農村小水電建筑物破損狀況及修復技術研究

徐志丹，江 泉，蔡 新,2，郭興文

(1.河海大學力學與材料學院，南京 211100；2.河海大學水利水電學院，南京 210098)

農村小水電屬于非碳清潔環保能源，既不存在資源枯竭的問題，又不會對電站周圍的生態環境造成污染。開發農村小水電既能發展農村經濟，又能保護環境、促進節能減排，是中國實施可持續發展戰略中重要的組成部分[1]。我國小水電資源絕大部分分布在相對貧困人口比較密集的地區，這些地方地勢偏遠、環境惡劣，小水電資源的合理開發加快了農村電氣化的建設，推動了當地經濟社會的發展，提高了山區人民的生活水平。因地制宜地開發小水電資源，實現水力資源向電力資源的轉變，不僅對于農村地區的脫貧致富具有現實意義，而且對保護山區自然生態環境，促進農村社會、經濟、環境三方協調發展也有著十分重要的作用[2]。

然而，只要是水工建筑物都會受到水流的沖蝕、周圍環境的腐蝕，甚至人為因素的破壞，進而導致建筑物出現不同形式的破損[3]。目前，尚在運行的農村小水電基本修建于20世紀60年代到80年代，由于受到當時經濟和技術條件的限制，小水電建筑物整體結構質量未達到規范標準，后期運行管理水平也相對較低[4,5]。另一方面，出現病害的建筑物往往得不到及時有效的修補，最終造成了建筑物大面積破損，甚至損壞。其中引水建筑物不同于廠房、壓力管道等其他建筑物，其常年暴露在外部環境中運行，受到水流的沖刷、腐蝕，甚至山體碎石的撞擊。而且，小水電工程中的引水建筑物一般順勢挖建，具有走勢冗長、位置偏僻的特點，導致后期維護管理困難，從而積累了較多容易引發結構滲漏、垮塌的安全隱患[6]。在浙江省實地安全狀況調查的155座農村水電站中，其中78座電站引水建筑物出現不同程度的滲漏情況，13座電站引水渠道的襯砌表面老化嚴重，7座電站引水渠道個別地段出現坍塌情況。對于農村小水電而言，引水建筑物安全穩定的運行是電站取得發電效益的關鍵。如果引水建筑物發生滲漏、垮塌等安全事故，不僅會直接威脅到電站周邊地區人民的生命財產安全，而且受到山區自然環境的限制，建筑物修復加固的工期一般較長，從而影響了電站的正常發電，導致的間接經濟損失更為嚴重。

與大型水電站不同，在對小水電工程進行破損修復時，由于山區地勢條件的限制，以及后期維護資金的缺乏，大型的修復設備無法進入施工現場、復雜的施工工藝得不到實現、購買昂貴的修復材料也存在困難。因此，如何對農村小水電建筑物的破損進行有針對性的、快速有效的修補，是目前修補領域的一個重大課題，也是一項復雜的系統工程。本文通過現場調研，總結了小水電建筑物常見的破損類型，分析了破損形成的原因，并論述了相應的修復技術。

1 農村小水電建筑物常見的破損類型

我國農村小水電大部分建立在植被茂盛、地域偏遠、交通不便的農村山區，建筑物在這樣特殊的自然環境中運行，破損現象明顯。如電站廠房混凝土墻出現開裂，壓力前池的漿砌石擋墻出現勾縫脫落，混凝土壓力管道表面出現蜂窩、麻面，引水渠道出現滲漏、坍塌等，這些都是小水電工程中出現較為頻繁的破損現象。其中，引水建筑物由于長期受到水流的沖蝕、山體碎石的撞擊、周圍環境的腐蝕等，未老先衰的現象最為突出，破損形式也最為復雜。本文通過對農村小水電的現場調研，總結了引水建筑物主要存在的破損類型，并分析了不同破損形成的原因。

1.1 引水渡槽的破損

渡槽是水電站引水建筑物應用最為廣泛的交叉建筑物形式之一[7]，在農村小水電建設中更占有重要的地位。我國的小水電引水渡槽大部分修建于1960年代前后，許多工程已超過或接近設計使用年限，年久失修，損壞嚴重。由于渡槽工程結構復雜，形式多種多樣，加之小水電所處的山區環境復雜，其病害形式也各不相同。從宏觀表現形式上可以分為：槽身產生的裂縫、地基不均勻沉降引起的變形、槽身及進出口處的滲漏以及表層混凝土的剝蝕和內部鋼筋的銹蝕等。其中，表層混凝土的剝蝕是農村小水電渡槽老化最基本的形式，也是出現最為頻繁的病害形式。如圖1所示，隨著剝蝕程度的加重，引起表層混凝土裂縫的延伸，進而裂縫發展為凹坑、孔洞，造成內部鋼筋發生銹蝕，導致整個渡槽結構強度急劇降低。如果不及時采取有效措施進行修復，將會發生坍塌等安全事故。

