[俄]B.A.拉斯卡茲奇科夫

吉爾吉斯斯坦基洛夫大壩混凝土現(xiàn)狀分析

[俄]B.A.拉斯卡茲奇科夫

吉爾吉斯斯坦基洛夫大壩已經(jīng)運(yùn)行了 30多年,為了確保該壩運(yùn)行的安全可靠性,對(duì)大壩現(xiàn)狀進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析。按照有關(guān)規(guī)定,采用了無(wú)損探傷的方法,借助于儀器設(shè)備對(duì)大壩混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明,基洛夫大壩經(jīng)過(guò) 30多年的運(yùn)行,無(wú)論是大壩內(nèi)部的混凝土,還是外部的混凝土,其強(qiáng)度均超過(guò)了規(guī)定的強(qiáng)度。對(duì)大壩狀況,檢測(cè)目的、方法、儀器以及檢測(cè)結(jié)果等進(jìn)行了概述。

大壩;安全監(jiān)測(cè);混凝土強(qiáng)度檢測(cè);檢測(cè)分析;基洛夫大壩;俄羅斯

基洛夫 (Кировское)大體積支墩壩修建在塔拉斯 (Талас)河上 (吉爾吉斯斯坦境內(nèi) ),是由吉爾吉斯斯坦國(guó)立水利工程設(shè)計(jì)院 (Киргизгипроводхоз)于 1975年設(shè)計(jì)的。該壩壩高為 84m,壩頂長(zhǎng)為 260 m,混凝土澆筑方量為31萬(wàn) m3,大壩上、下游斷面的坡度為0.45。壩的下游面的底部較陡(m=0.70),壩段每間隔 22m設(shè)置有溫度沉降縫。每個(gè)河床壩段都由寬為 22 m的大型壓力泄水孔首部結(jié)構(gòu)物、寬為 12m的支墩和板壁厚度為4.5 m的底部泄水孔結(jié)構(gòu)物組成。支墩之間形成寬為 10m的封閉腔室。從上游面來(lái)看,上部泄水孔的首部結(jié)構(gòu)物呈半徑為28.1m的曲線形,不包括伸出部位的孔道彎度。泄水道布置在第 5、6號(hào)壩段的832.0 m高程處。在出口處,泄水道為矩形斷面,其尺寸為 3m×4 m,由此過(guò)渡到直徑為2.2m的圓形斷面。設(shè)置有錐形閘門,以便對(duì)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在881.5m高程處,設(shè)置有帶溢流堰的上部溢洪道,用以第 7號(hào)壩段在洪水期泄洪。

為了觀測(cè)壓力泄水孔首部結(jié)構(gòu)物和支墩混凝土的內(nèi)部表面情況,以及為了觀測(cè)監(jiān)測(cè)儀器,分別在822.0 m和 845.5m高程上設(shè)置了 2條檢查廊道,廊道寬均為 3 m,高均為3.5 m。822.0 m高程上的檢查廊道主要是作為各河床壩段相互之間的交通通道和用于設(shè)備的維護(hù)。845.5m高程上的檢查廊道貫通各支墩并一直延伸到岸邊。為了便于通行,在河床壩段內(nèi),沿廊道設(shè)置有一些小鐵橋。在平行于壓力泄水孔首部結(jié)構(gòu)物的支墩面上,都設(shè)置有鐵梯和平臺(tái),這樣可以保證在不同高程的廊道之間通行及順利到達(dá)水準(zhǔn)儀的安放處。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案,大壩混凝土澆筑按施工條件被分為 3個(gè)區(qū)域進(jìn)行。巖基至836.0m高程處為一個(gè)澆筑區(qū)域,其中包括壓力泄水孔的首部結(jié)構(gòu)物,其澆筑的混凝土性能參數(shù)為 M250、P18、B8、抗凍性 200。836.0m高程以上的支墩及底部泄水孔的首部結(jié)構(gòu)物為另一個(gè)澆筑區(qū)域,其采用的澆筑混凝土的性能參數(shù)為 M200、P16、B8、抗凍性 150?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì)是由俄羅斯莫斯科古比雪夫建筑工程學(xué)院(МИСИим.ВВ.Куйбышева)完成的,并經(jīng)過(guò)西伯利亞水利工程科學(xué)研究院(СибВНИИГ)和建筑施工實(shí)驗(yàn)室共同試驗(yàn),且在施工過(guò)程中得到了驗(yàn)證。大壩底部至825.5 m高程是澆筑的 M250混凝土,其水泥用量為 265 kg/m3,而在這個(gè)高程以上部位澆筑的混凝土,其水泥用量為 240 kg/m3。混凝土所用的水泥為康德水泥廠生產(chǎn)的 300號(hào)低溫抗硫酸鹽波特蘭水泥。水泥的礦物質(zhì)含量為:C3S=43…49%;C3A=2…4%。骨料為2.5～3.0 mm的粗度模量的砂;礫石為 3級(jí)配:即 5～20mm;20～40mm;40～80 mm?；炷镣饧觿┑暮?是根據(jù)水泥比重,摻加0.20%～0.25%?；炷涟韬衔锏奶涠葹?2～4 cm。大壩混凝土分層澆筑,各層厚度為0.5～1 m。

