張 輝，劉國(guó)慶，劉 棖，范子武，趙洪波，程和森

(1.福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建 福州 350001；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

水電站鋼襯混凝土結(jié)構(gòu)脫空缺陷定量檢測(cè)應(yīng)用研究

張 輝1，劉國(guó)慶2，劉 棖1，范子武2，趙洪波2，程和森2

(1.福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建 福州 350001；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

利用中子法探查厚鋼襯下混凝土脫空方法原理、檢測(cè)儀器及技術(shù)指標(biāo)，對(duì)福建水口電站7臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)輪室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，不同機(jī)組轉(zhuǎn)輪室都存在分散性的小片或零星孤立的脫空深度小于3 mm的微小脫空區(qū)域，除1#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室外，都存在局部孤立的脫空深度在3～10 mm脫空點(diǎn)，受鋼板脫落影響，僅3#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室存在脫空大于10 mm的脫空區(qū)域，后期對(duì)其進(jìn)行了灌漿處理和復(fù)測(cè)，并對(duì)復(fù)測(cè)結(jié)果給出了指導(dǎo)性意見(jiàn)。另外，針對(duì)3#、4#、6#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室熱中子計(jì)數(shù)明顯偏高的現(xiàn)象，分別從灌漿、背景含水量、氣蝕等方面對(duì)其進(jìn)行了合理性分析。中子法脫空檢測(cè)技術(shù)在機(jī)組轉(zhuǎn)輪室鋼襯下混凝土脫空檢測(cè)中的成功應(yīng)用，為水利工程鋼襯下混凝土永久埋設(shè)部件工程建設(shè)與運(yùn)行期安全監(jiān)督提供了可靠的檢測(cè)手段與科學(xué)依據(jù)。

中子法；脫空檢測(cè)；鋼襯混凝土；轉(zhuǎn)輪室

水力發(fā)電工程中，水工建筑物的引輸水管道、排沙管道、發(fā)電機(jī)組管形座、轉(zhuǎn)輪室、蝸殼以及尾水管等壓力管道內(nèi)，經(jīng)常使用鋼板里襯下澆筑混凝土的施工工藝[1-2]，但由于施工條件限制，大多數(shù)工程存在質(zhì)量問(wèn)題，鋼板與砼的結(jié)合面容易產(chǎn)生脫空或空洞缺陷，造成鋼板里襯變形失穩(wěn)，嚴(yán)重影響工程的運(yùn)行安全[3-6]。因此，需要在機(jī)組建設(shè)期或運(yùn)行期對(duì)上述部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，探查出脫空缺陷的位置和程度并做相應(yīng)處理。

目前，工程上多采用槌擊法檢查脫空缺陷[5-6]。該方法是聽(tīng)槌擊的聲響，憑個(gè)人聽(tīng)覺(jué)判斷，其可靠性差、準(zhǔn)確率低。尤其是不同厚度鋼板槌擊后響應(yīng)聲音差別很大，當(dāng)鋼板較薄時(shí)，該方法過(guò)于敏感，容易造成誤判，從而導(dǎo)致誤打許多無(wú)用灌漿孔，造成鋼板原有結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不必要的破壞。當(dāng)鋼板厚度很大或脫空中充滿水時(shí)，該方法可靠性更差。并且，槌擊法是一個(gè)粗略的定性判別方法，不能定量測(cè)定脫空深度大小，給灌漿處理增加難度。曾試圖采用X射線、γ射線和超聲波等方法進(jìn)行檢測(cè)，但是X射線穿透力弱，γ射線存在輻射防護(hù)上的困難，未能達(dá)到理想效果[7]。實(shí)際工程中還要兼顧經(jīng)濟(jì)效益，需要在日常維護(hù)的大小修期間內(nèi)完成脫空缺陷的檢測(cè)與處理，因此，需要一種有效的無(wú)損、快速、定量地探測(cè)鋼襯砌砼脫空缺陷的方法。