圖1 農村小水電引水渡槽底部混凝土剝蝕現象Fig.1 Scaling phenomenon of concrete at the bottom of the aqueduct of the rural small hydropower station

造成此類現象的主要原因是：建設時期的設計理論不完善，設計假定太粗略，對水文、氣象及地震強度等情況缺乏深入調查，致使設計應力值偏低，導致混凝土保護層厚度及配筋尺寸偏小。其次，由于山區人力財力的缺乏，導致施工質量低于規范標準，加快了渡槽的老化。而且，山區地質、地形條件復雜，在后期運行過程中，渡槽容易受到水、氣、溫度、酸性介質侵蝕等影響，從而引起混凝土的碳化[8]。當碳化深度超過鋼筋的保護層厚度時，鋼筋會發生銹蝕，引起鋼筋體積的膨脹，使得混凝土保護層發生開裂。而混凝土保護層的開裂又加快了內部鋼筋的銹蝕，最終造成了混凝土保護層發生大面積剝蝕的現象，使得構件截面有效面積減小，鋼筋與混凝土直接的黏接性能退化，進而導致整個結構承載力下降。這類破損情況頻繁地出現在引水渡槽中，也是小水電工程缺乏先進的設計理念、施工工藝，缺少規范的后期管理這些特點所決定的。

1.2 漿砌石渠道的破損

漿砌石結構的渠道是農村小水電樞紐中最為常見的輸水、泄水建筑物。在浙江省小水電工程中，漿砌石結構的渠道約占71.71%，高于其他結構形式的渠道。滲漏是漿砌石渠道破損最為普遍的表現形式。渠道除了會由于水流沖蝕、基礎不均勻沉降、凍脹變形等引起滲漏以外，渠水中含有的碎砂、碎石會隨著水流的流動撞擊渠道表面，這是造成渠道滲漏的主要原因。因此，針對小水電漿砌石渠道的運行環境，分析渠道滲漏的原因，研究相應的修復技術是非常必要的。

建于山區中的漿砌石渠道一般都是順勢挖溝而建，具有走勢不規則、彎道多的特點，渠道內側會有雜草、青苔附著于表面，外側植被也比較茂盛，如圖2所示。夏季時，在靠近農田的渠段發生滲漏，會導致渠道兩側的農田有局部內澇的現象，而且地邊的溝坎中會有滲水流出，這直接導致農田種植面積減少，影響農民莊稼收成。

圖2 農村小水電漿砌石引水渠道滲漏現象Fig.2 Leakage phenomenon of slurry masonry channel of the rural small hydropower station

在建設時期，由于各方面條件的限制，造成渠道自身結構設計和施工質量存在問題，這是漿砌石渠道滲漏的根本原因。例如：砌筑砂漿標號低、坐漿不飽滿、砂漿插搗不密實、勾縫技術達不到標準質量要求、養護不到位等，直接導致建成后的砌體穩定性、抗凍性、耐磨性、防滲性能以及抗鹽、堿腐蝕性較差。在后期運行時，渠道受到水流沖蝕、磨損，以及碎砂、碎石的撞擊，引起混凝土勾縫脫落，進而導致砌石損壞、脫落、鼓脹現象的發生。若不及時采取修復措施，渠水將會沿施工接縫、止水縫、伸縮縫以及脫落的混凝土勾縫等向外滲漏[9]。另外，如果是填方渠段，渠道滲水將會帶走填土中的黏性細顆粒，形成滲流通道，最終發生坍塌等安全事故。

1.3 土渠的破損

土渠是小水電工程中常用的引水建筑物之一。雖然土渠的防滲效果相比于漿砌石渠道較低，但是土渠的建造更為方便快捷，而且經濟成本也比較低。在一些水資源豐富，但是經濟相對落后的地區，輸水建筑物常采用土渠與漿砌石渠道相結合的方式。

