电站机组流道混凝土质量及缺陷检测分析

　　摘    要：　电站引水及尾水建筑物是水工建筑物的重要组成部分，掌握引水及尾水建筑物隧洞衬砌混凝土内部缺陷及脱空情况并及时组织处理是保证电站安全稳定运行的首要任务。结合机组检修周期及级别安排，有计划的组织开展引水道及尾水建筑物的结构检测，并依据检测结果对结构安全性进行分析及评判，同时也是检验水工建筑物施工质量最有效的手段，更是为水工建筑物运行维护缺陷处理提供依据及指导，从而保证机组安全稳定运行。

　　关键词：　地质雷达法; 超声层析成像法; 垂直声波反射法; 物探检测; 脱空情况;

　　1 、工程概况

　　电站枢纽区风化复杂且地质条件复杂，受地形、岩性、构造影响明显[1]，电站引水发电系统布置于左岸且为地下厂房式；左岸高处的沉积岩层风化较弱、花岗岩岩体的风化程度较弱。电站引水建筑物采用单机单管供水，在进水塔后共布置9条引水道，引水道由进口渐变段、上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段6部分组成，其中进口渐变段由矩形断面变为圆形断面、长为20m。引水道进口进变段顶部及边墙C25钢筋混凝土衬砌厚度1.5m,C25喷混凝土厚度0.2m，底板混凝土衬砌厚度1.7m，引水道进口渐变段布设2层钢筋网。下平段为钢衬段，衬砌后直径为9.2m、长为55m。引水道进口段设计流速为3.25m/s到渐变段后设计流速为5.48m/s，该部位不仅结构体型变化明显且水流流速变化亦大。

　　尾水支洞包括尾水管后渐变段、标准段、尾水闸门前渐变段、尾水闸门室段、尾水闸门后渐变段和调压室前标准段组成，长约100m，混凝土衬砌厚度1.8m，混凝土强度为C25。

　　2、 检测位置及方法选定

　　水工建筑物衬砌混凝土厚度及钢筋布置情况是关系到结构安全的重要指标，衬砌混凝土厚度决定了构件的结构性能及荷载性能等，钢筋混凝土保护层厚度关系到结构的承载力、耐久性等性能。混凝土内部缺陷是影响结构安全稳定运行重要依据。因此掌握工程实际施工后的混凝土结构技术参数及缺陷是保证结构安全稳定运行的基础，是评价施工质量的重要手段，也是为水工建筑物运行维护提供指导。引水建筑物及尾水建筑物安全稳定运行的前提是掌握引水、尾水支洞衬砌混凝土是否存在缺陷，蜗壳钢衬混凝土是否存在脱空情况，而最直接的技术手段是开展引水道、尾水支洞衬砌混凝土及蜗壳钢衬混凝土物探检测确定缺陷情况，有效地为工程缺陷处理提供依据及确定技术处理措施，保证机组流道系统安全稳定运行。

　　从水力学角度、水流流态及结构特性分析，引水道、尾水建筑物主要掌握引水道进口渐变段及尾水支洞衬砌混凝土质量及缺陷、蜗壳钢衬混凝土脱空情况。在进行物探检测时，需保证引水道及尾水支洞内无水流，而机组检修时间短暂且复杂、运行时机组流道内高速水流不允许对建筑物结构进行破坏，引水道及尾水支洞物探检测技术需具备快速、高效及对结构无损伤的特点。结合工程经验及经济效益分析，引水道渐变段水流流态改变大、流速变化大，对建筑物的检测技术要求高，该位置采用地质雷达法和超声横波三维成像法等技术手段进行检测，通过2种检测技术测定衬砌混凝土质量及内部缺陷，保证检测结果真实准确且有指导意义；而尾水支洞采用地质雷达法无损检测技术确定衬砌混凝土质量及缺陷；蜗壳钢衬混凝土采用垂直声波反射法检测钢衬混凝土脱空情况。
 

