高灘水電站溢流堰及消能工沖蝕成因與治理

李蓓 周衛(wèi)敏

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院長沙市410007）

1 工程概況

高灘水電站工程位于湖南省沅陵縣，為沅水一級支流酉水最末一級電站，上游距鳳灘水電站13.7 km，下距五強(qiáng)溪水電站112.4 km，是一個(gè)以發(fā)電為主的低水頭徑流式電站。壩址多年平均流量504 m3/s，水庫正常蓄水位為▽118.0 m，電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量57 MW，3臺貫流燈泡式機(jī)組。樞紐工程由溢流閘壩、廠房、左岸重力壩、右岸重力壩及斜面升船機(jī)等主要建筑物組成。溢流閘壩位于河床中央，共14孔，堰頂高程為▽108.5 m，孔口凈寬為14 m，閘墩厚2.0 m，閘門為14 m×10 m弧形鋼閘門。左側(cè)1#～5#孔為短護(hù)坦壩段，護(hù)坦面高程▽103.5 m，未端設(shè)一排梯形消力墩；中間6#、7#、8#三孔為深消力池壩段，消力池底高程▽101.6 m，池長25 m，池深2.5 m，池內(nèi)設(shè)一排梯形消力墩，消力池尾部設(shè)4 m長差動式尾坎，后接10 m長護(hù)坦，護(hù)坦底板高程▽103.0 m；右側(cè)9#～14#為高消力池壩段，消力池底高程▽103.5 m，池長18 m，池深2.5 m，池內(nèi)設(shè)一排梯形消力墩，消力池尾部設(shè)4.5 m長差動式尾坎，后接10 m長護(hù)坦，護(hù)坦底板頂高程▽104.5 m。按泄流調(diào)度程序，先開啟6#～8#孔Ⅰ區(qū)閘孔，再開啟9#～14#為區(qū)閘孔，最后開啟1#～5#Ⅲ區(qū)閘孔。

高灘水電站工程于1992年9月正式開工，1994年1#～8#溢流壩作為一期導(dǎo)流泄水建筑物開始泄流，1996年二期圍堰形成后，廠房利用圍堰擋水發(fā)電，1#～8#溢流壩承擔(dān)泄流運(yùn)行，二期工程9#～14#閘壩1998年1月投入運(yùn)行。

2 工程運(yùn)行及破壞簡況

工程于1996年首臺機(jī)組發(fā)電至今已運(yùn)行13年，其中1#～8#溢流閘壩運(yùn)行超過15年。1998年酉水流域遭遇特大洪水，當(dāng)年閘壩溢流時(shí)間達(dá)3 127 h，7月22日高灘入庫最大洪峰達(dá)到18 512 m3/s，超過50年一遇洪水的18 100 m3/s。當(dāng)年冬，對閘壩進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)6#～8#閘壩堰面和消力池、消力墩受到了明顯的磨蝕，消力池底出現(xiàn)兩個(gè)深達(dá)3 m多的壇狀磨蝕深坑。1999年春對受蝕堰面和沖坑采用硅粉混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。2001年鳳灘電站開始擴(kuò)機(jī)400 MW，總裝機(jī)達(dá)到800 MW；從2004年起，鳳灘電站運(yùn)行方式發(fā)生改變，調(diào)峰成為主要運(yùn)行方式，調(diào)峰時(shí)發(fā)電下放流量達(dá)1 100 m3/s，高灘電站3臺機(jī)組最大發(fā)電流量為780 m3/s，多余流量由閘壩泄至壩下，泄流狀況發(fā)生了明顯的改變。

歷經(jīng)多年運(yùn)行，至2008年秋對溢流閘壩檢查，高灘電站的溢流堰、消力池、消力墩又發(fā)生了程度不同的沖蝕損壞，局部沖蝕較嚴(yán)重。

（1）1#～5#壩段是泄洪調(diào)度的第Ⅲ區(qū)段，無消力池，為帶消力墩的護(hù)坦壩段，歷經(jīng)10余年的運(yùn)用，大部分混凝土表面被沖成蜂窩或麻面，沖蝕深度（10～100）mm，局部出現(xiàn)鋼筋裸露；部分伸縮縫填充物脫空，縫邊混凝土破損；消力墩正面、背面及側(cè)面均被沖蝕成蜂窩。

