萬家寨水利樞紐尾水門槽水下缺陷及處理

吳凌丞，張大鵬，郝 楠，傅 迪

（1.黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西太原030002；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 工程概況

萬家寨水利樞紐位于屬溫帶大陸性季風氣候的西北黃土高原區(qū)。庫區(qū)兩岸為干旱、半干旱的黃土高原丘陵區(qū)，溝壑縱橫，右岸間有小塊沙丘。植被稀少、水土流失嚴重。

2 尾水門槽混凝土及埋件破損

2015年12月對萬家寨尾水閘墩進行水檢時，發(fā)現(xiàn)5號機組尾水右側(cè)閘門閘墩在▽892.3 m—▽890.3 m范圍內(nèi)，存在鋼筋外露、銹蝕，混凝土粗骨料外露，門槽軌道鋼襯破損等情況。閘門門槽外下游面高程890.5～892.5 m，右門槽下游滑軌向下游約1.5 m存在混凝土沖坑，沖坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)有鋼筋網(wǎng)裸露及反軌預埋件裸露。閘門右側(cè)門槽高程890.5～892.5 m，右側(cè)門槽內(nèi)混凝土沖刷破壞，破壞最大深度10 cm，鋼筋粗骨料裸露。閘門門槽內(nèi)下游面高程892 m處，鋼襯板破損。

3 破損缺陷原因分析

萬家寨水利樞紐由于常常工作在攜帶有大量的懸浮泥沙顆粒的水流環(huán)境下，水流使得懸浮泥沙具有較大的動能，沖撞過流表面，造成過流部件表面嚴重的沙粒沖蝕磨損。萬家寨電站尾水閘墩破損部位位于機組尾水流道兩個出口門槽中的右側(cè)門槽，處在機組對應排沙洞的出口附近，沖蝕破壞程度明顯高于機組出口門槽其他部位。

尤其是當萬家寨水庫達到設計淤積平衡后，水庫低水位排沙運行日趨常態(tài)，低水位排沙運行期間，排沙鋼管承擔重要的泄水排沙工作，排沙鋼管運行時出口段處流速由9.86 m/s陡增到25.23 m/s，在高流速、高含沙水流作用下，先是混凝土表面砂漿被沖蝕，原光滑的泄流表面出現(xiàn)沖坑，形成局部損壞，并逐漸擴展，由于碳素鋼的抗沖磨性能低于混凝土，金屬結(jié)構(gòu)沖蝕損壞程度比混凝土更為嚴重。

4 修復方案制定及材料選取

尾水閘墩位于機組過流泄水建筑物的末端，也是水工建筑物的重要組成部分，其穩(wěn)定性和完好性對水工建筑物而言至關(guān)重要，為保證水工建筑物安全，需要對該沖蝕破壞缺陷進行修補。由于沖蝕缺陷位于水下，臨近機組流道出口，創(chuàng)造干地施工存在先期工程量大、造價高、工期長等缺點，故選取潛水員在水下作業(yè)的方式進行修復。

由于確定了修復方式為水下施工，普通混凝土澆筑時會受到周圍環(huán)境水的強烈影響，混凝土拌合物穿過厚水層時，骨料易和水泥分離，較快沉落到水底，被水沖刷下來的水泥顆粒，部分被水帶走，部分長期處于懸浮狀態(tài)，當水泥再下沉時，有時已呈凝固狀態(tài)，失去膠結(jié)骨料的能力。因此澆筑的混凝土拌合物會分成一層砂礫骨料，一層薄而強度很低的水泥絮凝體或水泥渣，不能滿足工程要求。經(jīng)過對修復材料的性能對比以及參考其他大型水利工程修補施工中的應用實例，決定采用UWB型水下不分散混凝土進行修補澆筑。

UWB型水下不分散混凝土具備抗分散性，即使受到水的沖刷作用仍具有很強的抗分散性，可有效抑制水下混凝土施工時產(chǎn)生的PH及濁度上升，砂漿富于粘稠和塑性，具有優(yōu)良的自流平性及填充性，可在密布的鋼筋之間、骨架及模板的縫隙靠自重填充，具有較好的保水性，不會出現(xiàn)泌水或浮漿。UWB型水下不分散混凝土與普通混凝土相比凝結(jié)時間略有延長，可用泵送、導管、吊罐和溜槽等不同的施工方法，進行澆筑并可通過各種外加劑的復配，滿足不同施工性能的要求。