　　3、 检测技术原理介绍

　　3.1、 地质雷达法检测技术

　　地质雷达法能快速高效、无损伤沿测线进行扫描检测且分辨率高的特点，该方法在工程质量检测中得到广泛应用。检测技术主要是利用特定设备发射电磁波，再根据电磁波在不同介质中的折射和反射现象[2,3,4]及原理，通过数据及图像处理软件推断和判定被检测结构内部的缺陷。地质雷达法应用于质量检测工作时，一般都采用反射法进行探测，反射法探测的基本要求是存在反射界面且可准确计算出界面位置。当被检测混凝土内部出现常见质量缺陷时，其内部填充了水或空气，造成介质常数变化，通过检测其变化推断混凝土内部缺陷；若衬砌混凝土内部有严重缺陷时，其检测数据可能与脱空反映基本一致；而钢筋作为干扰体出现，它们与周边介质间同样存在明显的介电常数差异，这将不同程度干扰检测工作的最终成果，应结合工程结构情况加以排除。

　　3.2、 超声层析成像法检测技术

　　超声层析成像法是基于超声横波脉冲回波技术，检测采用超声层析进行脱空检测具备良好的地球物理前提条件，在正式进行脱空检测前，需在引水道进口渐变段边墙混凝土做横波测定，通过仪器的自动波速测试功能测定混凝土反射的时间，从而推算混凝土横波波速及完整基岩横波波速。超声横波层析成像法检测混凝土缺陷是利用超声横波的反射原理[5,6]，其方法及原理类似于医学上的B型超声波，检测结果较直观。

　　通过混凝土断层超声成像仪实现超声层析成像法，在进行检测中每次数据采集时，底部12排（每排4个）检波器会进行激发和接收的转换，第1排激发时，后面的检波器接收信号，然后转换成第2排激发，后面的检波器接收信号，直到最后1排检波器激发接收完毕时结束1次采集。每次采集既可以接收到广角的超声横波反射信号，也可以接收到小角度的超声横波反射信号；经测定后，推测混凝土结构的厚度、钢筋保护层厚度等参数以及混凝土内部缺陷的具体参数。

　　3.3 、垂直声波反射法检测技术

　　垂直声波反射法运用地震映像进行检测。主要检测技术是运用地震波在不同介质中的反射波、面波、转换波的改变和波阻抗变化[7]，造成传播速度、传播时间及波形发生改变，并通过对比及分析从而判定被检测物体内部缺陷的具体位置。

　　电站根据检测位置的实际情况，布置了“井”字型测线，选择合适的观测系统及相关参数。采用的大功率超磁发射机做发射震源，检测钢衬混凝土内部的脱空情况。垂直声波反射法的实际工程应用中要求被测混凝土与周围介质波速或波阻抗有一定的差异，而正常质量的混凝土与有缺陷的混凝土之间波阻抗差异大，因此可选用该方法进行蜗壳钢衬混凝土检测。

　　4、 现场检测及成果分析

　　4.1 、引水道进口渐变段及尾水支洞检测

　　4.1.1、 地质雷达检测

　　在正式检测前，应对引水道进口渐变段及尾水支洞底板进行试验检测，测定混凝土介质物理参数；便于对衬砌混凝土脱空部位各层间反射特征进行分析，为正式检测成果提供对比依据，保证检测结果真实可靠。引水道进口渐变段长20m、宽7m，结合引水道进口渐变段的特点主要检测顶拱衬砌混凝土质量及缺陷、脱空情况[8]，检测测线布置主要根据现场可操作性进行布设，布设的横向测线间距、纵向测线间距均为1m，形成网格状进行检测。见图1。