農村小水電工程中的土渠大多數是用膨脹土修建的。膨脹土是一種高塑性黏土，承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮、反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發育等特性[10]。膨脹土渠的破壞類型主要有：淺表性蠕動變形破壞、受結構面控制的較深層或深層滑動破壞、坡腳軟化引起的坍滑型破壞。其中，小水電土渠發生的破損以坍滑型破壞為主，這是因為土體長期裸露于復雜的山區自然環境中，極易發生干濕循環，地表水浸泡，以及降水入滲或地表水(包括渠水)的入滲。一方面，入滲水不但會軟化結構面，引起結構面端部的應力集中[11]，還會在后緣拉裂面直接產生靜水推力。另一方面，由于膨脹土力學強度會隨著含水量的升高急劇下降，被入滲水長時間浸泡后的膨脹土強度幾乎喪失殆盡，最終導致土渠邊坡極易產生坍滑型破壞。這類破壞沒有明顯的滑移面，邊界不規則，一般表現為坡腳因浸泡而喪失強度，然后其上部的土體因失去支撐進而產生拉裂下挫。

2 農村小水電建筑物破損修復技術

不同于大型水電站，農村小水電具有自身的特殊性，其大部分建立在地勢偏遠的農村山區，并且電站效益遠不及大型水電站。所以，在對小水電建筑物進行破損修復時，不能完全依照大型水電站的修復技術。首先，由于山區地勢條件的限制，大型水電站使用的修復設備體積較大，運輸操作復雜，通常不能在小水電破損修復工程中使用。其次，在后期維護管理方面，小水電缺乏資金投入，受到經濟條件、人力物力等方面的限制。因此，小水電建筑物的破損修復應盡可能地滿足施工方便，工程造價低的修復原則。另外，在修復施工時，必須注意對山區自然生態環境的保護，不能在施工過程中對周圍環境造成污染。下面針對小水電引水建筑物常見的破損類型，給出了有針對性的修復技術，這些破損修復技術同樣適用于其他建筑物類似破損情況的修復。

2.1 鋼筋銹蝕引起混凝土剝蝕的修復

此類破損主要發生在水工鋼筋混凝土結構中，尤其是一些混凝土保護層較薄的結構，如引水渡槽。在對此類病害進行修復之前，應該對渡槽結構的整體安全可靠度作出評估。如果鋼筋銹蝕程度嚴重，已經不能保證結構安全穩定的運行，就必須對銹蝕嚴重的鋼筋進行加固處理后[12]，才能進行剝蝕混凝土的修復。

剝蝕混凝土的修復一般包含如下幾個基本步驟：①對剝蝕的混凝土進行清除，包括已經炭化或氯離子含量超過臨界值的混凝土；②對銹蝕嚴重的鋼筋進行更換或補焊，保證加固后的鋼筋滿足強度要求；③進行鋼筋和老混凝土表面的清洗，并在鋼筋表面涂抹防銹劑；④澆筑新的混凝土保護層，保護層厚度要達到規范要求。另外，為了使修補體與老混凝土能夠牢固結合、整體工作、共同承載，澆筑修補體時最好涂刷一層高強水泥砂漿，這是一種高黏結性界面處理劑[13]，而且經濟成本較低。

2.2 漿砌石渠道滲漏水的修復

對農村小水電漿砌石渠道的破損修復，若采用大型水電站渠道的修復方案進行施工，就會存在工作量大、費用高、施工難度大、工藝復雜、工期長等問題。因此，對于不影響渠道整體穩定性和防滲效果的小型裂縫來說，為了達到施工方便、節約成本的目的，一般采用直接涂抹水泥砂漿的方式進行修補。如果開裂處位于水下，則可采用快凝水泥砂漿進行涂抹，這樣的修補方法快捷、有效，往往一個人就可以完成，不用耗費大量的人力物力，符合小水電工程的破損修復原則。但如果渠道的滲漏嚴重，影響了渠道整體防滲效果，那就必須進行基礎加固處理。小水電渠道的基礎處理一般有兩種：①對渠底起伏較大，排水不暢，渠底板凹凸不平，大面積積水的渠段，需要將原漿砌石拆除，更換新的漿砌石塊；②對基礎面松散，襯砌結構易產生變形的濕陷性土層，需進行翻夯和灰土墊層處理，加強防滲襯砌，并鋪設砂礫石墊層。