基洛夫水利樞紐庫(kù)區(qū)的氣候特征為強(qiáng)大陸性氣候,平均氣溫波動(dòng)較大:-35℃(12～1月)～+35℃(7～8月)。因此,只有大壩在復(fù)雜的氣候條件下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行以后,對(duì)其混凝土狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估才具有實(shí)際意義。

2004年,按照吉爾吉斯斯坦共和國(guó)土壤改良部任務(wù)書的要求,西伯利亞水利工程科學(xué)研究院有限公司(原西伯利亞水利技術(shù)科學(xué)研究所)對(duì)基洛夫大壩混凝土進(jìn)行過(guò)無(wú)損探傷檢測(cè)。采用超聲波方法對(duì)大壩基礎(chǔ)部位的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定,為了使取得的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確,又采用了機(jī)械檢測(cè)儀器——硬度計(jì)對(duì)其進(jìn)行復(fù)檢。

為了對(duì)大壩施工過(guò)程中的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè),西伯利亞水利技術(shù)科學(xué)研究所與基洛夫建筑安裝局建筑施工實(shí)驗(yàn)室一起,當(dāng)時(shí)曾對(duì)加筋混凝土試件(加有鋼筋的邊長(zhǎng) 20 cm的混凝土立方體)進(jìn)行過(guò)超聲波試驗(yàn)和機(jī)械試驗(yàn)(在壓力機(jī)下進(jìn)行)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,確定了“混凝土強(qiáng)度與超聲速度”的關(guān)系。在此次試驗(yàn)中,使用了 2種標(biāo)號(hào)的混凝土:即 M250(R=0.76 V4.00)和 M200(R=0.76V3.75)混凝土。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)試驗(yàn)時(shí),使用的是 УКБ-1M型超聲波檢測(cè)儀,而 2004年進(jìn)行的大壩混凝土強(qiáng)度檢測(cè),使用的是 УК-14ПM型便攜式超聲波檢測(cè)儀。利用超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行大壩混凝土強(qiáng)度檢測(cè)時(shí),采用的方式是在 120 mm基礎(chǔ)的上部鳴響。因而,對(duì)于標(biāo)號(hào)為 M 200和 M250的混凝土來(lái)說(shuō),要分別采用轉(zhuǎn)換系數(shù) Kn=1.1和1.4。除此以外,當(dāng)建筑物中的混凝土含水量與試驗(yàn)室試件的誤差較大時(shí),還應(yīng)采用系數(shù) Kw,其數(shù)值為0.95～1.1。檢測(cè)建筑物中混凝土的含水量時(shí),所使用的是 MГ4Б型濕度計(jì)。

采用機(jī)械方法(ОМШ-1型硬度計(jì))測(cè)定 M 200和 M 250標(biāo)號(hào)的混凝土的強(qiáng)度時(shí),采用了以下公式:

