新材料新工藝在石泉大壩消力戽修補中的應用

劉基興，樊 銳

（大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西石泉725200）

1 工程簡介

石泉水電站位于漢江上游石泉縣城以上1 km的峽谷出口處，是以發(fā)電為主、兼有灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的水利工程。工程規(guī)模屬于II等工程，大壩為2級建筑物。1971年開始開工，1973年12月10日下閘蓄水，1973年12月26日第一臺機組投產(chǎn)發(fā)電，1975年底土建工程全部完工，1979年進行了竣工驗收。

石泉大壩為空腹重力壩，最大壩高65 m，壩頂長353 m，電站廠房為壩后式廠房，大壩按重現(xiàn)期100年設計，重現(xiàn)期500年校核。重現(xiàn)期100年洪峰流量21 500 m3/s，重現(xiàn)期500年洪峰流量26 400 m3/s；設計洪水位410.29 m，校核洪水位413.67 m。1994年，大壩經(jīng)補強加固后，達到現(xiàn)行規(guī)范的重現(xiàn)期1 000年校核標準（校核洪峰28 400 m3/s，校核洪水位415.12 m）。1998年開工至2000年7月進行了擴機工程建設，在左岸布置引水系統(tǒng)和岸邊廠房，安裝兩臺單機45 MW的水輪發(fā)電機組。2000年11月竣工。

石泉大壩消能方式是消力戽消能。消力戽位于大壩7～23號壩段，共設1～3號中孔、4～5號中孔戽、1～2號表孔戽、3～4號表孔戽。石泉大壩消力戽結(jié)構(gòu)有關(guān)特征數(shù)據(jù)見表1。

石泉大壩消力戽于1970～1975年修建，1971年底河床左側(cè)消力戽過水運行，1973年右側(cè)消力戽過水，1986年汛前鼻坎改造和增設檢修平臺。1988年1月進行了第一次抽水檢查和維修，1995年2月份進行了第二次抽水檢查，1996年11月至1997年4月第二次大修完成。2001年12月和2003年3月又分別進行了第三次和第四次抽水檢查。

表1 石泉大壩消力戽結(jié)構(gòu)特征值Table 1 :Structural characteristics of the bucket dissipater of Shiquan dam

2009年1月，石泉水電廠組織了第五次抽水檢查，發(fā)現(xiàn)消力戽環(huán)氧膠液抹面破壞比較嚴重，部分區(qū)域環(huán)氧砂漿剝落面積擴大或產(chǎn)生新剝落區(qū)域，有些區(qū)域混凝土沖蝕沖刷嚴重。為保證消力戽的正常運行，石泉水電廠于2010年11月～2011年1月對消力戽進行第三次修補。

2 新、老材料工藝的差異

原始消力戽修復是以環(huán)氧樹酯作為粘結(jié)劑、砂或水泥等作為填料、鄰苯二甲酸二丁酯作為增塑劑、丙酮或660活性劑作為稀釋劑、乙二胺或二乙烯三胺作為固結(jié)劑，按一定比例混合配制成環(huán)氧樹酯砂漿（簡稱環(huán)氧砂漿），這也是國內(nèi)較為常用的配方材料。其中胺類固化劑是高揮發(fā)性有毒液體，對人體和環(huán)境都會造成傷害，而且這些材料配制成的環(huán)氧砂漿在環(huán)境溫度低于5℃的條件下很難固化，固化前遇水或受潮則會變性無法使用。所以對施工條件要求十分苛刻，施工過程中要采取防毒、保溫、除濕等復雜的工程措施，工人勞動強度大、環(huán)境污染大。

根據(jù)工程實際情況，工作面上存在大量滲水和潮濕現(xiàn)象，且施工期間氣溫較低（在0℃左右），采用了低揮發(fā)、無毒性的水下低溫環(huán)氧樹酯固化劑（810）。為了改善環(huán)氧樹酯的脆性采用了增韌劑（CMP-410），為了提高環(huán)氧砂漿材料與老混凝土的粘結(jié)力添加了偶聯(lián)劑（KH-550）。根據(jù)氣溫高低不同，其中稀釋劑用量質(zhì)量百分比可選擇為10%～15%，不會影響環(huán)氧砂漿的質(zhì)量。所選材料中除了環(huán)氧樹酯（E-44）在低溫條件下需要加熱融化外，其它材料均可常溫配置使用。

施工過程中可以適當增加填充劑用量，但砂子用量應控制在600%以內(nèi)，水泥用量不超過250%；810固化劑屬于低溫潮濕固化劑，環(huán)境溫度太低可以適當增大固化劑用量，以35%～45%為宜，最大用量不要超過50%；活性稀釋劑用量以現(xiàn)場使用的難易程度和不同修補部位對修補材料的施工要求進行調(diào)整，在5%～20%范圍內(nèi)選??；偶聯(lián)劑和增韌劑嚴格按照配方比例使用。

3 新配方試驗成果

現(xiàn)場提取所購材料和漢江沙，在西安理工大學建材實驗室按照技術(shù)方案中的配方制作標準試件進行抗拉和抗壓試驗?？估瓘姸鹊臋z測在西安理工大學建材試驗室制成標準8字模，又委托陜西省建材研究所進行抗拉強度試驗，材料配方和試驗結(jié)果見表2。