一般來說，漿砌石渠道的破損在不影響電站基本運行的條件下，考慮到山區施工不便、經濟條件有限的情況，對破損部位進行基本處理，更換漿砌石塊后，就可以繼續運行使用。但如果漿砌石結構破損嚴重，整個渠道存在坍塌的安全隱患，就不能這樣簡單的進行處理，這種情況可以采用現澆素混凝土套襯技術進行加固修復。

現澆素混凝土套襯的修復步驟一般包括：①漿砌石基面清理。包括對原漿砌石襯砌面以及渠底長期形成的淤積(石料表面的泥、水土、殘留的水泥漿等)進行清理，然后拆除鼓脹、脫落的勾縫混凝土，并用清水沖洗附著在勾縫處的塵土和其他雜物；②模具安裝。施工前根據混凝土需要澆筑的厚度，確定鋼模板立模位置，利用鋼架進行模板的支撐固定。其中，安裝時要求使用的鋼模板單塊面積小、重量輕、安裝簡易，人工即可進行模板的支撐固定工作；③混凝土制備和運輸。由于山區現場施工環境特殊，不能采用混凝土泵車進行澆筑，而是在需要防滲加固的渠段旁用小型攪拌機進行混凝土的拌和，然后采用手推車進行混凝土的運輸；④澆筑。按從下至上的順序進行素混凝土的澆筑，混凝土坍落度控制在5～7 cm，采用振搗棒進行振搗，澆筑深度達40 cm時，先用振搗棒自下而上振搗一遍，再進行澆筑，如此反復進行，直至澆筑結束；⑤伸縮縫和排水孔。為了節省工程造價，用木板在沿渠道方向上每隔6 m設置伸縮縫一道，在渠道內邊坡底部，每隔5 m用塑料膠管設置排水孔一個；⑥養護。在12 h內對澆筑后的混凝土進行澆水，澆水次數應能保持混凝土有足夠的潤濕狀態，養護期一般不少于7個晝夜。

采用現澆素混凝土的方法對渠道進行防滲加固，工藝簡單、節省工期、節約投資、克服了山區勞動力匱乏、施工條件惡劣等因素，既能保持原渠道的穩定結構不受破壞，又能保證修復加固后的渠道能夠達到安全運行標準。

2.3 土渠坍塌型破壞的修復

大型土渠采用的土工膜防滲修復技術，造價高、施工工藝復雜，不適用于小水電土渠的破損修復。為了滿足修復工藝簡單、經濟實用的原則，對小水電土渠坍塌型破壞的修復通常采用換填處理。換填材料一般與膨脹土力學性質和滲透性相近的非膨脹性黏性土或改性處理后的膨脹土[11,14]。換填后，可減少膨脹土與外界的水分交換，使土體含水量始終處于一個基本穩定值，從而限制淺表土體的反復脹縮作用，防止外部水滲入土體裂隙，進而避免了膨脹土力學強度的下降，可以有效地防止坍滑型破壞的發生。

另外，采用的非膨脹性黏性土和改性處理后的膨脹土均具有較好的變形協調性，不會阻礙毛細水的運動，不會在處理界面引起含水量升高。而且，換填材料成本低，施工方便快捷，施工后也不會對土渠周圍環境造成污染，既達到了修復加固的目的，又保護了山區生態環境，符合農村小水電的破損修復原則。

3 結 語

農村小水電作為一種清潔的可再生能源，長期以來，得到國家的積極扶持和開發。經過若干年的運行，建筑物普遍存在老化失修、水能損失嚴重、安全隱患較多等問題。為保障小水電工程安全穩定的運行，本文通過現場調研和總結分析，得出以下幾點結論與建議。

(1)對農村小水電破損建筑物進行系統性的分析，總結破損類型，研究破損原因，并提出有針對性的修復措施。這不僅能消除破損建筑物存在的安全隱患，保障周邊人民生命財產安全，又能提高發電效益。這對我國農村小水電資源的合理開發利用具有重要的實際意義。

(2)本文結合農村小水電工程的特殊性，以保證建筑物安全穩定的運行為目的，提出了有針對性的、施工方便快捷的，并且施工工期短、工程投資低、綠色環保的修復技術。提出的修復技術不僅適用于引水建筑物的破損修復，也可用于其他建筑物類似破損情況的修復。

(3)目前，對農村小水電建筑物的破損修復尚沒有一套完整的施工規范，也缺乏專門的施工設備。今后應針對小水電工程的特殊性，進行新材料、新工藝、新技術方面的研究，開發更適合小水電建筑物破損快速修復的實用技術。

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