二灘水電站表孔裂縫成因分析與處理

楊 銀 輝， 閔 四 海

(二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

1 概 述

二灘水電站位于四川省西南部攀枝花市境內(nèi)的雅礱江下游，距雅礱江與金沙江的交匯口33 km，是我國20世紀建成的最大的以發(fā)電為主的水力發(fā)電樞紐工程，也是我國利用國際招標機制和世界銀行貸款建設(shè)的第一座巨型水電站。二灘大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高240 m，壩頂高程1 205 m，壩頂全長774.69 m，壩頂寬11 m，壩底最大寬度55.7 m，為我國20世紀建成竣工的第一高拱壩。壩體設(shè)7個泄洪表孔、6個泄洪中孔和4個底孔。

二灘拱壩表孔布置在拱壩中央，孔口沿拱壩中心線對稱布置，主要由閘墩、溢流壩、大梁(上部拱壩基本體型斷面)三部分組成。表孔堰頂高程1 188.5 m，堰上正常水頭11.5 m,每孔寬度11 m，溢流前緣總寬143 m。溢流堰面為WES曲線型，定型設(shè)計水頭11.5 m。閘墩頭部為流線型，閘墩最寬處大于11.0 m，尾部寬度2 m。液壓啟閉機油缸支座設(shè)在閘墩上，閘門支鉸設(shè)在大梁上。表孔末端出口采用自由跌落大差動跌坎加分流齒坎的新型消能工。在中間五孔跌坎上采用兩個分流齒坎并靠出口閘墩兩側(cè)布置，單號孔跌坎俯角為30°，分流齒坎高3.5m；雙號孔跌坎俯角為20°，分流齒坎高4.5 m。在兩個邊孔因靠岸一側(cè)不擴散，各加設(shè)一個靠邊墩的分流齒坎，齒高3.5 m。以上各分流齒的挑角均為20°。每個齒側(cè)設(shè)置兩個直徑0.3 m的通氣孔，并與齒坎下游兩個直徑0.3 m的通氣孔相連通。[1]

圖2 表孔溢洪道平面布置圖

2 裂縫的成因

2.1 閘墩裂縫

表孔大梁上部是公路，大梁經(jīng)受人行、車輛等荷載的作用，同時大梁也是壩體的一部分，受到壩體整體應(yīng)力分布的影響。表孔閘門為主橫梁直支臂露頂式弧形閘門，閘門尺寸11 m×13 m(寬×高)，設(shè)計水頭12 m，總水壓力8 583 kN，閘門由2×1 000 kN液壓啟閉機操作，液壓缸支承在兩側(cè)閘墩上，閘門支鉸設(shè)在大梁上。由于弧門支鉸埋設(shè)在大梁上，大梁上還作用了弧門推力，閘墩和大梁之間也相互作用，因此，大梁的受力相當復(fù)雜，受到彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切作用。大梁與閘墩結(jié)合處有較大的應(yīng)力集中。根據(jù)跟蹤檢查，已發(fā)現(xiàn)各孔導墻上的裂縫基本都集中在閘門支鉸和液壓缸支承的部位，所有裂縫均有不同程度的析出物沉積，沉積物的主要成份為CaO-CaCO3類。

液壓桿支承點附近應(yīng)力復(fù)雜，鋼筋布置密集，設(shè)計時只考慮鋼筋受力，沒有考慮混凝土受力，因表孔開啟頻繁而導致產(chǎn)生裂縫。該處混凝土系后期澆筑，密實度較差，混凝土開裂后，雨水和潮氣將侵入混凝土內(nèi)，影響鋼筋的強度和耐久性，液壓缸支承點附近存在的裂縫不會對結(jié)構(gòu)造成不利影響。

2.2 溢流面裂縫

表孔在平面上呈圓弧形布置，堰頂處平面半徑為370 m。單孔尺寸11.0 m×11.5 m(寬×高)，堰頂高程1 188.50 m，為開敞式泄洪表孔，表孔溢流前緣總寬143 m。溢流堰面為WES曲線型，設(shè)計水頭11.5 m。經(jīng)檢查，溢流面上裂縫主要集中在中部，大部分為表層裂縫，裂縫深度較淺。部分裂縫析出物在泄洪時已被沖走，因裂縫均析出物沉積較少，沉積物的主要成份為CaO-CaCO3類。溢流面混凝土產(chǎn)生裂縫，主要是由于長時間的運行，加上溫度變化、干濕變化等原因造成混凝土開裂。

