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微創技術為大壩“療傷”

 發明全球首臺“超磁致伸縮”聲波發射換能器,研制出世界第一臺“相控陣探地”雷達,首次提出以憎水性為主兼具親水性的化學灌漿材料設計理念,實現材料可操作時間在2至106小時范圍內精確可調,解決低滲性不良地質體中難以有效滲透以及在有壓力水條件下難以有效固結的國際性技術難題,攻克了孔深達100米以上、水頭高達150米至200米以及涌水條件下不良地質體難以有效處理的技術難題……

經過20多年持續攻關,長科院聯合國內多家科研單位成功破解了“水工深部不良地質體和混凝土缺陷無損診斷、處理與評價”這一世界級難題。

挑戰“深藏不露”世界難題

三峽工程——世界第一大水電工程,壩高185米。

丹江口大壩加高工程——國內最大水利樞紐擴建工程,丹江口大壩加高完成后,丹江口大壩的壩頂高增至176.6米。

溪洛渡水電站——國內第三高拱壩,壩高285.5米。

……

一座座規模超大、地質條件極其復雜的大型水電站建成,標志著我國水利水電工程建設技術躋身國際先進行列。與此同時,如何才能在不破壞結構的前提下準確檢測這些混凝土結構工程的內部缺陷并進行有效修補處理,也成為困擾我國乃至全球水利科研人員的世界級難題。

由于常規的水工物控技術無法準確診斷探測水利工程深部不良地質體和混凝土缺陷,普通水泥或細水泥灌漿難以達到水利工程深部不良地質體和混凝土缺陷預期處理效果,加之低滲性不良地質體和混凝土微細裂縫浸潤能力差,普通化學灌漿材料在涌水乃至高壓動水環境下不能有效固化且環保性不佳,灌漿過程難以控制等問題,實現在不破壞結構的前提下準確檢測混凝土結構工程的內部缺陷并進行有效修補處理困難重重。

然而,得不到科學診斷和有效處理的不良地質體和混凝土缺陷,會引起水工建筑物的失穩與破壞,嚴重影響工程運行安全和服役壽命。一直以來,工程界都渴望使用精湛的“微創手術”為大壩療傷。

自上世紀起,長科院即聯合國內多家科研機構,以三峽工程等國家重大水利水電工程建設需求為導向,歷時20多年,圍繞深部不良地質體與混凝土缺陷無損檢測、綠色處理與效果評價等三方面的關鍵技術,進行持續的創新與實踐。尤其以長科院副院長汪在芹博士為首的新材料創新研發團隊,以解決三峽斷層破碎帶加固防滲等為契機,在長江委老一輩科技工作者多年研究的基礎上,通過材料配方設計、室內模擬實驗、性能分析、大規模現場試驗及工程應用,在水工建筑物不良地質體防滲加固處理新材料與技術研究等方面取得重大創新和突破。研制的CW系水工防滲加固新材料及配套技術,解決了傳統防滲加固材料與技術在浸潤滲透性、水下固化等方面存在技術瓶頸,成果達到國際領先水平。

自主創新突破技術瓶頸

11月1日,在丹江口大壩缺陷檢查及處理項目現場,隨著粗約168毫米灌漿塞的勻速動作,CW系灌漿材料被緩緩注入管路。通過預先安裝在灌漿塞上的微型攝像頭,在一旁的監視器屏幕上,記者清楚地看到,在幾十米深的孔中,灌漿材料已深入浸透至孔內周圍的多個裂隙中,任何一條細微的裂隙都沒有放過。

據該項目負責人,長科院科創公司副董事長兼總經理李珍教高介紹,經過20多年的聯合攻關,我國科研人員取得了物探檢測及缺陷處理技術領域內的新材料、新產品和新工藝等一系列原創性科研成果,針對水利工程深部不良地質體和混凝土缺陷無損診斷與處理,形成了缺陷診斷--處理--效果評價成套新技術和系統解決方案。