（2）6#～8#深消力池壩段，為泄洪調(diào)度第Ⅰ區(qū)段，1998年洪水后檢查，堰面及消力池沖蝕嚴(yán)重，1999年春作了修補(bǔ)，但由于工期短，只對消力池和8#孔右側(cè)堰面進(jìn)行了硅粉混凝土修補(bǔ)，其他堰面和護(hù)坦面層仍為原R200號混凝土。目前堰面及消力池磨損嚴(yán)重，堰面多處鋼筋出露，消力池普遍磨損深度為（10～50）mm，局部有（200～300）mm的深坑；消力墩正面、背面及側(cè)面均被沖成蜂窩。

（3）9#～14#淺消力池孔段，溢流面混凝土沖蝕受損較輕，但也已出現(xiàn)蜂窩麻面現(xiàn)象，且少量露筋；消力池前段混凝土狀況良好，但消力池尾坎及其下游的護(hù)坦均被沖刷成蜂窩，尾坎局部鋼筋裸露。

（4）1＃壩段左側(cè)導(dǎo)墻下部、5＃壩段右側(cè)導(dǎo)墻下部、6＃壩段左側(cè)導(dǎo)墻下部及8＃壩段右側(cè)導(dǎo)墻下部被沖刷形成蜂窩，沖刷深度（20～100）mm。

3 坡?lián)p原因分析

堰面、消力池、消力墩受損的基本原因有如下幾點(diǎn)：

（1）壩址位于河床砂礫石洲中段，壩上下游砂礫石河床面高程約為（107～108.5）m，基本與閘壩堰頂高程108.5 m持平，施工時(shí)雖然在上、下游圍堰內(nèi)做了清理，但數(shù)量有限。

（2）從鳳灘至高灘壩址13.7 km的河道均為峽谷型河床，而洪水流量很大，洪水時(shí)壩前平均行進(jìn)流速達(dá)（3.5～4.0）m/s，部分河段的平均流速達(dá)5 m/s以上，搬運(yùn)砂礫石的力量極強(qiáng)，河床內(nèi)的砂礫石主要為漂石，直徑大的可達(dá)40 cm，平均多在15 cm以上，但又不滿足抗沖流速，泄洪時(shí)大量砂礫及漂石過壩，對堰面、消力池和消力墩造成很大的沖擊、磨蝕。鳳灘水庫雖已建設(shè)30余年，但其為高壩挑流消能，壩下沖刷坑尚未穩(wěn)定，泄洪時(shí)對河床基巖的破壞力很大，不斷搬運(yùn)巖塊和大漂石，雖經(jīng)沿程滾磨，但至高灘壩前仍為大漂石，過壩時(shí)的沖、磨力甚大，這一天然特點(diǎn)難以改變。因此，高灘電站的堰面、消力池、消力墩的沖磨狀況也難以根本改變，即使采取新型高強(qiáng)抗沖磨材料也只能提高其抗沖蝕能力，延長使用壽命。

（3）高灘閘壩及消力池、消力墩中，1＃～8＃原設(shè)計(jì)為R200號普通混凝土，抗沖磨能力較低，難以抗擊漂石的強(qiáng)力沖磨。

（4）消力池差動式尾坎結(jié)構(gòu)不合理，低坎不應(yīng)設(shè)垂直段，不利于漂石出池，坎內(nèi)壁應(yīng)全為斜坡形式，方能有利于池內(nèi)卵漂石出池。

（5）鳳灘水庫的調(diào)蓄能力有限，酉水上游暴雨洪量很大，洪峰流量亦大，造成高灘電站的泄洪頻繁。尤其是鳳灘電站擴(kuò)機(jī)后，多余的棄水需通過Ⅰ區(qū)6#～8#孔下泄，閘門開啟更加頻繁。

