某電站底孔沖蝕破損修補工藝改進

沈定斌，江華貴，陸嘉斌

(國電大渡河流域水電開發有限公司檢修安裝分公司，四川樂山614900)

1 工程概況

龔嘴水電站布置有4個溢洪道、3個沖沙底孔，自投運至今已運行30多年，水工建筑物總體運行狀況良好。近15年完成了三項大的水工建筑物補強加固工程:一是1989年完成的消力塘整治工程，二是2004年4月和2008年4月完成的10號、15號底孔檢修門段修復工程，其余主要進行的是對3個沖沙底孔檢修門段后的正常維護檢修。從以往的檢查、檢修情況看，高速含沙水流對沖沙底孔、溢流面及下游消力塘及其周邊部位沖刷磨損嚴重。銅街子水電站布置有5個溢洪道、2個沖沙底孔，目前也已運行10多年，泥沙對水工建筑物的危害也初步顯現。

2 水工建筑物沖刷破壞現狀

2.1 龔嘴水電站沖沙底孔

(1)龔嘴水電站沖沙底孔檢修門段。

2004年，對10號底孔進水口采用浮體門成功封堵后檢測發現:總體上進口段底板、側墻和鋼襯左側破壞較右側嚴重，檢修門槽及其上游底板20mm厚襯砌鋼板已完全破壞，剩下的殘破鋼板厚度只有2～12mm左右;底板上的二期混凝土也遭破壞，底板混凝土大面積剝蝕厚度為2～12 cm，以底板進口弧段破壞最為嚴重，混凝土最大沖深約40cm，鋼筋外露并已斷損，呈匕首狀(圖1);鋼板下和檢修門底坎附近埋于混凝土中的槽鋼上半部已被沖蝕破壞，鋼板被沖掉后局部形成混凝土沖坑(圖2);檢修門槽上游左側墻面約3.3m以下局部出現深坑，沖坑深度超過40cm，檢修門槽上游側墻襯砌的20mm厚鋼板局部完全沖磨掉;右側墻面約2.2m以下混凝土明顯被沖蝕破壞，兩側墻均見鋼筋外露并局部破壞斷損;20mm厚的左側鋼襯只剩約2～12mm;底板上的環氧混凝土未見到任何殘留物。檢修門槽及其主軌及下游的側墻鋼襯板基本完好。

2008年，對15號底孔進水口采用浮體門成功封堵后檢測發現，其破壞情況與10號底孔類似。

圖1 10號底孔進水口反弧段破壞情況

(2)龔嘴水電站沖沙底孔檢修門下游。

圖2 10號底孔底板破壞情況

從歷年的檢修情況看，沖沙底孔主要是沖刷破壞。由于底孔流速高達27m/s左右且大渡河流域來沙硬度高，加之龔嘴水庫泥沙淤積嚴重、調節性能差、15號底孔結構布置設計上存在的缺陷、汛期底孔使用頻繁且底板和邊墻平整度較差，高速含沙水流沖刷磨損和空蝕相互促成和聯合作用造成底孔檢修門段下游過流面破壞嚴重，特別是邊墻墻面4m以下更為嚴重(圖3)，底板大面積混凝土被沖掉(含環氧混凝土)，局部還出現了較大的空洞、沖坑，襯砌鋼板上有大量的蜂窩麻面、沖槽，有的已被沖蝕破壞變得非常薄，甚至發生嚴重變形;工作門左右滑道剝蝕破壞也較為嚴重，曾發生過不銹鋼面板幾乎被完全沖刷掉的情況;工作門底坎已大量削減變薄。為此，自1982年開始，三個底孔對檢修門槽下游進行了修補，三年輪修一次，截至2010年，6號、10號、15號底孔分別進行了9次、8次、13次大規模檢修。

圖3 15號底孔側墻破壞情況

從近年來對底孔進行的檢修情況看，底孔沖刷破壞周期在縮短，如15號底孔在2004～2005年檢修期重新更換的左側部分滑道，在2005年11月中旬檢查中發現，該部分滑道不銹鋼面板已被沖出多處沖槽，局部已被沖穿，工作門底坎在上個檢修期還較為完好，僅局部被沖薄，而該次檢查時發現底孔中心線以左大部分已被沖薄，最薄處僅有2mm，局部已被沖穿。2006年4月，對10號底孔進行檢查時發現，工作門后2m范圍底板鋼筋被沖翻、左側墻大面積鋼筋外露，底板混凝土沖坑較深、范圍較大。分析認為:這與近3年汛期來水來沙較大有直接關系，足見泥沙對水工建筑物的危害在加劇。