式中 R為混凝土的抗壓強(qiáng)度,kg/cm2;H為撞擊回彈數(shù)值,約定單位。

在測(cè)定表面潮濕的混凝土強(qiáng)度時(shí),所獲得的 H值會(huì)增大,因此,如果采用機(jī)械方法進(jìn)行檢測(cè),則系數(shù) Kw應(yīng)根據(jù)不同濕度,取值范圍為 1～1.14。

無(wú)論是采用超聲波檢測(cè)方法,還是采用機(jī)械檢測(cè)方法,對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定時(shí),系數(shù) Kn和系數(shù)Kw都要通過(guò)試驗(yàn)的方法來(lái)確定。

圖1 大壩橫縫處剖面

大壩某些區(qū)段和區(qū)域的混凝土強(qiáng)度的平均值Rm,以及混凝土不均勻性的變化系數(shù) CV值,是根據(jù)超聲波檢測(cè)方法和機(jī)械檢測(cè)方法的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定的。除此以外,還應(yīng)確定每個(gè)檢測(cè)區(qū)域的相應(yīng)強(qiáng)度系數(shù) Rm/RT,其中 RT為在獲得變化系數(shù)條件下該標(biāo)號(hào)的混凝土所必需的強(qiáng)度。

1 大壩內(nèi)部混凝土

對(duì)大壩內(nèi)部混凝土的檢測(cè),是借助于高程822.0m和高程845.5 m上的小鐵橋和平臺(tái)(懸臂梁)完成的。這些小鐵橋和平臺(tái)沿上部斜水孔和支墩壁架設(shè)在腔室內(nèi)。大壩內(nèi)部混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果列于表 1。

從表 1中可以看出,水泥用量為 265 kg/m3的標(biāo)號(hào)為 M 250的混凝土平均強(qiáng)度是所要求強(qiáng)度的1.8倍,這是根據(jù)超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論;而根據(jù)機(jī)械檢測(cè)數(shù)據(jù)得出的 Rm則是 RT值的1.82倍多。根據(jù)超聲波檢測(cè)儀和硬度計(jì)檢測(cè)數(shù)據(jù)得出的水泥用量為 240 kg/m3的標(biāo)號(hào)為 M250的混凝土強(qiáng)度,分別是 RT值的1.62倍和1.74倍。

根據(jù)采用超聲波檢測(cè)方法和機(jī)械檢測(cè)方法所獲取的資料數(shù)據(jù),可以確定,標(biāo)號(hào)為 M 200的混凝土強(qiáng)度分別超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)值2.03倍和2.24倍。

2種標(biāo)號(hào)混凝土的均勻性都達(dá)到了要求:個(gè)別區(qū)段的變化系數(shù)沒(méi)有超過(guò) 20%,對(duì)于水工建筑物來(lái)說(shuō),屬于在允許范圍以內(nèi),而用超聲波檢測(cè)儀器檢測(cè)出的 Cv值小于 16%,硬度計(jì)檢測(cè)出的小于 15%。

表1 大壩內(nèi)部混凝土強(qiáng)度

早在大壩施工期間,基洛夫建筑安裝局建筑施工實(shí)驗(yàn)室就對(duì)混凝土質(zhì)量做了全面系統(tǒng)的監(jiān)測(cè),其監(jiān)測(cè)所用試件全部按規(guī)定的配合比制作,測(cè)定混凝土強(qiáng)度的齡期為 28 d和 180 d。同時(shí),從壩體(支墩)取芯樣進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)180 d齡期的試件和350～400 d齡期的大壩芯樣采用機(jī)械方法進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

表2 試件與壩體芯樣的混凝土強(qiáng)度

從表 2中可以看出,根據(jù) 2組試件的檢測(cè)結(jié)果,混凝土具有良好的均勻性,大壩芯樣所具有的均勻性同樣不可否認(rèn)。從大壩芯樣中得出的變化系數(shù)較大,這說(shuō)明取樣直徑不足(130 mm),因?yàn)楣橇狭揭堰_(dá) 80mm,而且取樣用的是波別基特硬質(zhì)合金鉆頭,而不是金剛石鉆頭。