4 修復(fù)措施

鑒于本工程的河流特性無法改變，只能從結(jié)構(gòu)材料上采用抗沖磨性能優(yōu)越的材料以延長結(jié)構(gòu)使用壽命。目前國內(nèi)外采用的抗沖磨性狀良好的材料主要以摻硅粉為基本材料的混凝土或砂漿為主，并適當(dāng)添加鋼纖維或聚丙烯纖維、UEA、鐵礦石砂（鐵礦石骨料）、粉煤灰等進(jìn)一步提高其性能。本次修復(fù)推薦采用以抗沖磨、抗裂和新老混凝土粘結(jié)性狀較好的鋼纖維硅粉混凝土作為基本材料，輔以環(huán)氧樹脂類涂料或其它高強(qiáng)水泥材料。根據(jù)各個(gè)壩段堰面、消力池、護(hù)坦、消力墩及伸縮縫等的受損程度和結(jié)構(gòu)性狀，分別作出相應(yīng)的處治。

4.1 溢流堰、消力池及護(hù)坦修復(fù)

（1）要求對每閘孔堰頂下游以下溢流面、消力池及護(hù)坦全表面用風(fēng)鎬鑿毛，對原常規(guī)混凝土面層（1#～7＃孔和8?？鬃髠?cè)堰面，9#～14?？紫Τ孛鎸樱袎味蜗掠巫o(hù)坦面層）磨損深度小于100 mm要求鑿毛至原設(shè)計(jì)高程以下100 mm，磨損深度為100 mm以上的要求鑿毛至露出新混凝土（實(shí)際鑿毛深度均要求大于30 mm）；對原硅粉混凝土面層（9#～14?？缀??？子覀?cè)堰面，6#～8＃孔消力池面層）磨損深度小于50 mm要求鑿毛至原設(shè)計(jì)高程以下50 mm。

（2）用高壓沖毛機(jī)把混凝土缺陷表面的污物沖洗干凈。

（3）對由于水毀露出的鋼筋要求進(jìn)行除銹處理，并涂刷環(huán)氧樹脂基液做防銹蝕保護(hù)（對鑿毛露出鋼筋不需進(jìn)行防銹處理）。

（4）用取芯鉆按梅花狀鉆孔，以防對混凝土破壞，鉆孔孔距400 m，孔深300 mm，孔徑12 mm；用Φ8的插筋，對插筋先進(jìn)行除銹防腐處理，再插入孔中，插筋的長度以離回填混凝土的表面20 mm厚為宜；用環(huán)氧樹脂砂漿（或其它可靠的材料）把插筋預(yù)埋好。

（5）對原常規(guī)混凝土面層鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ4，鋼筋間距為100 mm，鋼筋網(wǎng)距離面層≥50 mm，并用扎絲把鋼筋扎在預(yù)埋的錨筋上。

（6）用1 mm厚環(huán)氧樹脂粘膠（或其它可靠材料）涂刷基面。

（7）對原硅粉混凝土面層澆筑50 mm厚ECH新型環(huán)氧樹脂砂漿；局部深度超過50 mm的部位，先采用細(xì)礫石鋼纖維硅粉混凝土澆筑、振搗、壓實(shí)，澆筑厚度不小于100 mm，然后澆筑50 mm厚ECH新型環(huán)氧樹脂砂漿。

（8）對常規(guī)混凝土面層一次性用細(xì)礫石鋼纖維硅粉混凝土（或其它可靠的材料）把混凝土缺陷表面澆筑、振搗、壓實(shí)、抹平，表面要平整光滑；堰面較陡部分宜采用立模澆筑，以使堰面符合設(shè)計(jì)堰面形狀；堰面與消力池相接處要平順銜接。根據(jù)實(shí)測資料，平均鑿毛厚度約90 mm，澆筑鋼纖維硅粉混凝土平均厚度約150 mm。

（9）最后用抗沖磨性能優(yōu)越的環(huán)氧樹脂粘膠（2 mm厚）在修補(bǔ)后的混凝土表面涂刷一遍。

4.2 消力墩及尾坎缺陷修復(fù)

（1）對消力墩及尾坎全表面鑿毛至表面全部露出新混凝土為宜。

（2）清除所有表面殘留松動塊，用壓力水將基面沖洗干凈。

（3）對消力墩表面鉆孔，孔徑32 mm，孔深500 mm，側(cè)面孔距500 mm×500 mm、下游坡面孔距650 mm×700 mm；用壓力水將孔內(nèi)沖洗干凈；先用Φ20帶絲錨桿將鋼板焊接，且錨桿端頭焊接長30 mm的螺紋鋼十字架，確保鋼板與錨桿間無縫隙；再用環(huán)氧樹脂凈漿（或其它可靠的材料）將錨桿錨固在消力墩上。