2.2 銅街子水電站沖沙底孔檢修門下游

銅街子水電站底孔大修在2004年以前僅為檢查性的修理，對水工建筑物未曾進行過實質性修補。2004年6月，右底孔由于邊墻襯砌鋼襯與主軌間存在間隙，在高速水流磨損掉固定螺釘頭后，襯砌鋼板被掀起而撕裂破壞，影響閘門的正常啟閉，經過短期的緊急搶修恢復了正常運行。在2004～2005年檢修期檢查發現右底孔檢修門與工作門之間的底板混凝土破壞深度約為10cm，沖刷較為均勻，未見明顯的沖坑;工作門底坎下游鋼襯左邊緣有一塊整體被沖走，原鋼板焊縫已損壞，鋼板松動，局部鋼襯上有明顯的凹槽，有的地方已穿水;左右邊墻混凝土沖刷破壞較為輕微，表層砂漿及部分骨料被沖走。

2.3 成因分析

(1)從對歷年的來水來沙進行分析，一般是來水大，沙量也大，主汛期6～9月份的來沙量占全年來沙量的比例幾乎達85%以上。

(2)四川省地礦局地質調查隊試驗室作的一次河流懸沙中礦物鑒定分析試驗結果表明:庫區泥沙以石英、長石為主，其莫氏硬度(礦物硬度)分別為7和5。

(3)根據以前的泥沙分析成果，1993年懸移質在庫區河道完成了再造床，淤積物逐漸變粗，之后庫區河道進入推移質再造床階段，但懸移質粗顆粒繼續在壩前段落淤，洲面淤積物以懸移質中的粗沙和推移質為主。

從歷年淤積物粒徑中的d50或dmax統計成果看，隨著水庫運行年限的增加，粗沙向壩前推移，泥沙顆粒逐年增大。推移質在庫區的淤積以及向下游推移的發展雖然比較緩慢，但隨著水庫超期運用的延長，推移質在庫區的淤積和向壩前的推移速度將逐漸加快，粗沙過壩對機組和泄流設施造成的危害將日益加劇。

3 底孔修補新舊方案比較

3.1 原方案及其優缺點

針對沖沙底孔沖蝕破壞形式和初期檢修后的運行工況，在底孔體型、壩前水流及泥沙含量不能改變的前提下，并綜合考慮修補工程量、時間、資金及抗磨材料的實際運行情況等多種因素，逐步修訂并完善了一套底孔檢修門下游段檢修技術方案。

(1)對局部沖坑部位采用混凝土回填后鋼板襯砌。

施工流程:沖坑開挖→錨筋鉆孔與錨固→鋼筋網制作與安裝→基面處理→混凝土澆筑→鋼板制作與安裝→回填灌漿。

(2)對局部露筋部位采用普通環氧混凝土修補。

施工流程:基面處理→普通環氧混凝土澆筑。

(3)對凸凹不平部位采用普通環氧砂漿修補。

施工流程:基面處理→普通環氧砂漿。

按上述流程進行處理基本上可以維持底孔的正常運用。根據施工期及后期敷設的鋼襯運行情況看，其抗沖耐磨性能明顯高于高標號混凝土和普通環氧材料。

主要優、缺點為:

(1)大渡河流域泥沙對龔嘴、銅街子電站泄洪設施過流面沖刷破壞嚴重，每年檢修期均需投入大量的人力、物力、財力對其進行修補。

(2)采用大面積澆筑高標號混凝土或局部澆筑普通環氧砂漿的修補方法，其優點是較為經濟，但抗沖耐磨性較差，檢修周期短。

(3)采用鋼板襯砌修補方法，其優點是抗沖耐磨性較好，但費用較高。

(4)采用大面積澆筑高標號混凝土或局部澆筑普通環氧砂漿與鋼板襯砌方法，在檢修周期內能基本維持底孔的正常運行。但從近幾年的檢修情況看，鋼板襯砌不能大面積敷設(檢修門段除外)，一是檢修時間不夠，二是費用高。

3.2 改進方案及其優缺點

針對底孔檢修頻繁、每次檢修資金需求大以及近年來底孔沖刷破壞周期明顯縮短等特點，采用改性環氧砂漿材料于2007年汛前對8#溢洪門、6#底孔混凝土過流面進行了修補試驗。根據試驗效果，進一步調整了環氧砂漿材料配方，優化了施工工藝，混凝土過流面的抗沖耐磨特性較以前方案有顯著的提高，從而延緩了檢修周期，降低了檢修成本，緩和了分公司流域檢修點多面廣引起的人力資源緊張的局面。