列于表 2的是 M 250標(biāo)號(hào)混凝土的試驗(yàn)結(jié)果,其水泥用量為兩種,即 240 kg/m3和 265 kg/m3。對(duì)混凝土試件組(105個(gè))進(jìn)行了試驗(yàn)比較,結(jié)果表明,水泥用量為 240 kg/m3,齡期為 180 d的混凝土的平均強(qiáng)度減少了 9%。超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,在 30 a齡期組中,這一比值為4.5%,而硬度計(jì)檢測(cè)數(shù)據(jù)則顯示為1.3%。

1973～1975年,在基洛夫大壩施工期間,西伯利亞水利技術(shù)科學(xué)研究所使用超聲波儀器對(duì)混凝土強(qiáng)度做過(guò)檢測(cè)評(píng)估。在澆筑 M200和 M250標(biāo)號(hào)混凝土的 5～8號(hào)壩段,總共對(duì)大約 1 100個(gè)區(qū)段進(jìn)行了觀測(cè)。在觀測(cè)期間,混凝土齡期為 30～605 d。觀測(cè)結(jié)果表明,變化系數(shù)為 15%～31%的情況下,這些壩段中的混凝土平均強(qiáng)度超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1.2～1.6倍,同時(shí),對(duì)于早齡期的混凝土來(lái)說(shuō),主要特點(diǎn)是具有較大的不均勻性。表 3列出了在良好的溫度、濕度條件下,經(jīng)過(guò) 30 a運(yùn)行之后,兩種標(biāo)號(hào)混凝土強(qiáng)度的變化情況。

從表 3可以看出,根據(jù)超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行的分析,大壩在 30 a的運(yùn)行期間,其內(nèi)部區(qū)域的 2種標(biāo)號(hào)的混凝土強(qiáng)度提高了 30%以上。

2 大壩外部混凝土

對(duì)大壩上、下游面采用相同的方式進(jìn)行儀器檢測(cè):每個(gè)壩段從中心到邊緣分成 3個(gè)面積為1.5～2 m2的區(qū)域來(lái)檢測(cè)混凝土強(qiáng)度。在每個(gè)區(qū)域用超聲波儀器檢測(cè) 15個(gè)區(qū)段,用硬度儀檢測(cè) 8個(gè)區(qū)段。

圖2 大壩縱剖面

表3 大壩內(nèi)部混凝土強(qiáng)度變化情況

大壩上游面從 3號(hào)壩段到 10號(hào)壩段的混凝土強(qiáng)度檢測(cè),是在858.5m水位處借助于劃艇完成的,其余部位的檢測(cè)是沿側(cè)壁的斜坡進(jìn)行的?；炷翉?qiáng)度檢測(cè)結(jié)果列于表 4。

表4 大壩上游面混凝土強(qiáng)度

從表 4中可以看出:

(1)根據(jù)超聲波方法和機(jī)械方法的檢測(cè)數(shù)據(jù)得出的上游面外部混凝土的平均強(qiáng)度分別為:在變化系數(shù) CV=13.5%的條件下,Rm=35.1 MPa;在變化系數(shù) CV=10.4%的條件下,Rm=36.0 MPa。分別超過(guò) 250號(hào)混凝土規(guī)定強(qiáng)度的1.58倍和1.65倍。

(2)根據(jù)超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)資料,相對(duì)于運(yùn)行了30 a的大壩內(nèi)部混凝土來(lái)說(shuō),上游面的外部混凝土的強(qiáng)度要低8.3%,而機(jī)械檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,其強(qiáng)度要低7.1%。

在下游面所進(jìn)行的混凝土強(qiáng)度檢測(cè),采用的是無(wú)損探傷檢測(cè)法。主要是沿大壩連接段的側(cè)壁,利用施工平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)。下游面混凝土強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果表明:

(1)根據(jù)超聲波方法檢測(cè)的數(shù)據(jù)資料得出的下游面上部混凝土的平均強(qiáng)度是標(biāo)號(hào)為 M200的混凝土必需具有強(qiáng)度的1.87倍;而硬度儀檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,混凝土強(qiáng)度超過(guò)其強(qiáng)度的2.12倍。相對(duì)于內(nèi)部混凝土強(qiáng)度,外部混凝土強(qiáng)度分別低了7.7%和4.7%。