利用中子無(wú)損檢測(cè)方法探查厚鋼板下混凝土脫空缺陷是南京水利科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)核子檢測(cè)技術(shù)[8]。該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)是利用快中子慢化原理，讓快中子穿過(guò)鋼板與鋼襯下混凝土材料相互作用，從而被慢化減速產(chǎn)生熱中子。只要鋼襯下混凝土在平面上和沿深度方向上充填分布不均勻，即存在脫空缺陷，在相應(yīng)部位測(cè)點(diǎn)上熱中子分布就會(huì)出現(xiàn)異常。用熱中子探測(cè)器探測(cè)檢測(cè)面上各測(cè)點(diǎn)處的熱中子計(jì)數(shù)率，根據(jù)測(cè)取的熱中子計(jì)數(shù)率大小變化和分布規(guī)律，可探查出鋼襯下混凝土脫空缺陷[9]。本項(xiàng)中子檢測(cè)技術(shù)能無(wú)損、快速、準(zhǔn)確和安全地探查出厚度達(dá)60 mm鋼板下澆注混凝土脫空缺陷，并能確定脫空缺陷平面分布范圍和深度。

1 工程概況

福建水口電站位于福建省閩清縣境內(nèi)的閩江干流上，上游距離南平市94 km，下游距離閩清縣城14 km，距福州市84 km[10]。水口電站1993年建成，是華東地區(qū)裝機(jī)容量最大的常規(guī)水電站，包括1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#共7臺(tái)發(fā)電機(jī)組，大壩全長(zhǎng)870 m，高101 m，水庫(kù)正常蓄水位65 m，汛期(4～7月)運(yùn)行限制水位61 m。保證出力26萬(wàn)kW，年平均發(fā)電量49.5億kW/h，總裝機(jī)140萬(wàn)kW，電站建成后向華東電網(wǎng)和福建電網(wǎng)供電[11-12]。

2015年9月至2016年2月，為查清和處理1#～7#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室鋼襯下混凝土存在的脫空缺陷隱患，確保機(jī)組安全運(yùn)行，利用中子無(wú)損檢測(cè)技術(shù)先后對(duì)1#～7#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室鋼襯下混凝土脫空缺陷進(jìn)行了全面檢測(cè)，探查脫空缺陷范圍和深度，以便為脫空灌漿處理提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。其中，3#機(jī)組鋼板脫落，重新修補(bǔ)并灌漿后進(jìn)行了復(fù)測(cè)。

2 檢測(cè)內(nèi)容和室內(nèi)標(biāo)定

本次檢測(cè)采用的中子探測(cè)器是用鋰玻璃作為閃爍體的閃爍探測(cè)器，主要由鋰玻璃閃爍體、光電倍增管以及計(jì)數(shù)器組成，使用中子源Am-241/Be，其中子通量約為1.3×105/s，活度為3.7×109Bq，檢測(cè)時(shí)每測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為30 s。

2.1 中子法檢測(cè)內(nèi)容

本次檢測(cè)工作主要利用中子法對(duì)水口電站1#～7#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室中環(huán)、下環(huán)進(jìn)行全面檢測(cè)，探查出砼脫空范圍和深度，供灌漿布孔定位提供依據(jù)。另外，根據(jù)實(shí)際需要和檢測(cè)結(jié)果安排復(fù)測(cè)，同前期觀測(cè)結(jié)果比較，評(píng)價(jià)前期灌漿效果并為后期是否安排灌漿布孔提供參考。各機(jī)組轉(zhuǎn)輪室檢測(cè)時(shí)機(jī)依據(jù)各機(jī)組安排的大修、小修時(shí)間確定，測(cè)點(diǎn)布置將依據(jù)轉(zhuǎn)輪室的結(jié)構(gòu)確定。

2.2 室內(nèi)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

根據(jù)中子散射法檢測(cè)原理，測(cè)點(diǎn)處熱中子計(jì)數(shù)率大小不僅與該測(cè)點(diǎn)下鋼板脫空深度有關(guān)，同時(shí)還受到鋼板厚度和砼材料實(shí)際含水量大小影響。因此，熱中子計(jì)數(shù)率并不能直接用來(lái)計(jì)算脫空深度，需要在確定鋼板厚度和被測(cè)砼材料含水量之后，才能根據(jù)測(cè)點(diǎn)處的熱中子計(jì)數(shù)率確定該點(diǎn)的脫空深度，而且熱中子計(jì)數(shù)率與脫空深度兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系需要進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)。鋼襯下混凝土脫空體積越大，熱中子計(jì)數(shù)率越高，由于中子探測(cè)器檢測(cè)斷面的截面積一定，檢測(cè)斷面下的熱中子計(jì)數(shù)率只與脫空深度有關(guān)。