(1)對底孔底板和側墻混凝土沖蝕破壞過流面視破損情況分別采用10cm、15cm、20cm、25 cm厚NE－Ⅱ型環氧砂漿抗沖磨層進行處理。

施工流程:混凝土基面處理→底層基液涂刷→環氧砂漿涂抹與壓光。

(2)對底孔混凝土過流面局部沖蝕露筋部位采用粗骨料環氧砂漿回填后，再用NE－Ⅱ型環氧砂漿抗沖磨層進行處理。

施工流程:混凝土基面處理→粗骨料環氧砂漿回填→底層基液涂刷→環氧砂漿涂抹與壓光。

(3)對底孔混凝土過流面局部沖坑部位采用C40混凝土回填后再用NE－Ⅱ型環氧砂漿抗沖磨層進行處理。

施工流程:沖坑開挖→樹脂錨桿鉆孔與錨固→鋼筋網制作與安裝→混凝土基面處理→底層基液涂刷→環氧砂漿涂抹與壓光。

主要優、缺點為:

(1)與傳統的環氧砂漿修補材料相比，其無毒無污染，施工簡便快捷。

(2)與混凝土的匹配性能良好，粘接性強，抗沖磨強度高。

(3)與原底孔3年一次的檢修周期相比，可延長2～3個檢修期。

(4)該材料更適宜大渡河流域電站水工建筑物混凝土過流面沖蝕破壞形態的修復。

(5)不適宜水下混凝土過流面沖蝕破損修補。

4 新施工方法及要求

4.1 環氧砂漿施工工藝

(1)環氧砂漿施工工藝流程見圖4。

(2)施工環境要求。

為更好的保證施工質量，常溫型NE－Ⅱ環氧砂漿施工環境溫度應在5℃以上，空氣濕度應小于70%，混凝土基面清潔干燥。當現場環境條件無法滿足上述要求時，可根據現場情況選用親水型、低溫型NE－Ⅱ環氧砂漿。

圖4 環氧砂漿施工工藝流程圖

(3)混凝土基面處理。

用噴砂機或電動角磨機清除混凝土基面的污染物、薄弱層、松散顆粒，直至混凝土表面外露新鮮、密實的骨料;再用鋼絲刷和高壓風清除其表面的砂粒、粉塵，待基面清理干凈后，對局部潮濕的基面還需進行干燥處理。干燥處理采用噴燈烘干或自然風干。

(4)底層基液的拌制與涂刷。

①底層基液的拌制。取底層基液A組份和B組份各一桶，將B組份倒入A組份桶內，用基液攪拌器攪拌2～3min，攪拌均勻后可供應用。

當因施工面積所限、整桶拌和將造成浪費時，可進行非整桶拌和，根據材料使用說明書按比例配制基液。

②底層基液涂刷前，應再次用高壓風清除混凝土基面的微量粉塵，以確?；旱恼辰Y強度。

③底層基液的涂刷?；喊柚坪?，用毛刷均勻地涂在基面上，要求基液刷得盡可能薄而均勻、不流淌、不漏刷?；喊柚茟F拌現用，以免因時間過長而影響涂刷質量，造成材料浪費和粘結質量降低。同時，還應堅持涂刷基液和涂抹環氧砂漿交叉進行的原則，以確保施工進度和施工質量。

(5)環氧砂漿的拌制和涂抹。

①環氧砂漿的拌制。

大面積施工時，每次拌和可為20～40kg。取環氧砂漿A組份倒入拌和機內，初拌1～2min，然后將環氧砂漿B組份再慢慢倒入拌和機，攪拌2～3min后，反轉拌和機葉片再攪拌3～5min，將其拌和至顏色均勻后即可施工使用。

小面積修補施工時，根據現場施工的具體情況，按環氧砂漿包裝桶內的使用說明書按比例拌和。

②涂抹環氧砂漿。

大面積施工時，將拌制好的環氧砂漿用抹刀按設計要求的厚度涂抹到已刷好基液的基面上，涂抹時盡可能同方向連續攤料，并注意銜接處壓實排氣，邊涂抹、邊壓實找平，表面提漿。涂層壓實提漿后，間隔1h左右再次抹光，表面不得有連接縫和下滑現象。

用于小面積混凝土表層修補時，要先將砂漿用力攤鋪壓實，然后用抹刀拍打出漿，對邊角接縫處要反復找平并反復壓實，消除縫茬。當進行厚層修補時，應視涂層厚度的大小分層施工，每次涂抹厚度不應超過3cm(當修補厚度大于3cm時，則應分層壓實)并注意銜接處壓實排氣，然后用電動抹刀反復震動壓實3～4遍，邊震動邊壓實、邊找平，表面提漿。涂層壓實提漿后，間隔1h左右，再次提漿、抹光、收面。