　　尾水支洞则沿洞轴线方向选取顶拱、左侧边墙及右侧边墙各布置1条测线长度分别为54m进行检测。

　　图1 引水道进口渐变段地质雷达测线布置图

　　正式对引水道进口渐变段及尾水支洞衬砌混凝土检测时需连续进行测量，通过对记数轮进行距离标定，保证检测距离米数与现场实际距离一致。检测过程中保证天线与混凝土表面耦合良好且须做好现场记录，记录内容含测线位置、测线方向、起始位置、结束位置等详细数据。当检测过程中发现数据异常时，及时进行检查、复测，排除偶然干扰，保证检测结果精度高及达到相互验证的目的。

　　4.1.2、 超声层析成像检测

　　正式开展超声层析成像法检测前，先选择1～3个区域进行对比性试验，计算出超声层析混凝土横波波速及完整基岩横波波速，确定衬砌混凝土各结构层的反射参数。经现场对比性试验检测后，确定彩色增益、模拟增益、发射频率、波速等检测技术参数，并在检测测试仪器上对参数进行设置；再按照检测技术要求开展现场检测，检测过程中做好现场记录，含测线位置、测线方向、起始位置、结束位置。

　　4.2 、蜗壳检测

　　蜗壳钢衬混凝土脱空情况检测选取蜗壳左边墙、右边墙、底板及顶拱一条测线，在测线上每0.2m布置一个测点。在正式检测前，为保证检测结果真实反应被测物体实际情况，需将被测物体表面清理干净，并对检测仪器进行测试使其各项技术参数满足技术要求。见图2、图3。

　　图2 超声层析成像法检测测点布置图

　　图3 蜗壳左边墙0～8m位置测线原始图

　　4.3、 成果分析

　　引水道进口渐变段运用地质雷达法及超声横波三维成像法进行检测，通过2种检测方法综合分析判定物探成果[9]，从而得到检测部位衬砌混凝土内部缺陷[10]位置及范围、缺陷性质（如：脱空、混凝土内部不密实、微裂缝等）、缺陷距表面深度、混凝土厚度等详细的数据。部分机组流道引水道渐变段衬砌混凝土与基岩存在小面积脱空、衬砌混凝土内部存在不密实及微裂缝情况，但缺陷对水工建筑物安全稳定运行无影响；全部机组引水道渐变段钢筋混凝土保护层厚度、混凝土厚度、混凝土内部钢筋与设计一致。

　　尾水支洞衬砌混凝土检测全部运用地质雷达法检测，经对检测结果进行分析衬砌混凝土内部无缺陷，且钢筋混凝土保护层厚度、混凝土厚度、混凝土内部钢筋与设计技术文件一致。蜗壳钢衬混凝土运用垂直声波反射法进行检测，经对检测结果进行分析，部分机组钢衬混凝土存在脱空情况，但存在的缺陷对结构安全性无影响，脱空面积最大约0.7m2。

　　机组流道通过3种检测技术对混凝土质量及缺陷进行了全面检测，检测原始数据非常直观的反应了混凝土质量及缺陷。根据检测结果，通过分析论证后对部分混凝土缺陷进行了及时处理，进一步保证了机组流道安全运行。

　　5、 结语

　　电站机组流道运用地质雷达法、超声层析成像法、垂直声波反射法等技术进行混凝土质量及缺陷检测，检测方法具有方便、工作快速高效、数据直观及对结构无损伤的特点且各项技术都成熟，适合于水电站水工建筑物混凝土内部缺陷检测，为水工建筑安全分析及评判提供有利的数据支撑。经过对全部机组流道混凝土质量及缺陷进行检测，为机组状态检修提高了可靠的数据，也为水工建筑物安全稳定运行提供了科学的数据支撑。同时，因机组流道经过长时间高速水流的冲刷，混凝土表面已存在不同程度的冲蚀，后续将结合检修工作，有计划的组织对机组流道衬砌混凝土强度和碳化深度进行检测[11]，及时掌握衬砌混凝土性能，以便从混凝土质量及性能等方面进行分析及评估水工建筑物，确保水工建筑物运行的安全性及可靠性。

　　参考文献

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