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无损探测技术为水库“体检治病” 排查隐患安全高效!

无损检测 无损探测 探地雷达法 高密度电阻率法
发布:2020-12-17 09:39:40     来源:无损检测NDT

我国水库病险问题比较复杂,根据病险水库鉴定成果核查资料,水库存在的病险主要有防洪标准偏低、大坝渗(漏)水严重、泄输(引)水建筑物存在安全隐患、大坝抗震安全性不满足规范要求、生物破坏等。11月30日,在国务院新闻办公室举行的国务院政策例行吹风会上,水利部副部长叶建春介绍,到2022年年底前,完成小型水库除险加固项目遗留问题处理;到2025年年底前,完成现有病险水库除险加固和每年安全鉴定后新增的病险水库除险加固,完善雨水情测报、安全监测设施,健全水库运行管护长效机制。为实现“十四五”期间水库除险加固和运行管护目标任务,5年共需投资近1000亿元。 导致水库出现病险的原因有哪些?科技手段如何助力水库体检?一旦发现病险,要如何对水库进行“医治”?科技日报记者就此进行了采访。

“水库是江河防洪工程体系的重要组成部分,是改善生态环境不可或缺的保障系统,承担着保障防洪安全、供水安全、粮食安全、能源安全、生态安全等重要功能。”水利部大坝中心总工、正高级工程师盛金保在接受记者采访时说道。

确保水库安全运行的重要性不言而喻。据介绍,近些年来,国家加快病险水库除险加固的步伐,迄今已对7.2万余座病险水库实施除险加固,显著改善了水库大坝安全状况。但随着运行年限增长,加上水毁、震损等不利因素影响,仍有部分水库陆续进入病险行列,一旦出险乃至溃坝失事,将严重威胁下游安全。

导致水库出现病险的原因有哪些呢?在盛金保看来,主要有以下几点:

1 我国水库众多,工程建设先天不足。我国现有水库9.8万多座。其中,大型水库近800座,中型水库4100多座,小型水库近9.4万座。按坝型分,土石坝9万多座,占92%。这些水库的大坝87%以上修建于上世纪50—70年代,限于当时的经济条件和技术水平,总体建设标准偏低,“先天”工程质量较差。

工程老化影响。我国水库坝龄平均近50年,经过数十年运行,大部分水库已超过或接近设计使用年限,结构老化、性能劣化和淤积等问题渐趋严重,存在防洪标准不足,建筑物异常变形、渗漏,甚至损毁等安全隐患。

3 超标准洪水、强烈地震等自然灾害影响。水库一旦遭遇突发暴雨洪水,超出工程自身防御标准,就可能导致工程严重水毁甚至溃坝。今年我国发生了1998年以来最严重的汛情,水库在发挥巨大防洪效益的同时,也面临很大的安全度汛压力。据统计,今年的洪涝灾害,共导致131座大中型水库、1991座小型水库出现不同程度水毁,其中许多被鉴定为病险水库。

4 部分地方仍存在“以建代管”“重建轻管”现象,日常疏于水库管理和维修养护,安全监测设施、配套管理设施不完善。其中,面广量大的小型水库此类情况更加突出,这也是产生病险的原因之一。

水库病症主要有哪些

“我国水库病险问题比较复杂,根据病险水库鉴定成果核查资料,水库存在的病险主要有防洪标准偏低、大坝渗(漏)水严重、泄输(引)水建筑物存在安全隐患、大坝抗震安全性不满足规范要求、生物破坏等。”盛金保介绍。

据统计,上世纪50—70年代,超过一半的溃坝事故都是由于防洪标准不足、洪水漫顶引起的。近年来,仍然有部分溃坝因洪水漫顶或超标准洪水引起。因此,“高坝小库”防洪标准偏低的问题尤其值得关注。

