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人民长江报:微创技术为大坝“疗伤”——长江科学院和长江设计院联合攻克世界级“水工深部不良地质体和混凝土缺陷无损诊断、处理与评价”难题

本报记者 杨珺 特约记者 贾海
  发明全球首台“超磁致伸缩”声波发射换能器,研制出世界第一台“相控阵探地”雷达,首次提出以憎水性为主兼具亲水性的化学灌浆材料设计理念,实现材料可操作时间在2至106小时范围内精确可调,解决低渗性不良地质体中难以有效渗透以及在有压力水条件下难以有效固结的国际性技术难题,攻克了孔深达100米以上、水头高达150米至200米以及涌水条件下不良地质体难以有效处理的技术难题……
    经过20多年持续攻关,长科院联合国内多家科研单位成功破解了“水工深部不良地质体和混凝土缺陷无损诊断、处理与评价”这一世界级难题。
 
挑战“深藏不露”的世界难题
 
    三峡工程——世界第一大水电工程,坝高185米。
    丹江口大坝加高工程——国内最大水利枢纽扩建工程,丹江口大坝加高完成后,丹江口大坝的坝顶高增至176.6米。
    溪洛渡水电站——国内第三高拱坝,坝高285.5米。
    ……
    一座座规模超大、地质条件极其复杂的大型水电站建成,标志着我国水利水电工程建设技术跻身国际先进行列。与此同时,如何才能在不破坏结构的前提下准确检测这些混凝土结构工程的内部缺陷并进行有效修补处理,也成为困扰我国乃至全球水利科研人员的世界级难题——
    工作跨度要求大、埋藏深而无法实施,常规的水工物控技术无法准确诊断探测不良地质体和混凝土缺陷。
    埋深大、开挖置换困难,普通水泥或细水泥灌浆难以达到预期处理效果。
    低渗性不良地质体和混凝土微细裂缝浸润能力差,普通化学灌浆材料在涌水乃至高压动水环境下不能有效固化且环保性不佳,灌浆过程难以控制。
缺少评价方法,处理效果难以科学评价。
    ……
    得不到科学诊断和有效处理的不良地质体和混凝土缺陷,会引起水工建筑物的失稳与破坏,严重影响工程运行安全和服役寿命。工程界渴望精湛的“微创手术”为大坝疗伤。
    自上世纪起,长江科学院和长江设计院以三峡工程等国家重大水利水电工程建设需求为导向,历时20多年,围绕深部不良地质体与混凝土缺陷无损检测、绿色处理与效果评价等三方面的关键技术,进行持续的创新与实践。
  尤其以长科院副院长汪在芹博士为首的新材料创新研发团队,以解决三峡断层破碎带加固防渗等为契机,在长江委老一辈科技工作者多年研究的基础上,通过材料配方设计、室内模拟实验、性能分析、大规模现场试验及工程应用,在水工建筑物不良地质体防渗加固处理新材料与技术研究等方面取得重大创新和突破。研制的CW系水工防渗加固新材料及配套技术,解决了传统防渗加固材料与技术在浸润渗透性、水下固化等方面存在技术瓶颈,成果达到国际领先水平。