表2 實驗室材料配方及試驗結(jié)果Table 2 :Mix proportion and test results in laboratory

材料配比按照兩種稀釋劑用量分別制作標準試件，并按標準養(yǎng)護和自然養(yǎng)護兩種條件進行7 d、28 d齡期的抗壓強度試驗，抗拉強度試件在標準養(yǎng)護條件下進行了28 d齡期的抗拉強度試驗。標準養(yǎng)護條件環(huán)境溫度保持在23℃左右，自然養(yǎng)護在室外露天進行，環(huán)境溫度夜間最低-3～-5℃，白天最高溫度3～5℃。由表2試驗結(jié)果可知，7 d、28 d齡期的抗壓強度均滿足設計要求，28 d抗拉強度遠大于設計值?？梢钥闯鲎匀火B(yǎng)護條件下的試件抗壓強度普遍高于標準養(yǎng)護條件下的。說明本次環(huán)氧砂漿的選材對溫度影響不敏感，特別適于低溫固化。自然養(yǎng)護條件下的試件，抗壓強度普遍高于標準養(yǎng)護的原因在于露天環(huán)境利于材料化學反應過程中部分揮發(fā)物質(zhì)的逸出，反應更加充分。另外，稀釋劑用量小時抗壓強度較大。

4 施工工藝

根據(jù)材料特性，按照設計材料中的工藝及質(zhì)量要求進行。具體施工工藝如下：

環(huán)氧樹酯采用水槽隔水加熱，加熱溫度控制在65℃左右，溫度不超過80℃。各種材料按順序加入，采用人工拌料，攪拌速度不得太快或來回攪動，要求充分翻攪，不能留有死角。環(huán)氧材料隨配隨用，一次使用取環(huán)氧樹酯在1.5～2 kg。材料制備工藝流程見圖1～2。

一般環(huán)氧砂漿材料在自然條件環(huán)境溫度低于5℃時固化很慢，需要采取加熱或保溫措施進行養(yǎng)護。施工過程中對環(huán)氧砂漿采用自然養(yǎng)護的方法，由于采用了新型低溫固化劑，能使環(huán)氧修補材料在自然低溫條件下固化，經(jīng)過現(xiàn)場人工檢驗，環(huán)氧砂漿在現(xiàn)場條件下經(jīng)過4 h基本達到初凝，同期制作的標準試件，28 d齡期進行實驗室試驗，抗拉抗壓強度均滿足設計要求，認為自然養(yǎng)護條件下環(huán)氧砂漿施工工藝符合要求。

圖1 環(huán)氧基液制備工藝流程Fig.1 Production process of the epoxy base fluid

圖2 環(huán)氧砂漿制備工藝流程Fig.2 Production process of the epoxy mortar

5 實施效果

在環(huán)氧砂漿修補施工過程中，依據(jù)DL/T5193-2004《環(huán)氧砂漿技術(shù)規(guī)程》，要求環(huán)氧砂漿7 d抗壓強度大于60MPa，7d劈裂抗拉強度大于5 MPa。

原始工藝和新工藝現(xiàn)場試塊檢測強度結(jié)果對比見表3。

現(xiàn)場取樣試件抗壓強度均大于DL/T5193-2004《環(huán)氧砂漿技術(shù)規(guī)程》要求的最小值60 MPa，試件抗拉強度均大于11 MPa，是規(guī)范規(guī)定最小值的兩倍以上,抗拉強度明顯大于原始工藝修補的強度，說明環(huán)氧砂漿的粘接力比較大。

6 新材料優(yōu)點

新材料與原始的環(huán)氧砂漿材料相比，具有以下優(yōu)點：

（1）不僅材料易得，且成本低。配方所用的材料均為市場已有的成型產(chǎn)品，在同類型產(chǎn)品中價格較低。

（2）施工過程簡單、方便，受限條件少，提高了工作效率?？梢栽谌魏位炷两Y(jié)構(gòu)物上施工，不需要進行專門的加熱、保溫等工程措施，改變以往需要噴燈加熱、保溫層覆蓋的施工程序。

（3）安全性高、污染小。避免施工氣味刺鼻，需戴防毒面具；所采用的材料屬于無毒低污染，避免了對水質(zhì)和環(huán)境的污染。

（4）強度高。環(huán)氧砂漿材料抗壓、抗拉強度均大于規(guī)范所要求的最小值，其中抗拉強度遠大于規(guī)范值，保證了環(huán)氧砂漿能夠粘結(jié)牢固。

2011～2012年，石泉水庫發(fā)生12場洪水，10 000m3/s以上流量的洪水2場，6 000～10 000m3/s流量洪水3場。其中2011年“9.17”洪水大于10 000 m3/s的流量歷時20 h；經(jīng)過2年運行后，消力戽修補面檢查完好，沒有沖刷脫落現(xiàn)象。

表3 環(huán)氧砂漿強度檢驗結(jié)果對比表Table 3 :Comparison of the strength data of new technology and original technology

經(jīng)過泄洪檢驗，說明新材料、新工藝滿足消力戽修補的技術(shù)要求，可廣泛應用于大壩、水庫等混凝土修補，尤其在施工中縮短施工時間，提高工作效率，且環(huán)氧砂漿的粘結(jié)性達到DL/T5193-2004《環(huán)氧砂漿技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的劈裂抗拉強度的2倍以上，獲得了較好的經(jīng)濟效益，值得在同類工程中推廣。