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的要求，本次室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)采用鋁板與聚乙烯板復(fù)合材料模擬一種密度和含水量當(dāng)量與混凝土相似的材料，通過(guò)調(diào)整鋁板與聚乙烯板配比模擬不同密度、含水量的混凝土試驗(yàn)標(biāo)塊。具體模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括，3種鋼板厚度分別為40、16、12 mm，四種含水量分別為160、206、311、520 kg/m3，開(kāi)展兩個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)分別如下。

(1) 同一鋼板厚度，零脫空條件下，不同含水量與熱中子計(jì)數(shù)率的關(guān)系。

(2) 同一含水量，脫空深度與熱中子計(jì)數(shù)率的關(guān)系。

通過(guò)上述工況的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，在鋼板厚度不變，零脫空的條件下，得到不同含水量與熱中子計(jì)數(shù)率的關(guān)系，根據(jù)這一關(guān)系可以先判斷實(shí)際工況下的含水量情況，再通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M同一含水量時(shí)，脫空深度與熱中子計(jì)數(shù)率的關(guān)系，從而判斷出相應(yīng)的脫空深度。由于室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)際工況下的鋼板下砼的含水量本底值會(huì)存在差異，因此對(duì)脫空深度的刻畫采用不脫空、<3 mm脫空、3～10 mm脫空、>10 mm脫空4種區(qū)間，在實(shí)際工程應(yīng)用中一般僅對(duì)處于3～10 mm和>10 mm區(qū)間內(nèi)的大脫空進(jìn)行灌漿處理。

圖1 不同鋼板厚度條件下熱中子計(jì)數(shù)與含水量關(guān)系Fig.1 Relationship between thermal neutron count and water content under different thickness of steel plate

統(tǒng)一含水量條件下，熱中子計(jì)數(shù)率與脫空深度之間的二次擬合關(guān)系為y=ax2+bx+c，具體系數(shù)列于表1。

2.3 轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)與測(cè)點(diǎn)布置

本次脫空檢測(cè)對(duì)象為1#～7#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室的中環(huán)和下環(huán)，其高度分別為1 040 mm和1 200 mm，鋼板厚度分別為40 mm和30 mm，不同機(jī)組轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)相同，轉(zhuǎn)輪室為近似圓柱形，直徑8.3 m，沿圓周方向有4條豎直焊縫，48條縱向筋板，縱向筋板間距520 mm；6條橫向筋板，以中環(huán)、下環(huán)交界面為界分上、下兩部分，中環(huán)間距520 mm，下環(huán)間距400 mm，轉(zhuǎn)輪室鋼板從進(jìn)人孔沿順時(shí)針?lè)较蚩煞譃?8節(jié)鋼板，編號(hào)為b1～b48。

本次檢測(cè)范圍為1#～7#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室中環(huán)下半部分和下環(huán)的圓周面。以進(jìn)人孔處的豎直焊縫為筋板標(biāo)號(hào)b1，沿轉(zhuǎn)輪室圓周的順時(shí)針?lè)较蛎扛?20 mm為一個(gè)筋板標(biāo)號(hào)，共設(shè)置了48條豎向筋板標(biāo)號(hào)，每?jī)蓷l筋板標(biāo)號(hào)之間等分布置兩條測(cè)量斷面，共96條豎直測(cè)量斷面；同時(shí)，以補(bǔ)償段與下環(huán)的分界線為0號(hào)橫向筋板，向上依據(jù)橫向筋板結(jié)構(gòu)布置橫向測(cè)量斷面，標(biāo)號(hào)為1、2、3、4、5，以中環(huán)與下環(huán)的交界，上部筋板標(biāo)號(hào)間隔260 mm、上環(huán)筋板標(biāo)號(hào)間均勻布置2條測(cè)量斷面，下部筋板標(biāo)號(hào)間隔400 mm，下環(huán)筋板標(biāo)號(hào)間均勻布置3條測(cè)量斷面，那么，96條豎直測(cè)量斷面與5條橫向測(cè)量斷面的交匯點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)，總共布置了測(cè)點(diǎn)480個(gè)。轉(zhuǎn)輪室中環(huán)以測(cè)點(diǎn)為中心，形成近似260 mm×260 mm的正方形網(wǎng)格，總計(jì)192個(gè)測(cè)點(diǎn)；轉(zhuǎn)輪室下環(huán)以測(cè)點(diǎn)為中心，形成近似260 mm×400 mm的長(zhǎng)方形網(wǎng)格，總計(jì)288個(gè)測(cè)點(diǎn)。儀器探頭放在以上方形網(wǎng)格中心進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，這種測(cè)量網(wǎng)格的布置是基于考慮探測(cè)器的平面測(cè)量范圍，以保證不存在測(cè)量盲區(qū)。轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置示于圖3、圖4。