自主创新以领先水平突破瓶颈
   
    在丹江口大坝缺陷检查及处理项目现场,随着粗约168毫米灌浆塞的匀速动作,CW系灌浆材料被缓缓注入管路。通过预先安装在灌浆塞上的微型摄像头,在一旁的监视器屏幕上,记者清楚地看到,在几十米深的孔中,灌浆材料已深入浸透至孔内周围的多个裂隙中,任何一条细微的裂隙都没有放过。
    据该项目负责人,长科院科创公司副董事长兼总经理李珍教高介绍,经过20多年的联合攻关,我国科研人员取得了物探检测及缺陷处理技术领域内的新材料、新产品和新工艺等一系列原创性科研成果,针对水利工程深部不良地质体和混凝土缺陷无损诊断与处理,形成了缺陷诊断--处理--效果评价成套新技术和系统解决方案。
    针对水工不良地质体和混凝土缺陷“无法测、测不准”的问题,科研人员发明的“超磁致伸缩”声波发射换能器、“相控阵探地”雷达等系列物探无损检测新装备和新方法,形成了大跨度、大埋深的声波、雷达探测等新技术,声波探测距离提高10倍,钻孔量减少90%,雷达有效透地耦合电磁波能量提高30倍,抗干扰和分辨能力显著增强,实现了对缺陷空间分布和性状的有效探测。
    由长科院科研人员自主创新形成的“复杂条件下水利水电工程缺陷处理技术体系”,实现了大埋深、高水头(≥200米)条件下低渗性不良地质体和混凝土深层缺陷(微米级)的有效处理。其中,水下环氧树脂灌浆材料浸润渗透性强、环保无毒且耐久性优异,攻克了低渗性不良地质体和宽度微米级的混凝土微细裂隙难以有效浸润渗透和有水环境下难以有效固结的技术难题;缺陷处理精细控制技术则实现了材料胶凝时间在2小时到106小时大范围精确可调;水泥--化学复合灌浆精细控制技术则实现了材料粘度、胶凝时间和灌浆压力等多参数的联合调节。
    针对深部缺陷处理效果难以科学评价的难题,发明了浑水多孔径钻孔电视成像可视化增强新技术,首次建立了三峡工程主体建筑物基础固结灌浆评定标准,实现了处理效果的多维大尺度定量评价。
    “水工深部不良地质体和混凝土缺陷诊断、处理与评价新技术”形成了缺陷诊断——处理——效果评价成套新技术和系统解决方案,突破了国内外现有技术对不良地质体和混凝土缺陷“难以准确诊断、难以有效处理、难以科学评价”的瓶颈,成果整体达到国际领先水平。
 
社会经济效益双赢辐射海外
 
    依托国家863计划项目、科技部国际科技合作项目以及水利部“948”计划创新与转化项目,在历经三峡工程、南水北调中线水源工程、金沙江向家坝水电站、金沙江溪洛渡水电站等大中型水利水电工程的具体实践后,我国大中型水利水电工程建设中工程地质体和混凝土缺陷无损检测与处理重大技术取得突破性进展。
    在长江三峡工程中,科研人员运用该技术,全面科学的检测排查了长江三峡工程坝基断层破碎带和混凝土缺陷问题,取得了良好的防渗补强加固处理效果,并成功解决了化学灌浆103米深孔灌浆的世界难题。设计单位高度评价“对三峡工程地质和混凝土缺陷问题起到全面科学的检测排查和良好的防渗补强加固处理效果,确保了三峡工程建设质量和长期安全运行。”
    在溪洛渡水电站,科研人员使用高性能环氧类灌浆材料和控制性复合灌浆技术,系统解决了溪洛渡水电站在高水头作用下坝基玄武岩层间层内错动带的补强防渗问题。
    在向家坝水电站,三峡集团总工程师张超然院士评价“以CW环氧树脂灌浆材料为核心的水泥——化学复合灌浆技术对改善坝基不良地质体强度和抗渗性能有较好效果。”
    在丹江口大坝,一系列行之有效的工作,成功解决了裂缝、新老混凝土结合和老化问题,保证了大坝加高工程混凝土整体质量,保障了大坝加高后的安全运行,取得了显著社会经济效益。
    近年来,“水工深部不良地质体和混凝土缺陷无损诊断与处理”项目获湖北省技术发明奖等省部级一等奖3项,授权国家知识产权27项,其中发明专利12项、实用新型专利13项、软件著作权2项,专利技术转化形成“CW”品牌并注册商标,其中6项新产品列入全国水利系统优秀产品目录,5项新技术获水利部先进实用技术推广证书,制定国家、行业和企业标准9部,引领了我国水工物探和化学灌浆行业技术进步……
  显著的社会效益与经济效益更带来了巨大的推广效益。据统计,“水工深部不良地质体和混凝土缺陷诊断、处理与评价新技术”已在三峡工程、丹江口大坝加高工程、向家坝水电站、小湾水电站、苏丹上阿特巴拉水利枢纽、非洲FAN水电站,以及新加坡隧道等80余个国内外大中型水利水电、交通、市政等领域得到成功应用。

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