某水電站底孔泄水道沖蝕破壞原因分析及修補(bǔ)措施

付倩，王冰偉

（1．中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院，陜西西安710065 2．中國水利水電科學(xué)研究院綜合事業(yè)部，北京100038）

某水電站底孔泄水道沖蝕破壞原因分析及修補(bǔ)措施

付倩1，王冰偉2

（1．中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院，陜西西安710065 2．中國水利水電科學(xué)研究院綜合事業(yè)部，北京100038）

通過現(xiàn)場對某水電站工程左岸底孔泄水道破壞部位的詳細(xì)查看和對原設(shè)計的研究分析，認(rèn)為破壞原因是泄水道體型復(fù)雜、空化數(shù)低、混凝土表面不平整所致。采用清除沖蝕破壞范圍的松動混凝土至完整結(jié)實的混凝土面，回填澆筑C40W4F200二級配抗沖耐磨硅粉混凝土，在外表面涂刷SK單組分手刮聚脲等處理措施對泄水道進(jìn)行修復(fù)，取得了較好的效果，為今后泄水建筑物設(shè)計及修復(fù)處理提供了參考意見。

沖蝕破壞：硅粉混凝土：單組分聚脲

1 工程概況

在水利水電工程擋水、泄水和發(fā)電三大建筑物布置中，泄水建筑物布置及泄流消能結(jié)構(gòu)選擇尤為重要。因為筑壩壅高水庫水位，泄水建筑物泄流時，攜帶巨大能量，必須在壩下河床較短距離內(nèi)集中消能，如果處理不慎，會造成泄水建筑物破壞，從而影響水電工程的安全運(yùn)行［1］。

某水電站位于青海省尖扎縣與化隆縣交界處，距青海省會西寧市112 km。樞紐是以發(fā)電為主，兼顧灌溉、供水等綜合利用的一座大型水利水電工程，主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩后式雙排機(jī)發(fā)電廠房及泄水建筑物等組成。大壩壩高150.0 m，裝機(jī)5臺，總裝機(jī)容量2 000 MW。泄水建筑物由左底孔、左中孔及右中孔共3孔泄水道組成，3孔泄水道設(shè)計最大下泄流量為5 640 m3/s，泄流消能方式均采用挑流消能。其水電站左底孔泄水道進(jìn)口底板高程2100.0 m，工作門孔口尺寸5 m×7 m（寬×高），最大運(yùn)行水頭82.6 m，正常運(yùn)行水頭80.0 m。底孔泄水道從進(jìn)口到出口由有壓段、明渠泄槽段和鼻坎段組成。在平面布置上，有壓段設(shè)轉(zhuǎn)彎半徑為40 m、轉(zhuǎn)角為22.7°的彎道，有壓彎道末端通過25 m直線段至有壓段末后接明渠泄槽，泄槽寬度為5m。立面布置上，有壓段底板為水平段，有壓段出口接渥奇段，渥奇段為拋物線曲面，方程為x2=650y，渥奇段下游接陡槽段，坡度為i=0.3。在有壓段出口弧門底坎下游9 m附近設(shè)第一道摻氣坎，在渥奇段末端樁號104 m附近和反弧鼻坎段上游20 m處分別設(shè)第二道和第三道摻氣坎。運(yùn)行期泄槽內(nèi)流速為30～40 m/s。

2 底孔泄水道沖蝕破壞情況

該水電站左底孔于2012年7月25日至8月29日共計泄水33 d（7月31日至8月3日閘門關(guān)閉），其中：閘門最大開度6 m，最大下泄流量878 m3/s；最小開度1.5 m，最小下泄流量234 m3/s。8月29日左底孔停止泄水后，檢查時發(fā)現(xiàn)閘門室第一道摻氣槽至第3段側(cè)墻沖蝕淘空嚴(yán)重，部分鋼筋被沖斷、裸露，見圖1。

左側(cè)側(cè)墻自摻氣槽至第3段被沖蝕長度約32 m、最大沖蝕深度1.3 m、平均沖蝕高度約2.9 m，沖蝕底面距離泄水道底板0.65～0.90 m。右側(cè)側(cè)墻從摻氣槽至第3段被沖蝕、淘蝕長度約29.5 m，最大沖蝕深度1.5 m、平均沖蝕高度約3.0 m，沖蝕底面距離泄水道底板0.18～1.00 m。

圖1 某水電站邊墻混凝土剝蝕情況

3 沖蝕破壞原因分析

3.1 混凝土表面不平整該水電站底孔在有壓段設(shè)平面轉(zhuǎn)彎（轉(zhuǎn)角22.7度，轉(zhuǎn)彎半徑40.0 m），立面設(shè)計上緊接有壓段出口設(shè)渥奇段。這種復(fù)雜的體型使有壓段后形成三向明流流態(tài)，渥奇段開始至渥奇段末壓力較小。減壓模型試驗表明，壓力彎道的影響在渥奇段產(chǎn)生次生環(huán)流，弧門后第一道摻氣坎下游兩側(cè)邊墻清水區(qū)壓力很小，空化數(shù)較小，如果混凝土表面不平整，此段有空化的可能。原設(shè)計要求表面不平整度控制標(biāo)準(zhǔn)為：垂直水流方向的突體不得大于3 mm，凡大于3 mm的突體按1/50的坡度磨平；順?biāo)鞣较虻耐惑w不得大于4 mm，凡超過者按1/30的坡度磨平。