③修補塊邊界縫的處理。

各修補塊周邊的基液要求涂刷的均勻，無掛滴、無露白。環氧砂漿的涂抹要求仔細壓實，消除縫茬，保證修補區與未修補區的平順銜接。

④施工面養護。

施工面養護期為28d，自然養護即可，養護期間的環氧砂漿面應避免硬物撞擊、刮擦等。

(6)質量控制和檢測。

①施工質量控制。

a.基礎面處理控制:基面處理施工時，應特別注意對滲水區域的處理?；嫣幚斫Y束后，應經驗收合格后方可進行下道工序的施工。

b.涂層厚度控制:施工時應嚴格控制層厚，在倉面設立標準板尺。用鋼針插試法測定涂層厚度，對于不滿足設計要求的要及時解決和補救。

c.平整度控制:用2m直尺靠檢施工層面，各部位應滿足要求。施工期間要求不斷進行抽檢，發現問題及時采取補救措施，保證最終施工面滿足設計要求，并不得有接縫、麻面、下墜等異?，F象。

②施工質量檢測。

a.原材料檢測:施工期間應對到場的每批次原材料進行抗壓強度抽檢。

b.涂層厚度檢測:砂漿涂層厚度采用插針法檢測，每m2不少于3個測點。

c.粘結拉拔檢測:現場拉拔試驗采用進口專用拉拔儀進行。先用空心鉆垂直鉆透待檢環氧砂漿層至混凝土表層，形成孤立的受檢塊，直徑為5 cm。然后，用專用清洗劑或丙酮清洗受檢塊表面，并用高強粘合劑將直徑為5cm、厚2cm的鋁合金測頭粘于受檢塊上，24h后進行拉拔強度檢測。

4.2 粗骨料環氧砂漿施工工藝

(1)粗骨料環氧砂漿施工工藝流程見圖5。

圖5 粗骨料環氧砂漿施工工藝流程圖

(2)混凝土基面處理。

用電動切割機將修補區域邊界切割規整，再用人工手釬將混凝土基面的松動骨料鑿除，直至混凝土表面外露新鮮、密實的骨料;對于深度不足3cm的區域將其鑿至3cm。

基面處理后，用電動鋼絲刷清除混凝土基面上的污染物、薄弱層、松散顆粒;再用鋼絲刷和高壓風清除表面砂粒、粉塵，待基面清理干凈后，對局部潮濕的基面還需進行干燥處理，干燥處理采用噴燈烘干或自然風干。

(3)底層基液的拌制和涂刷。

①底層基液的拌制。

取底層基液A組份和B組份各一桶，將B組份倒入A組份桶內，用基液攪拌器攪拌2～3 min，攪拌均勻后可供使用。

當因施工面積所限、整桶拌和造成浪費時，可進行非整桶拌和，根據材料使用說明書按比例配制基液。

②底層基液涂刷前，應再次用高壓風清除混凝土基面的微量粉塵，以確?；旱恼辰Y強度。

③底層基液的涂刷。

基液拌制后，用毛刷均勻地涂在基面上，要求基液刷得盡可能薄而均勻、不流淌、不漏刷?；喊柚茟F拌現用，以免因時間過長而影響涂刷質量，造成材料浪費和粘結質量降低。

(4)粗骨料環氧砂漿的拌制和施工。

每次拌和重量可為20～40kg。取粗骨料環氧砂漿A組份倒入拌和機內，初拌1～2min，然后將粗骨料環氧砂漿B組份再慢慢倒入拌和機，攪拌2～3min后，反轉拌和機葉片再攪拌3～5 min，拌和均勻后即可使用。

將拌制好的粗骨料環氧砂漿攤鋪到已刷好基液的基面上，每次攤鋪厚度不應超過5cm(當設計厚度大于5cm時，則應分層壓實)并注意銜接處壓實排氣，然后用電動抹刀反復震動壓實3～4遍，邊震動、邊壓實、邊找平，表面提漿。涂層壓實提漿后，間隔1h左右再次提漿、抹光、收面。

(5)施工面養護。

施工面養護期為24h。養護期間的環氧混凝土面應避免硬物撞擊、刮擦及水浸等，待養護期結束后即可在表面涂抹環氧砂漿。

4.3 C40細石混凝土施工工藝

(1)基面的處理。

基面處理完成后，采用高壓水沖洗，清除干凈其表面的松動顆粒及浮塵。仔細檢查混凝土表面，對一些鑿毛不徹底的部位(如水垢、松動層等)采用人工鑿毛的方式清除干凈，直至外露新鮮、密實的混凝土。