圖2 熱中子計(jì)數(shù)率與脫空深度關(guān)系Fig.2 Relationship between thermal neutron counting rate and depth of inner cavity defects

含水量/(kg·m-3)不同鋼板厚度下的擬合系數(shù)40/mm16/mm12/mma(×10-5)b(×10-3)c(×10-3)a(×10-5)b(×10-3)c(×10-3)a(×10-5)b(×10-3)c(×10-3)160-040168-072-164384-083-534607-310206-3031299-142-655390083-315537404311-120236249-272562-165-589784115520-240321-192-396729-281-9591028059

圖3 轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the runner chamber

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Arrangement of measuring point

3 結(jié)果和分析

3.1 檢測(cè)結(jié)果

本次水口電站轉(zhuǎn)輪室鋼襯下混凝土脫空檢測(cè)時(shí)機(jī)安排依據(jù)電站機(jī)組大修、小修時(shí)間進(jìn)度控制，1#機(jī)組受槳葉位置的限制，轉(zhuǎn)輪室中環(huán)上部位置b4～b7、b12～b15、b20～b23、b28～b31、b36～b39、b44～b46的4號(hào)、5號(hào)共48個(gè)測(cè)點(diǎn)無(wú)法測(cè)量，3#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室存在鋼板撕裂脫落現(xiàn)象，在進(jìn)行鋼板焊接，根據(jù)初測(cè)結(jié)果指導(dǎo)灌漿后進(jìn)行了復(fù)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理布置測(cè)點(diǎn)，依據(jù)熱中子計(jì)數(shù)率的大小、分布規(guī)律，按機(jī)組序號(hào)排列，采用脫空情況統(tǒng)計(jì)表對(duì)各臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪室脫空情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果列于表2。

表2 水口電站1#～7#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室脫空檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.2 綜合分析

(1) 表2統(tǒng)計(jì)了1#～7#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室混凝土不脫空區(qū)域、脫空深度<3 mm、脫空深度3～10 mm和脫空深度>10 mm區(qū)間對(duì)應(yīng)的脫空面積占總面積的比例，結(jié)合1#～7#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室1～48斷面鋼襯混凝土脫空分布情況，發(fā)現(xiàn)1#～7#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室都存在分散性的小片或零星孤立的點(diǎn)狀<3 mm的微小脫空區(qū)域，這些脫空多為混凝土或水泥砂漿干縮造成的微小剝離性脫空。除1#、5#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室外，都存在局部孤立的3～10 mm脫空點(diǎn)，僅3#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室存在>10 mm的脫空區(qū)域。

(2) 受鋼板脫落影響，3#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室鋼板破壞區(qū)域附近脫空情況相對(duì)嚴(yán)重，檢測(cè)面上存在多塊小片3～10 mm和>10 mm的脫空區(qū)域。灌漿處理后的復(fù)測(cè)表明，除了鋼板脫落區(qū)外，其他區(qū)域受灌漿影響，脫空基本消失，但在新修補(bǔ)的鋼板b39～b41斷面的5號(hào)測(cè)點(diǎn)處熱中子計(jì)數(shù)總體偏低，表明該部位灌漿不夠充分，管理單位采納了指導(dǎo)意見(jiàn)并完成了灌漿處理。