（4）鋼板錨固施工完成后，灌水泥砂漿。

（5）對鋼板進(jìn)行敲擊檢查（或其它探傷檢查），如有空隙，則鉆孔灌注環(huán)氧漿液直至密實(shí)，必要時(shí)進(jìn)行再次檢查灌漿。

（6）消力墩現(xiàn)有正面鋼板較為完好沒有被沖毀的，對原有鋼板進(jìn)行打磨防銹蝕處理；如有空鼓部位，進(jìn)行化學(xué)灌漿處理。

4.3 伸縮縫及結(jié)構(gòu)縫破損修復(fù)

（1）對縫外兩側(cè)各200 mm范圍內(nèi)進(jìn)行鑿毛處理，鑿毛深度達(dá)到200 mm且全部露出新混凝土。

（2）清除原縫內(nèi)殘留的嵌縫材料，并對縫內(nèi)進(jìn)行清洗。

（3）將表面滿涂瀝青（每側(cè)厚度不小于2 mm）的2 mm厚鋼板做為模板和嵌縫材料嵌入縫內(nèi)。

（4）用鋼纖維硅粉混凝土（或其它可靠的材料）澆筑，振搗、壓實(shí)、抹平，表面要求平整光滑。

（5）最后用抗沖磨性能優(yōu)越的環(huán)氧樹脂膠泥（2 mm厚）將混凝土面層再涂刷一遍。

4.4 裂縫處理

1#閘孔溢流面及其它部位出現(xiàn)貫穿性裂縫，處理方法如下：

（1）在對溢流堰面層磨損進(jìn)行鑿除后，在裂縫兩側(cè)布置灌漿孔，孔徑（5～8）mm，要求鉆孔穿過縫面。

（2）當(dāng)注漿孔達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后，用清水清洗孔內(nèi)巖粉，避免巖粉在壓水實(shí)驗(yàn)和灌漿過程中進(jìn)入裂縫，影響灌漿質(zhì)量和效果。

（3）進(jìn)行簡易的壓水實(shí)驗(yàn)并沖洗，壓力為（0.2～0.3）MPa，壓水時(shí)間應(yīng)滿足沖洗干凈和檢查判斷裂縫的連通性和可灌性。

（4）預(yù)埋灌漿管并保護(hù)，待溢流面修補(bǔ)完成后，對該裂縫進(jìn)行環(huán)氧樹脂灌漿，最高灌漿壓力根據(jù)縫面吸漿情況現(xiàn)場調(diào)試決定。

5 結(jié)語

通過對高灘水電站溢流堰及消能工破壞和加固處治措施的論述和總結(jié)，對高灘電站及類似山區(qū)河流低水頭溢流壩消能問題有幾點(diǎn)值得注意：

（1）充分考慮山區(qū)河流對推移質(zhì)的搬運(yùn)能力，設(shè)計(jì)時(shí)要提高溢流堰面和消能工的抗沖蝕性能。研究和采用新型的抗沖耐磨材料和施工工藝。

（2）在建類似工程應(yīng)將壩前河床復(fù)蓋的大量蠻石進(jìn)行疏挖，施工土石圍堰應(yīng)拆除干凈。

（3）消力池差動式尾坎結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)合理，以利漂石出池，必要時(shí)結(jié)合模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。

（4）探討優(yōu)化在各種泄洪流量下的閘孔調(diào)度方案，以盡量改善水流流態(tài)，降低漂石過壩數(shù)量，延長維修周期。合理開啟閘孔，盡量減少深孔的泄流負(fù)擔(dān)，深孔一般位于河床中央不便維修，應(yīng)充分發(fā)揮淺孔的泄流能力。

（5）充分利用上游梯級鳳灘水電站擴(kuò)機(jī)后多余的320 m3/s流量，盡早考慮高灘電站擴(kuò)機(jī)，減少平水時(shí)段的閘門開啟頻率，提高水能的利用效益。