混凝土澆筑前對基面應再次用高壓水沖洗并排凈積水，清洗后的基面在澆筑混凝土前應保持清潔，使基面處于飽和、面干狀態?；A面清理完畢經驗收后方可進行混凝土澆筑。

(2)混凝土拌制。

C40細石混凝土的拌和必須按照混凝土配料單進行配料?；炷恋母鹘M成材料均以重量計，水泥、粉煤灰、水、外加劑的衡量偏差不得超過±1%，骨料的衡量偏差不得超過±2%。采用0.25 m3強制式拌和機拌制混凝土，拌和時間不少于180s。

(3)混凝土運輸。

現場運輸水平方向以膠輪車為主，通過底板進入作業面現場。垂直運輸采用小型吊運設備將混凝土吊運至底板，混凝土運輸過程中應避免發生分離、漏漿和嚴重泌水。運輸時間不宜超過5min。因故障停歇過久、混凝土已初凝或已失去塑性時應作廢料處理。嚴格在運輸途中和卸料時加水。

(4)混凝土澆筑。

為增強新老混凝土的膠結能力，混凝土澆筑前，在已處于飽和、面干狀態的基面上涂刷一層J－Ⅱ界面劑，然后再鋪一層2cm厚的水泥砂漿，砂漿水灰比應與混凝土的澆筑強度相適應，鋪設施工工藝應保證混凝土與基面結合良好。

根據本工程施工特性，底板混凝土由內到外依次進行澆筑施工。澆筑混凝土時，嚴禁在倉內加水。如發現混凝土和易性較差，應采取加強振搗等措施，以保證質量。

混凝土澆筑先用鐵鍬等手工工具輔以鋼滾筒平倉，振搗采用插入式和平板式振搗器搗固。振搗時間以取得良好搗固效果并不發生分離為度。每一位置的振搗時間以混凝土不再顯著下沉、不出現氣泡并開始泛漿時為準。振搗器前后再次插入混凝土的間距應不超過振搗器有效半徑的1.5倍。對澆筑塊的第一層及兩罐混凝土卸料后的接觸處應加強平倉振搗，以防漏振。在前一批混凝土尚未按規范振搗之前，不得在其上面加新的混凝土。對某些特殊部位，如周邊接縫附近的混凝土的振搗應仔細謹慎，振搗器距接縫的距離不應小于振搗器有效半徑的1/2，混凝土的平整度使用預埋角鋼結合標尺控制。

(5)混凝土養護。

合理養護是預防硅粉混凝土產生裂縫的關鍵之一。為避免新澆混凝土出現表面干縮裂縫，在硅粉混凝土接近終凝時(終凝前)應及時采取混凝土表面噴霧或加蓋聚乙烯薄膜，保持混凝土表面的濕潤并降低水分蒸發的損失，以防止產生表面裂縫。48h后開始灑水養護直至設計齡期，整個養護過程中混凝土表面不得脫水(表面無發白現象)。為減少水分散失，養護過程中需使用塑料薄膜覆蓋。

(6)質量控制。

①基面處理質量控制

基面打毛沖洗后，質檢人員要仔細檢查基面有無松動顆粒(用風水槍沖洗，看有無顆粒沖掉)。仔細觀察有無塵污。澆筑前要檢查基面有無積水，刷界面劑前要用棉砂醮掉明水，使基面處于飽和、面干狀態。

②界面劑涂刷質量控制。

界面劑的配制必須在施工技術人員的監督下進行。界面劑涂刷后，質檢人員要檢查涂刷覆蓋的是否嚴密，不得有混凝土面外露，既使很微小的混凝土外露也要補刷。質檢人員要及時檢查界面劑是否失去粘性，對失去粘性的部位必須督促施工人員及時重新涂刷。

③澆筑厚度及表面高程控制。

對于底板損壞段，澆筑前由測量定出澆筑后的表面高程并在側墻面上畫出連續的高程線，預埋1根角鋼標尺，澆筑后檢查表面平整度是否滿足規范要求，如不滿足要求則應及時抹平，硬化后如發現平整度不滿足設計要求，對于高出的部分應用砂輪磨平，低處用環氧砂漿補平。

④養護及表面保護控制。

澆筑后，在混凝土接近終凝(灑水不損壞混凝土表面)時開始噴水霧養護，質檢人員每4h檢查一次，使混凝土表面在設計齡期一直處于濕潤狀態、新澆混凝土7d齡期內不得受硬物撞擊、掛擦。