(2)下游面底部澆筑的是標(biāo)號(hào)為 M250的混凝土,其水泥用量為 240 kg/m3,用兩種方法檢測(cè)出的混凝土平均強(qiáng)度是規(guī)定強(qiáng)度的1.66倍。相對(duì)于內(nèi)部混凝土強(qiáng)度來(lái)說(shuō),用超聲波方法和無(wú)損探傷方法檢測(cè)的混凝土強(qiáng)度分別低了3.4%和6.7%。

至于水泥用量為 265 kg/m3的 M 250混凝土,根據(jù)超聲波方法和機(jī)械方法檢測(cè)數(shù)據(jù)得出的平均強(qiáng)度分別是規(guī)定強(qiáng)度的1.81倍和1.72倍。

按照有關(guān)規(guī)定,采用無(wú)損探傷檢測(cè)法對(duì)各區(qū)段的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè),這樣不會(huì)在混凝土上造成縫隙、空洞等明顯缺陷。而且,在大壩斜坡面上已出現(xiàn)相當(dāng)多的空洞,這些空洞大多在靠近塊間縫的部位,尤其是底部,最多的是在下游面斜坡上?？斩吹纳疃炔幌嗤?有些部位深達(dá) 12～15 cm。空洞的出現(xiàn)與干硬性混凝土密實(shí)不夠有關(guān),混凝土在澆筑時(shí)是采用統(tǒng)一的澆筑方式,致使有些部位難以澆筑到。因此對(duì)于這些部位,澆筑的是細(xì)骨料混凝土或水泥砂漿。由于這些部位難以充分的密實(shí),經(jīng)過(guò)嚴(yán)寒的侵襲,強(qiáng)度自然會(huì)降低。目前,這些空洞區(qū)域的損壞基本上未對(duì)建筑物的運(yùn)行安全造成影響。

由于混凝土密實(shí)不充分而產(chǎn)生的空洞在壩體內(nèi)部也有,這種狀況對(duì)于大壩的上游面來(lái)說(shuō)尤為重要。早在 1975年秋季,在水庫(kù)首次蓄水時(shí),上部泄水孔壩段就是因?yàn)榛炷撩軐?shí)不夠而出現(xiàn)滲漏。當(dāng)時(shí)對(duì)上游面滲漏情況采取了混凝土加固措施,包括從壩頂?shù)缴嫌嗡谰钊肷百|(zhì)粘土,這樣才基本上控制住了大壩的滲漏?，F(xiàn)在,水位變化區(qū)域的上游面被薄薄的沖積層所覆蓋,滲水不是很嚴(yán)重,滲漏壩段的水泥析出也很少。進(jìn)行的超聲波檢測(cè)亦未發(fā)現(xiàn)滲漏區(qū)域的混凝土強(qiáng)度有降低減弱的情況。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)使用儀器對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了無(wú)損探傷檢測(cè),并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,基洛夫水庫(kù)大壩經(jīng)過(guò) 30 a的運(yùn)行,無(wú)論是大壩內(nèi)部的混凝土,還是外部的混凝土,其強(qiáng)度都超過(guò)了規(guī)定強(qiáng)度1.5倍。

(2)對(duì)運(yùn)行期間的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了觀測(cè),未發(fā)現(xiàn)任何缺陷,即沒(méi)有觀測(cè)到裂縫、混凝土空洞、某些壩段滑動(dòng)等情況。

(3)通過(guò)對(duì)獲得的觀測(cè)資料進(jìn)行分析,可以得出如下結(jié)論:無(wú)論是在設(shè)計(jì)方案、混凝土成分選配方面,還是在緊湊的工期(修建該壩總共只用了 4 a時(shí)間)方面,基洛夫水庫(kù)大壩均可堪稱為吉爾吉斯斯坦水利工程建設(shè)的典范。

芮淮豐 趙秋云 編譯自俄刊《水工建設(shè)》

2009年第 11期

TV 698.1

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1006-0081(2010)12-0013-04

2010-09-18