(3) 3#、4#、6#機(jī)組轉(zhuǎn)輪室存在熱中子計(jì)數(shù)明顯偏高區(qū)域，對(duì)應(yīng)的面積分別占總測(cè)量面積的15.71%、1.25%、5.63%，但區(qū)域內(nèi)并無(wú)脫空。3#機(jī)組某些部位熱中子計(jì)數(shù)明顯偏高是由于灌漿時(shí)高含水量的漿液所造成，4#、6#是由于鋼襯下混凝土本身含水量背景值高，或是由于鋼板局部氣蝕滲水造成。

(4) 根據(jù)灌漿處理時(shí)布孔測(cè)深與脫空檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，其數(shù)據(jù)一致，表明與槌擊法相比，中子法能夠進(jìn)一步定量測(cè)定脫空深度，可避免誤打灌漿孔，造成鋼板原有結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的破壞，因此保障了灌漿質(zhì)量，提高了灌漿效率。

4 小結(jié)

轉(zhuǎn)輪室鋼板下混凝土脫空的形成主要存在兩種情況，一種是建設(shè)期混凝土澆筑質(zhì)量問(wèn)題形成的脫空，另一種是機(jī)組運(yùn)行期間由于負(fù)荷的變化引起振動(dòng)或其他物理、化學(xué)作用造成的脫空，因此，建議定期安排機(jī)組轉(zhuǎn)輪室的脫空檢查，同時(shí)利用本次的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，判斷造成轉(zhuǎn)輪室鋼板下混凝土脫空可能的原因，保障機(jī)組的運(yùn)行安全。

本次采用中子法檢測(cè)手段對(duì)鋼襯下混凝土進(jìn)行脫空檢測(cè)，取得了可靠的測(cè)量結(jié)果，該技術(shù)已在我國(guó)多個(gè)大型水利、水電和航運(yùn)工程中，特別是水庫(kù)大壩引水、排沙和輸水鋼管以及水電機(jī)組尾水管、管形座和機(jī)組轉(zhuǎn)輪室、蝸殼鋼板下混凝土脫空缺陷檢測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用。相對(duì)傳統(tǒng)的槌擊法，中子無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在指導(dǎo)灌漿施工、檢查或評(píng)價(jià)灌漿效果、保證灌漿質(zhì)量方面具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

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Study on Application of Quantitative Detecting of Inner Cavity Defect of Concrete Under Steel Plate Lining of Hydro-power Plant

ZHANG Hui1, LIU Guo-qing2, LIU Cheng1, FAN Zi-wu2, ZHAO Hong-bo2, CHENG He-seng2

(1.FujianShuikouPowerGenerationGroupCo.,Ltd.,Fuzhou310001,China; 2.NanjingHydraulicResearchInstitude,Nanjing210029,China)

A brief description of the principle, detection equipment and technical indexes of neutron method was used to detect the inner cavity defect of concrete under steel palte lining. The specific introduction of site testing conditions and results of 7 runner chambers in Shuikou hydro-power plant were described in this article. The results showed that each runner chamber had several pieces or isolated inner cavity defects, which depth were less than 3 mm. Except 1# runner chamber, all of the rest had isolated inner cavity defects which depth were within from 3 mm to 10 mm. Affected by falling of steel plate, the depth of inner cavity defects in 3# runner chamber were larger than 10 mm. A remeasurement for 3# runner chamber after grouting was carried out, and summarized guidance for the retested results. In addition, the reasonable analysis was did in the aspect of grouting, the water content of the background and cavitation for the high thermal neutron count of 3#, 4# and 6# runner chamber. The successful application of neutron method for detecting inner cavity defect of concrete under steel plate lining of the runner chamber provides a reliable means of detection and scientific basis to the construction and operation safety of permanent components embedded in concrete in water conservancy projects.

neutron method; cavity detection; concrete under steel plate lining; runner chamber

2016-10-19;

2017-01-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41402217)；中國(guó)博士后基金項(xiàng)目(2014M561686)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)基金(Y115003)

劉國(guó)慶(1984—)，男，安徽涇縣人，在站博士后，主要從事地表與地下水運(yùn)動(dòng)模擬及水利工程檢測(cè)方面的研究，E-mail: gqliu@nhri.cn

TL364.5

A

1000-7512(2017)03-0194-06

10.7538/tws.2016.youxian.051