3 處理方法及材料選擇

目前裂縫處理多采用化學灌漿，裂縫化學灌漿常用方法主要有：無損貼嘴法、鉆孔灌漿法、鉆孔加貼嘴法?？紤]到表孔裂縫析出物較多，采用無損貼嘴法灌漿效果可能比較差，因此決定采用鉆孔灌漿?；瘜W灌漿的材料主要有聚氨酯灌漿材料、環(huán)氧樹脂灌漿材料、丙烯酸鹽灌漿材料、水玻璃灌漿材料、以及其他如硫木質(zhì)素灌漿材料等?？紤]到聚氨酯材料在存放和配置過程中不得與水接觸，丙烯酸鹽材料主要用于固結(jié)灌漿和防滲過程，水玻璃材料主要用于防滲堵漏，硫木質(zhì)素灌漿材料主要用于基礎(chǔ)防滲堵漏處理。[2]因此，綜合考慮和對比，采用環(huán)氧樹脂灌漿材料對表孔裂縫進行處理。

新型低黏度環(huán)氧灌漿材料就綜合了環(huán)氧樹脂漿材的高強度、高粘接力和聚氨酯槳材的良好韌性等優(yōu)點，具有較高的抗拉、抗壓、粘結(jié)和變形性能。[3]漿材能夠適用于干燥裂縫，也能夠適用于潮濕裂縫，該化灌材料黏度低，可灌性好，能夠灌入0.1～0.2 mm的細微裂縫，已經(jīng)在多個國內(nèi)電站混凝土裂縫修復(fù)工程中得到成功應(yīng)用。經(jīng)多方比較，采用新型低黏度NE-Ⅳ環(huán)氧灌漿材料。低黏度化學灌漿材料的主要技術(shù)指標，見表1。

表1 低黏度環(huán)氧灌漿材料主要技術(shù)指標

4 處理工藝及流程

4.1 縫口打磨

沿裂縫走向用砂輪將結(jié)構(gòu)表面打磨平整，打磨寬度為裂縫兩側(cè)各8 cm，打磨長度應(yīng)磨至裂縫端部后再延長20 cm。確保無浮塵、水泥漿薄弱層、污垢及其它雜物等。

4.2 鉆孔

根據(jù)裂縫檢查情況，鉆孔工具采用小型電錘鉆，孔徑比灌漿嘴略大。在裂縫的交叉處、較寬處、端部或經(jīng)拓寬處理的縫口部位，鉆騎縫孔或斜孔；當縫寬大于1 mm時采用騎縫孔，小于1 mm時采用斜孔，斜孔傾角45°～60°，孔斜誤差不大于2°。鉆孔直徑12 mm左右，深度為10 cm～30 cm，間距為30 cm～50 cm,深淺孔間隔布置。在孔口埋設(shè)灌漿嘴，每條裂縫都必須至少有一個出氣孔和一個進漿孔，鉆孔時必須保證孔向準確。鉆孔過程中可以通過壓水或壓風檢查鉆孔是否已穿過裂縫縫面。

4.3 裂縫清洗

鉆孔完畢，將沖洗槍頭插入孔底采用高壓水和無油高壓風輪換沖洗，吹凈孔內(nèi)粉屑。

4.4 灌漿嘴埋設(shè)及縫口封閉

用高壓風將孔內(nèi)灰渣清理干凈后，埋設(shè)專用灌漿嘴。將專用灌漿嘴埋入孔內(nèi)，外露長度為7～8 cm，使用專用扳手將灌漿嘴下部的密封膠圈壓緊并固定牢固。采用環(huán)氧膠泥封縫，確保裂縫完全封閉和保護。

4.5 壓水壓風檢查

逐孔進行水、風輪換沖洗，查明管道暢通、縫面外漏情況。若有外漏的灌漿孔，及時將封面摸環(huán)氧膠泥處理。灌漿前用高壓風吹盡孔縫內(nèi)的積水，確?？p內(nèi)干凈。