防渗体系不完善、筑坝材料控制不严、坝体填筑无质量控制等因素,导致早期修建的一些水库大坝存在“先天”工程质量缺陷。具体来看,土石坝表现为集中渗漏、绕坝渗漏、坝后管涌等现象;浆砌石及混凝土坝则表现为集中渗漏和溶滤破坏。过去,大坝渗(漏)水严重导致的溃坝事故仅次于洪水漫顶,约占30%~40%。近年来,渗透破坏已超过洪水漫顶成为导致溃坝的首要原因。

早期修建的水库很多没有进行抗震设计,也没有采取任何抗震措施,因此地震区的部分水库抗震稳定性不满足相关规范要求。一旦发生较强地震,会造成当地不少水库大坝出现震损险情。据统计,“5.12”汶川地震中,全国共有2480座水库大坝出现不同程度的震损险情。

此外,在淮河以南气候湿润地区,土石坝普遍存在白蚁危害。近年来,由于全球气候变暖,白蚁对土石坝的危害已蔓延到淮河以北的黄河流域。

科技如何助力水库查险

《水库大坝安全管理条例》明确,水库大坝实行定期安全鉴定制度。根据《水库大坝安全鉴定办法》,首次安全鉴定应在工程竣工验收后5年内进行,以后每隔6~10年开展一次全面鉴定,其间,当遭遇特大洪水、强烈地震,或工程出现严重险情,或水库运行条件发生重大改变时,还应组织专门的安全鉴定。图片

盛金保介绍,定期安全鉴定中用于水库大坝体检的常用科学手段主要包括:现场安全检查和检测、观测资料分析、钻探试验、隐患探测、复核计算。

通常由不同专业且有经验的专家组成现场安全检查专家组,必要时开展混凝土和金属结构安全检测,查明大坝、泄输(引)水建筑物及其附属设备(闸门、启闭机、电气设备)是否存在影响工程安全运行的隐患和缺陷。

通过埋设在大坝表面和内部的监测仪器采集大坝沉降、水平位移、裂缝开度、应力应变以及渗流压力、渗流量等数据,并分析监测数据与水位、气温、降水量等环境量以及时效之间的变化关系,可评估大坝安全性态是否正常。

除了仪器检测之外还可以进行钻探试验,在大坝原体钻孔压(注)水和取芯(样),通过钻孔全景成像以及现场和室内试验,查明大坝填筑和防渗处理质量是否符合规范要求,分析是否存在影响大坝安全运行的工程质量缺陷。

相比于钻探试验,大坝无损探测类似于医学里的B超、核磁共振,具有无损性、连续性、整体性、快速性以及高分辨率等优点,能快速有效地发现大坝结构和防渗体系裂缝、脱空、渗漏、损伤等隐患。目前,常用的无损检测方法有探地雷达、示踪法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、伪随机流场拟合法、水体电阻率法、地震波/声波CT法等。

此外,通过理论计算或数值分析,可评估大坝防洪标准、抗震设防标准、安全加高、结构安全系数、控制应力、容许渗透坡降等是否满足规范要求。

库坝隐患无损探测技术

01 探地雷达法

 
探地雷达法是地球物理方法中的一种高分辨率、高效率的探测方法,是将高频电磁波(1MHz~1GHz)以脉冲的形式通过发射天线定向地送入地下。电磁波在地下介质中传播,当遇到存在电性差异的地层或目标体时,发生反射和折射,反射回地面的电磁波被接收天线所接收,由探地雷达系统采集并显示。采集到的电磁波数据经处理后,根据电磁波波形、振幅强度和时间的变化特征,推断地下介质的空间位置、形态和埋藏深度,从而达到对地下地层或目标体探测的目的。

探地雷达方法适用于混凝土内部质量检测和堤坝内部质量检测,如坝基的密实度、防渗墙完整性、裂缝陷落等严重隐患分布范围等,具有效率高、不需震源供电电源等优点。

02 高密度电阻率法

 
高密度电阻率法(multi-electrode resistivity method)是一种阵列勘探方法,它以岩、土导电性的差异为基础,研究人工施加稳定电流场的作用下地中传导电流分布规律,具有一次布极即可进行多装置数据采集,以及通过求取比值参数而能突出异常信息的特点。野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)以一定的电极距置于观测剖面上,通过A、B电极向地下供入电流建立地下人工电流场,然后在M、N极间测量电 位差ΔU,通过系列观测并计算得到同一测点在不同深度处岩层的宏观电阻率。