針對水工不良地質體和混凝土缺陷“無法測、測不準”的問題,科研人員發明的“超磁致伸縮”聲波發射換能器、“相控陣探地”雷達等系列物探無損檢測新裝備和新方法,形成了大跨度、大埋深的聲波、雷達探測等新技術,聲波探測距離提高10倍,鉆孔量減少90%,雷達有效透地耦合電磁波能量提高30倍,抗干擾和分辨能力顯著增強,實現了對缺陷空間分布和性狀的有效探測。

由長科院科研人員自主創新形成的“復雜條件下水利水電工程缺陷處理技術體系”,實現了大埋深、高水頭(≥200米)條件下低滲性不良地質體和混凝土深層缺陷(微米級)的有效處理。其中,水下環氧樹脂灌漿材料浸潤滲透性強、環保無毒且耐久性優異,攻克了低滲性不良地質體和寬度微米級的混凝土微細裂隙難以有效浸潤滲透和有水環境下難以有效固結的技術難題;缺陷處理精細控制技術則實現了材料膠凝時間在2小時到106小時大范圍精確可調;水泥--化學復合灌漿精細控制技術則實現了材料粘度、膠凝時間和灌漿壓力等多參數的聯合調節。

針對深部缺陷處理效果難以科學評價的難題,發明了渾水多孔徑鉆孔電視成像可視化增強新技術,首次建立了三峽工程主體建筑物基礎固結灌漿評定標準,實現了處理效果的多維大尺度定量評價。

“水工深部不良地質體和混凝土缺陷診斷、處理與評價新技術”形成了缺陷診斷——處理——效果評價成套新技術和系統解決方案,突破了國內外現有技術對不良地質體和混凝土缺陷“難以準確診斷、難以有效處理、難以科學評價”的瓶頸,成果整體達到國際領先水平。

綜合效益疊加輻射海外

依托國家863計劃項目、科技部國際科技合作項目以及水利部“948”計劃創新與轉化項目,在歷經三峽工程、南水北調中線水源工程、金沙江向家壩水電站、金沙江溪洛渡水電站等大中型水利水電工程的具體實踐后,我國大中型水利水電工程建設中工程地質體和混凝土缺陷無損檢測與處理重大技術取得突破性進展。

在長江三峽工程中,科研人員運用該技術,全面科學的檢測排查了長江三峽工程壩基斷層破碎帶和混凝土缺陷問題,取得了良好的防滲補強加固處理效果,并成功解決了化學灌漿103米深孔灌漿的世界難題。設計單位高度評價“對三峽工程地質和混凝土缺陷問題起到全面科學的檢測排查和良好的防滲補強加固處理效果,確保了三峽工程建設質量和長期安全運行。”

在溪洛渡水電站,科研人員使用高性能環氧類灌漿材料和控制性復合灌漿技術,系統解決了溪洛渡水電站在高水頭作用下壩基玄武巖層間層內錯動帶的補強防滲問題。

在向家壩水電站,三峽集團總工程師張超然院士評價“以CW環氧樹脂灌漿材料為核心的水泥——化學復合灌漿技術對改善壩基不良地質體強度和抗滲性能有較好效果。”

在丹江口大壩,一系列行之有效的工作,成功解決了裂縫、新老混凝土結合和老化問題,保證了大壩加高工程混凝土整體質量,保障了大壩加高后的安全運行,取得了顯著社會經濟效益。

近年來,“水工深部不良地質體和混凝土缺陷無損診斷與處理”項目獲湖北省技術發明獎等省部級一等獎3項,授權國家知識產權27項,其中發明專利12項、實用新型專利13項、軟件著作權2項,專利技術轉化形成“CW”品牌并注冊商標,其中6項新產品列入全國水利系統優秀產品目錄,5項新技術獲水利部先進實用技術推廣證書,制定國家、行業和企業標準9部,引領了我國水工物探和化學灌漿行業技術進步……

顯著的社會效益與經濟效益更帶來了巨大的推廣效益。據統計,“水工深部不良地質體和混凝土缺陷診斷、處理與評價新技術”已在三峽工程、丹江口大壩加高工程、向家壩水電站、小灣水電站、蘇丹上阿特巴拉水利樞紐、非洲FAN水電站,以及新加坡隧道等80余個國內外大中型水利水電、交通、市政等領域得到成功應用。

文章作者:楊珺 賈海責任編輯:賈茜
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