本次現(xiàn)場采用2 m長靠尺對第1-9段以及閘室段左、右邊墻進(jìn)行了平整度檢測，檢測結(jié)果如表1所示［2-3］。

表1 左底孔泄水道邊墻平整度檢測結(jié)果

由表1可知，左底孔邊墻平整度偏差值的最大值均已超過設(shè)計值，且多個部位最大偏差值將近20 mm。

3.2 混凝土澆筑質(zhì)量現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：（1）左底孔泄水道邊墻混凝土存在較多裂縫，主要為豎向裂縫，縫寬在0.1～0.5 mm；（2）邊墻混凝土水平澆筑層縫隙很寬，層面明顯；（3）鋼筋焊接質(zhì)量較差；（4）局部部位混凝土澆筑質(zhì)量不是很好。

局部質(zhì)量差是產(chǎn)生后期氣蝕破壞的誘因之一。

3.3 側(cè)墻混凝土發(fā)生氣蝕利用短暫停止泄洪期間對左底孔進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)左底孔3、4段左側(cè)混凝土邊墻有2個沖坑，約0.2 m3，鋼筋和混凝土骨料裸露。經(jīng)過后13 d的連續(xù)泄洪，混凝土邊墻氣蝕發(fā)展很快，這是局部破壞引起嚴(yán)重氣蝕破壞的實例。

該水電站底孔在有壓段設(shè)平面轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)角22.7°，轉(zhuǎn)彎半徑40.0 m，運(yùn)行期泄槽內(nèi)流速達(dá)30～40 m/s。雖然轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)彎半徑滿足規(guī)范［4］要求，且水工模型試驗結(jié)果表明，水流經(jīng)壓力彎道直線過度到明渠泄槽流態(tài)基本穩(wěn)定，但由于壓力彎道次生環(huán)流的影響，在泄槽明渠段產(chǎn)生折沖水流，折沖波在一定范圍引起側(cè)墻兩邊壓力差，有壓段出口邊墻凸出一側(cè)壓力較低。壓力彎道出口緊接渥奇段，水流處于三向狀態(tài)，流態(tài)復(fù)雜，水流紊動強(qiáng)烈。減壓試驗表明，底孔若在正常水位2 180.0 m至校核水位2 182.6 m之間運(yùn)行，此段壓力低，有些工況下，渥奇段已接近脫空現(xiàn)象。校核水位2 182.6 m時，底表面空化數(shù)為：當(dāng)閘門全開時0.15，閘門3/4開時0.12，閘門1/2開時0.11。雖然設(shè)了摻氣措施，但由于摻氣只能在泄槽底部形成空腔保護(hù)底表面，兩側(cè)邊墻清水區(qū)壓力仍很小，空化數(shù)也很小。試驗表明，當(dāng)突體高度為4 mm時，此部位對應(yīng)泄水道體型的初生空化數(shù)約為0.17。以此說明，即使施工時邊墻平整度滿足小于4 mm的要求，渥奇段的空化也已處于臨界值。況且，由于模型光滑，雖然模型上未空化，但實際工程中，表面不平整度達(dá)不到設(shè)計要求，施工質(zhì)量較差等原因，造成初生空化數(shù)增大，實際運(yùn)行就有可能產(chǎn)生空化破壞。

4 處理措施

根據(jù)現(xiàn)場破壞的程度，查閱國內(nèi)外類似工程混凝土遭受沖蝕破壞后修補(bǔ)經(jīng)驗，并依據(jù)DL/ T5207——2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》，處理主要采取以下措施。

（1）清除沖蝕破壞范圍的松動混凝土至完整、結(jié)實的混凝土面，邊墻底部及上、下游側(cè)面的混凝土面鑿成與迎水面基本垂直狀，頂層與迎水面呈45°的順坡面。四邊鑿除深度最小30 cm，四邊與沖蝕最深處要求平順過渡，清除松動混凝土后體型平順，無尖角。