4.6 灌 漿

灌漿前，將灌漿孔全部打開，用壓縮空氣盡量將孔內(nèi)、縫內(nèi)的積水盡量吹擠干凈，并爭取達到無水狀態(tài)。采用電動灌漿泵向裂縫內(nèi)灌注環(huán)氧漿材，灌漿壓力一般控制在0.3～0.5 MPa；灌漿順序為從下至上，從深至淺。當進漿順利時應(yīng)降低灌漿壓力；當鄰孔出現(xiàn)純漿后，暫停壓漿；將注漿嘴移至鄰孔繼續(xù)灌漿，在規(guī)定的壓力下灌漿，直達到灌漿結(jié)束。但在實際操作過程中，施工人員發(fā)現(xiàn)0.3 MPa左右，進漿量較小，后來，將壓力調(diào)節(jié)到1～2 MPa之間，灌注效果良好。一般在設(shè)計壓力下，當漿液注入量q≤0.005 L/min 時持續(xù)10 min灌漿即可結(jié)束。從實際灌漿情況分析：閘門支鉸周圍的部位灌注量較多，平均在3～5L左右，比溢流面裂縫的灌注量高出將近10倍。

4.7 表面處理

灌漿完成后，割除外露灌漿嘴(割除部位在結(jié)構(gòu)表面以下1 cm)，灌漿嘴管口涂抹環(huán)氧膠泥封閉，然后將結(jié)構(gòu)表面打磨平整，以滿足相應(yīng)部位結(jié)構(gòu)平整度要求，同時在表面涂刷一層環(huán)氧涂層，以降低表面糙率。

4.8 灌漿效果檢查

在灌漿完成28天后進行檢查。灌漿效果檢查采用鉆孔取芯和壓水試驗的方法進行，鉆孔孔徑采用φ91 mm。對芯樣進行外觀檢查，確認裂縫是否已灌填密實；壓水孔可結(jié)合取芯孔進行，壓水檢查壓力0.2 MPa,合格標準為：透水率不大于0.1 Lu?，F(xiàn)場抽檢環(huán)氧灌漿材料抗壓試件1組(3個)，28天抗壓強度最大值為64.6 MPa，最小值為61.3 MPa，平均值為62.9 MPa?？估嚰?組(6個)，28天抗拉強度最大值為12.7 MPa，最小值為11.0 MPa，平均值為11.7 MPa。環(huán)氧砂漿抗拉試件1組(3個)，28天抗壓強度平均值為93.1 MPa?，F(xiàn)場壓水試驗檢測域隨機抽樣共3個測點，經(jīng)檢測裂縫透水率最大值為0.6 ml/min，最小值為0.35 ml/min，平均值為0.45 ml/min，施工質(zhì)量良好。取芯檢測現(xiàn)場隨機抽樣3個測點，經(jīng)檢測環(huán)氧樹脂化學灌漿注漿飽滿率平均值為98.9%。

二灘水電站表孔雷鋒環(huán)氧灌漿項目于2010年4月下旬完成，共計完成裂縫灌漿工程量719.94 m。2014年上半年汛前檢查，經(jīng)過4個汛期的運行，表孔閘墩裂縫處理部位完好。

5 結(jié) 語

表孔閘門液壓桿支承點等應(yīng)力復(fù)雜、鋼筋布置密集等區(qū)域大體積混凝土若出現(xiàn)裂縫，應(yīng)重點關(guān)注，及早處理。分期澆筑混凝土之間密實度較差，一般容易產(chǎn)生裂縫，雨水和潮氣將侵入后會影響鋼筋的強度和耐久性。

新型低黏度環(huán)氧灌漿材料就綜合了環(huán)氧樹脂漿材的高強度、高粘接力和聚氨酯槳材的良好韌性等優(yōu)點，具有較高的抗拉、抗壓、粘結(jié)和變形性能，關(guān)鍵在于可灌性好，能夠灌入0.1～0.2 mm的細微裂縫，提高了裂縫封閉、補強加固的可靠性。

關(guān)于灌漿壓力的控制，筆者參考國內(nèi)眾多施工建議，灌漿壓力一般控制在0.3～0.5 MPa。但裂縫有不同程度的析出物沉積時，一般需要將灌漿初始壓力提高到1～2 MPa，方能保證灌漿飽滿。

表孔溢流面等過水部位裂縫處理后，應(yīng)將結(jié)構(gòu)表面打磨平整，同時在表面涂刷一層環(huán)氧涂層，以降低表面糙率。

參考文獻：

[1] 中國水利水電出版社；《二灘水電站工程總結(jié)》2005年

[2] 《水工建筑物化學灌漿施工規(guī)范》(DL/T 5406-2010)

[3] 《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》(JC/T 1041-2007)