通过程控电极转换装置和微机工程电测仪快速、自动采集数据,对实测的电阻率剖面进行计算、处理、分析,得到地电断面分布情况,从而实现划分地层、圈闭异常、裂隙带确定、异常发育位置,以及大致深度等功能。与传统的电阻率法相比,高密度电阻率法成本低、效率高,信息丰富,解释方便,勘探能力显著提高。

03 瞬变电磁法

瞬变电磁法(Transient electromagnetic methods)属于时间域人工源电磁探测方法,其利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场,从而探测介质电阻率的一种方法。通过研究二次感应涡流场与时间的变化关系,可以确定地下导体的电性分布结构及空间形态。相对于其他地球物理方法,瞬变电磁法具有探测深度大、分辨能力强、反映的地电信息丰富等优点。

04 地震映像法

地震映像法(又称高密度地震勘探和地震多波勘探)是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅地层勘探方法,既可以利用多种波作为有效波,也可以根据探测目的仅采用一种特定的波作为有效波来进行探测,每一测点的波形记录都采用相同的偏移距激发和接收,在该偏移距处接收到的有效波具有较好的信噪比和分辨率,能够反映出地质体沿垂直方向和水平方向的变化。

地震映像法的主要特点是数据采集速度较快,虽抗干扰能力弱、勘探深度有限,但在资料处理过程中不需要进行动校正处理,从而避开了动校正对浅层反射波的拉伸、畸变影响,保留了反射波的全部动力学特征。

05 拟流场法

拟流场法是探测堤坝渗漏入口位置的电法探测技术,探测设备主要由建立拟流场的发送机、A极板、B极板、测量拟流场的接收机及探头组成。发送机是具有一定频率和功率的电源。

探测堤坝渗漏通道入口位置时,将与发送机两个电极连接的B极板、A极板分别置入堤坝前水域远方和堤坝后管涌出口水中。开启发送机电源后,A极板、B极板之间的堤坝及水域就建立起了人为拟流场。接收机置于堤坝前水域的探测船上,探测探头与接收机连接,当船拖拽的探头接近渗漏入口时,接收机就可以采集到此处拟流场电场强度异常增大数据,发现堤坝渗漏通道入口位置。

06 水下电视技术

水下电视技术实现大体可分为潜水员水下手持拍摄、缆线控制水下拍摄和无线遥控水下拍摄三种模式,广泛应用于海底地形测绘、海洋生物研究、海洋石油钻井平台的水下检修、大坝及堤防病害探测、水下武器试验的监控、深水打捞,以及核反应堆内部构件的检修等方面。潜水员水下手持拍摄模式最为直接、有效,但对潜水员的潜水技能、摄像技能要求高,且受水深和恶劣环境制约,该方法最为危险,很少被采用;缆线控制水下拍摄(主要体现为钻孔水下摄像方面)较好地解决了摄像方位判定问题,但水下摄像头位置变换不够灵活,存在视角受限等问题;无线遥控水下拍摄模式通过水下机器人搭载摄像装置实现,水下移动灵活,操控方便,适合于深水作业,但螺旋桨始终处于转动状态,干扰水下影像的稳定性且设备价格昂贵,严重制约了广泛应用。

“对病险水库,应综合应用工程措施和非工程措施,在科学决策后,该加固的加固,该控制运用的控制运用,该降等报废的降等报废,及时消除安全隐患和风险。”盛金保指出。

比如,对功能和效益显著的病险水库,应针对不同病险采取相应的工程措施进行除险加固,除险加固前应控制水位运用。

而对功能和效益衰减甚至丧失、除险加固经济技术比较不合理的病险水库,应依据《水库降等与报废管理办法(试行)》《水库降等与报废标准》《水库降等与报废评估导则》,经过充分论证后实施降等或报废处理。

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