（2）補(bǔ)打?22，間、排距80 cm的插筋，兩排之間錯開布置，插筋長度2.5 m，外端頭距迎水面保護(hù)層15 cm。

（3）用同原設(shè)計的鋼筋規(guī)格修復(fù)被破壞的鋼筋網(wǎng)。

（4）修復(fù)伸縮縫的銅止水和橡膠止水帶。

（5）在沖蝕破壞處理區(qū)澆筑C40W4F200二級配抗沖耐磨混凝土，抗沖耐磨混凝土采用硅粉混凝土。

（6）修補(bǔ)后的體型平整光滑，局部突體高度小于3 mm，且突體上、下游處理坡度分別為1/50和1/20，側(cè)向坡為1/10。

（7）伸縮縫止水帶破壞部分采用單組分聚脲修復(fù)［5-6］。

（8）在外表面涂刷抗沖磨型單組分手刮聚脲，厚度3 mm，要求涂刷聚脲涂層為處理范圍周邊外延不小于10 cm。SK手刮聚脲（抗沖磨型）主要技術(shù)指標(biāo)見表2［7］。

表2 SK手刮聚脲（抗沖磨型）主要技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論與建議

高水頭、大流速泄水建筑物設(shè)計，除在混凝土過水表面設(shè)計必要的抗沖耐磨材料以外，選擇合適的軸線及良好的體型是保證流態(tài)穩(wěn)定、防止氣蝕破壞的最基本前提。根據(jù)大多數(shù)類似工程運(yùn)行、破壞經(jīng)驗，溢洪道設(shè)計規(guī)范及水工隧洞設(shè)計規(guī)范中，明確規(guī)定溢洪道、水工隧洞軸線宜取直線，如須轉(zhuǎn)彎時，對轉(zhuǎn)彎半徑要求大于5倍洞徑及轉(zhuǎn)角小于60°［8］，并且，轉(zhuǎn)彎應(yīng)設(shè)在流速較小和水流比較平穩(wěn)的地段。

由此筆者認(rèn)為，高水頭的泄水建筑物布置軸線盡量為直線，避免彎道。有時設(shè)計雖然彎道滿足規(guī)范要求，且經(jīng)過水工模型試驗研究，但對于高速水流，設(shè)計還是要避免因彎道形成折沖水流。

在修補(bǔ)過程中，材料選擇至關(guān)重要，要求修補(bǔ)材料本體抗沖耐磨性能好，同時要與老混凝土之間粘接良好。作為一種新型的柔性抗沖磨防護(hù)涂料，SK手刮聚脲具有柔性好、強(qiáng)度高、耐低溫及耐老化性能好、防滲、與基礎(chǔ)混凝土粘接強(qiáng)度高，抗沖磨性能好，無毒等特點，該材料適用于處理混凝土建筑物伸縮縫、混凝土裂縫、混凝土大面積防滲及有抗沖磨要求的泄洪建筑物等水利水電工程，已經(jīng)在多個水利水電工程泄洪建筑物中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果。本工程已于2013年汛前按設(shè)計要求完成了處理施工，經(jīng)過近兩年的運(yùn)行考驗，處理效果良好。

［1］練繼建，楊敏.高壩泄流工程［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［2］中國水利水電科學(xué)研究院.李家峽水電站左岸底孔減壓模型試驗報告［R］.北京：中國水利水電科學(xué)研究院，1993.

［3］西北勘測設(shè)計研究院.李家峽水電站左岸底孔泄水道明渠段摻氣減蝕試驗報告［R］.西安：西北勘測設(shè)計研究院，1994.

［4］DL/T5166-2002，溢洪道設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2003.

［5］孫志恒，夏世法，付穎千.單組分聚脲在水利工程中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2009（1）：71-72.

［6］孫志恒，李萌，倪燕，等.SK柔性防護(hù)涂料在伸縮縫及裂縫快速修復(fù)中的應(yīng)用［J］.大壩與安全，2011（1）：48-51.

［7］DB11/T851-2011，聚脲彈性體防水涂層施工工藝技術(shù)規(guī)程［S］.2012.

［8］孫志恒，朱德康，王健平，等.富春江水電站溢流面表面抗沖磨防護(hù)試驗［J］.水利水電技術(shù)，2013（9）：90-92.

Analysis on causes of scouring failure and repair measure of one hydropower station’s bottom outlet

FU Qian1，WANG Binwei2
（1.Hydrochina Xibei Engineering Corporation，Xi'an710065，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China)

Through the detailed investigation into the failed location of the left bottom outlet and the analy?sis on its original design of one hydropower station，it is found that the failure of the bottom outlet is caused by the incompacted concrete placement and uneven concrete surface because the outlet passage is complicated in structure and its cavitation coefficient is lower.The failed outlet is repaired by the following measures.The incompacted concrete in the failed area by scouring is removed so that the integrated and completed concrete surface can be seen.Then the C40W4F200 silicon-powder concrete with good scouring and abrasion resistance is bank-filled.Finally，the SK one-component polyurea is coated on the concrete surface.This method can providc a good reference for design and rehabilitation of outlet structures in the fu?ture.

scouring failure；silicon-powder concrete；one-component polyurea

TV698.2

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.02.012

1672-3031（2015）02-0157-04

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2014-07-21

付倩（1963-），女，陜西西安人，高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計研究。