理、成像,以便直观判断、检查孔内混凝土是否存在质量缺陷,为后续确定渗水部位及连通情况提供判断依据。

检查孔钻孔完毕后,清洗孔内杂物,保持孔内水体清澈。对检查孔进行扫孔到指定高程,保证孔壁无附着物后,将探头稳定在固定速度进行孔内录像。探头下降及上升过程中各录像一次,以保证探测结果的准确性。

1.2 压水试验

压水试验是通过向钻孔或沥青井内注入溶有彩色试剂(高锰酸钾)的水,通过压水设备和阻塞器控制相关参数,以观察横缝处大坝上游面、下游面、廊道表面等部位的渗水情况。压水试验的意义在于通过各级压力与流量之间的关系,判断各钻孔之间是否存在连通情况及连通程度的大小,进而判断是否存在水平层间缝或其他渗漏缺陷。

钻孔压水试验采用双栓塞止水,每4 m一个试验段,对试验段逐级加压,每级压力稳定时间为5 min,记录每个压力段的压力和流量。当某一段压水透水率较大时,加密压水,逐渐缩短试验段,精确渗水部位。

1.3 声波CT检测

混凝土声波层析成像(CT)是在两侧之间一侧激发,另一侧单道或多道接收,形成扇形观测系统,通过改变激发点和接收排列的位置,组成密集交叉的射线网络,然后根据射线的疏密程度及成像精度划分规则的成像单元,运用射线追踪理论,采用反演计算方法形成被测区域的波速图像,根据图像中的波速分布情况来确定混凝土质量缺陷的空间分布。

本次针对该部位钻孔情况,共布置声波CT剖面13对(见图3中虚线),11号为补充检查钻孔,根据钻孔位置,具体工作布置见图3。

图3 声波CT工作布置Fig.3 Layout of acoustic CT work

1.4 抽注水试验

注水法即向两道铜止水片中间的沥青井以及钻孔内分别注入紫色高锰酸钾溶液,通过水位监测仪器测量沥青井或钻孔内水面高程的变化状况与下降速率。水位观测结合水下摄像检测技术,在大坝其他部位(如上下游坝面横缝处、廊道内、坝体排水孔等)进行观察,观测注入水的出渗情况,判断是否存在渗漏通道。

抽水试验采用深井泵将沥青井内水位尽可能抽至最低处(低于库水位),观测库水回灌沥青井内的情况,并通过沥青井内水位上升的变化速率分析上游止水的破损高程及渗漏量。

水下摄像主要采用水下无人探测系统对上游横缝库水位以下部分的渗漏情况进行视频检查。通过在沥青井注入彩色高锰酸钾水,自横缝处渗出,观察彩色水的渗出情况,同时记录渗出点的高程,判断横缝上游止水的破损部位。同时对其他未渗漏部分的混凝土表面、层间缝、横缝等进行水下视频检查,以排除其他部位的渗漏状况。

2 检测结果与综合分析

2.1 层间缝渗漏情况

通过钻孔内录像、压水试验、抽注水试验以及声波CT检测、水下摄像等检测方法,对目标坝段进行检测,根据检测时观测的现象和采集的数据进行综合分析,以判断渗水原因及渗水部位。

2.1.1钻孔内录像结果分析

针对现场钻孔情况,共对11个钻孔以及1个沥青井进行了孔内电视录像检测。检测结果见图4。由检测结果可知:检查孔7号、8号、11号孔至上游面和横缝区域在160.4～160.9 m高程区域内存在明显层间缝或沥青夹层。9号孔在157.1～157.4 m高程处存在局部竖向缝,层间缝连通情况有待进一步判断。

图4 钻孔裂缝孔内录像Fig.4 Video data of borehole cracks

2.1.2压水试验结果分析

根据压水试验期间的观测结果,该坝段7号、8号、11号孔在160.0～162.0 m高程区间压水试验期间,当其中一个孔进行压水试验时,其余两个孔均有彩色高锰酸钾溶液自孔口渗出,说明7号、8号、11号孔是连通的。同时结合孔内录像可知,以上检查孔在160.4～160.8 m高程处是相互连通的。

对各孔进行压水试验时,除7号、8号、9号、11号外,其他孔位未见有流量显示或高锰酸钾溶液渗出现象。而对9号孔进行压水试验时,虽有流量显示,却未在其他钻孔中见到高锰酸钾溶液渗出现象,可见9号孔可能存在局部细微缺陷,但并未与其他孔位连通。同时,在8号孔160.0～162.0 m高程区间进行压水试验期间,通过水下摄像检查,大坝上游面相同高程的层间缝内有彩色高锰酸钾溶液渗出,横缝沥青井内的水位略有上升。由此说明,7号、8号、11号孔的层间缝与上游面和横缝是连通的,且铜止水有破损。

2.1.3抽注水试验结果分析

抽注水试验的结果表明:8号、7号、11号3个孔的水位下降速度较快,1 h内水位下降约3 m,24 h后基本稳定至160.5 m高程左右(层间缝位置),随后孔内水位不再下降,说明160.5 m高程以下不存在明显的层间缝。9号孔位于24号边墩附近(离边墩表面约0.5 m),其孔内水位下降速度较慢,但48 h后水位基本与库水位相同,这与157.1～157.4 m区间存在明显的竖向裂缝有关(裂缝垂直于水流方向)。

结合大坝长期运行资料[10-12],蓄水期间,当库水位下降至159.0 m高程附近时,大坝下游面的出渗点停止渗漏,结合抽注水试验期间155.0 m高程上游面横缝出现明显渗漏,上游止水破损高程低于下游止水破损高程,由此可以判断出下游止水破损最低高程应在159.0 m高程附近,而上游止水破损的高程应低于159.0 m高程。

根据抽水试验结果,抽水后沥青井水位高程稳定在157.5 m(此时的库水位),基本可以判断上游止水的破损部位位于157.5 m以下,而根据沥青井注水试验及水下机器人检查的结果,可判定上游止水破损的最低高程为155.0 m。结合声波CT检测的结果,也可判断得出上游止水破损的区间应在155.0～157.5 m 高程。

2.1.4声波CT检测结果分析

根据声波CT检测成果可知,8-2断面在160.5～161.6 m高程附近和1-7断面在162.0～163.6 m高程附近存在异常。结合其他方法分析结果可判断层间缝可能在该区域有不同程度延伸。同时8-2断面在158.6～159.6 m高程附近,7-1断面在154.6～159.0 m高程附近,6-4 断面在163.0～163.4 m高程附近分别存在不同程度异常。结合其他检测方法分析结果可判断这3处异常未出现连通情况,应为局部异常。声波CT检测结果见图5,具体可见声波CT异常统计(表1)。

表1 声波CT波速异常统计Tab.1 Statistical of acoustic CT wave velocity abnormality

图5 声波CT检测成果Fig.5 Results of acoustic CT

2.2 横缝渗水成因综合分析

2.2.1渗水高程、渗水连通情况及渗水量

根据压水试验、抽注水试验结果、蓄水期间渗漏状况分析可知:7号、8号、11号孔层间缝在160.5 m高程处相互连通,且与上游坝面及横缝连通,渗漏量为80 L/min,占总渗漏量的63.35%。沥青井与横缝上游侧在155.0～157.5 m高程部位连通,渗漏量为80 L/min,占总渗漏量的27.78%。下游止水层间缝渗漏量较少,只占总渗漏量的8.73%。渗水情况统计见表2。

表2 压水试验、抽注水试验渗水量统计Tab.2 Statistics of water leakage in water pressure test and water pumping test

2.2.2结果分析

从钻孔内录像、压水试验、抽注水试验以及声波CT检测结果来看,上游铜止水在155.0～157.5 m高程之间存在破损,7号、8号、11号孔层间缝在160.5 m高程处相互连通,且与上游坝面及横缝连通,并存在层间缝渗水现象。下游铜止水在159.0 m高程附近存在破损,沥青井与横缝上游侧在155.0～157.5 m高程部位连通,与横缝下游侧铜止水159.0 m 高程连通;大坝上、下游横缝连通,库水自横缝向下游渗漏。检测范围内其他部位的混凝土质量良好,无孔洞和裂缝等缺陷。因此,水利枢纽溢流坝边墩横缝渗水的主要原因是横缝上、下游止水破损,次要原因是坝体混凝土存在连通的层间缝。

3 渗漏处理与效果

经综合分析明确渗水原因,采用化学灌浆技术对渗水部位进行处理,跟踪观察处理效果,验证分析结果的可靠性与准确性。

3.1 渗漏处理

3.1.1止水破损骑缝孔灌浆处理

骑缝孔灌浆工艺如下:钻孔冲洗→管道试漏→安装射浆管→阻塞→灌浆→结束灌浆。针对铜止水破损的部位,在止水上下游50 cm处钻骑缝孔,进行灌浆。灌浆前先对沥青井进行湿砂充填,防止沥青井上部的排水井被灌浆浆液封堵。灌浆采取自下而上卡塞分段纯压式灌浆,最大灌浆压力控制在0.4 MPa,分3段逐级加压,在灌浆过程中进行孔内实时观测,满足结束标准时停止该段灌浆。

3.1.2层间缝处理

层间缝贴嘴化学灌浆处理工艺如下:基面处理→凿槽→冲洗→埋管→填缝→灌浆→结束灌浆→表面处理。为保证层间缝两端的封闭和处理效果,在上游坝面外露层面缝距横缝30 cm处骑层面缝钻孔,并嵌填止水材料,形成止浆塞,以保证层间缝两端的密封性。对封闭空间进行贴嘴化学灌浆。

3.2 处理效果

3.2.1骑缝孔处理效果

根据检测结果及渗漏情况,该部位横缝共计布置4个骑缝孔灌浆封堵,灌浆成果统计见表3。

表3 灌浆成果统计Tab.3 Statistics of chemical grouting result

灌浆处理前后大坝131 m廊道相应横缝上安装的排水管的观测渗水量情况见图6,灌后渗漏量小于5 mL/min,渗漏量明显变小,说明渗水位置及成因分析准确,防渗检查和处理起到了良好效果。

图6 131 m廊道横缝渗水情况Fig.6 Water leakage of gallery 131 m corridor transverse seam

3.2.2层间缝处理效果

灌浆完成后进行相应坝段坝体交通洞渗水检查,发现155 m高程以上坝体层面处裂缝已完全不漏水,证明横缝及层间缝渗水位置及成因分析准确,处理效果良好。

4 结 论

本文针对水利枢纽溢流坝边墩横缝渗水问题,采用钻孔取芯、孔内电视录像、压水试验、注水试验、抽水试验、声波CT等综合检测方法,以及水下机器人配合水下渗漏观测方式,开展了渗水成因分析、渗水高程确定、渗水连通情况分析及渗水量估算,不同方法相互印证,确定了渗水缺陷的类型和分布。水利枢纽溢流坝边墩横缝渗水的主要原因是横缝上、下游止水破损,而坝体混凝土存在连通的层间缝是横缝渗水的次要原因。通过化学灌浆技术对渗水部位进行处理,处理结果进一步验证了检测技术的先进性、准确性和可靠性,可为类似堤坝渗水检测及处理技术理论研究和工程实践提供参考。