5 水下混凝土及埋件修補

5.1 水下混凝土破損部位修補

采用液壓鋸等工具在距離破損邊緣線10 cm位置切割出修補邊緣線，側(cè)壁盡量垂直，切割邊線封閉。鑿除修補范圍內(nèi)局部過高的混凝土，使修補混凝土有效地嵌固在老混凝土中，以提高修補面抗沖刷性能；對沖坑內(nèi)的老混凝土進行鑿毛，鑿出新鮮、堅實的混凝土面，增加澆筑面的糙度。潛水員采用高壓水槍、風動工具對沖坑底部及邊緣進行處理，對有青苔等粘結(jié)物處則采用水下風動砂輪進行掃刷，以消除新老混凝土結(jié)合面的隔離層，確保新老混凝土的有效粘結(jié)面積和粘結(jié)強度。

在水下采用風鉆垂直于混凝土面鉆直徑20 mm錨筋孔，錨孔間距為15 cm，錨孔深度30 cm，梅花型布置，用高壓水把孔內(nèi)屑渣沖除干凈。之后向錨孔內(nèi)注入HSL環(huán)氧材料作為錨固劑，植入φ16錨筋。向錨孔內(nèi)注入錨固劑時，錨固劑充填量應滿足錨桿插到孔底后，錨固劑能填滿錨筋周圍的環(huán)形空間。錨筋插入后，轉(zhuǎn)動幾次，使錨固劑充分與錨桿和孔壁粘緊，增加錨固力。

經(jīng)水下檢查，原鋼筋網(wǎng)未發(fā)現(xiàn)嚴重破損，僅為輕微磨蝕，為了增強混凝土的強度，將錨筋與原混凝土及補強混凝土連接成為一個整體，提高其抗沖刷能力，在原鋼筋網(wǎng)的基礎上再焊接一層φ12@150雙向鋼筋網(wǎng)，待錨固劑硬化后，鋼筋網(wǎng)與錨筋之間用水下電焊連接，鋼筋網(wǎng)保護層厚度為10 cm。

由于作業(yè)區(qū)域水質(zhì)條件較好，水下能見度高，在鋼筋網(wǎng)固定完成后，在混凝土澆筑之前用風動工具對倉面進行徹底打磨，打磨過程中形成壓縮空氣氣泡對混凝土倉面進行沖洗，消除沖蝕坑內(nèi)的渣屑、浮淤、青苔皮、錨固劑等雜物，以免在澆筑過程中形成明顯的分層，降低新老混凝土的粘結(jié)牢度和抗沖擊力。

模板采用4 mm厚鋼板和L5×5角鋼制作而成，采用M16膨脹螺栓固定鋼模板，模板四周采用L5×5角鋼包邊，模板和模板之間通過M16螺栓連接。由于模板面積較大，需澆筑混凝土質(zhì)量較大，在模板上焊接L5×5角鋼以加強模板強度，防止模板鼓出變形，澆筑后混凝土表面形成突起。為了拆模方便，模板表面涂抹黃油，模板根據(jù)沖坑的尺寸設計,在陸上制作好后吊放入水。

制備C35UWB型水下不分散混凝土，采用吊罐法進行澆筑?；炷敛捎萌斯ぐ柚?，將拌制好的混凝土裝入吊罐中，吊放至水下修補位置，由潛水員把吊罐中的混凝土送到澆筑倉內(nèi)，當發(fā)現(xiàn)模板四角預留的孔洞中溢出混凝土后，把預留洞封堵，直到最后一個預留孔洞中溢出混凝土并將預留洞封堵為止。UWB型水下不分散混凝土具有自流平、自密實的特性，無需振搗即可保證新老混凝土密切結(jié)合。

5.2 鋼襯破損部位的修補

在使用水下電焊對鋼襯板缺陷處進行補焊前，為防止鋼襯板處銹蝕影響補焊強度，先用風磨對鋼襯板缺陷處進行的除銹處理，除銹處理后鋼襯板缺陷處表面光潔、明亮。

由于鋼襯板缺陷處銹蝕面積較大，且缺陷處鋼襯板背面混凝土脫落形成空腔，采用在鋼襯板背面加焊5 mm鋼板將破損處封堵，然后使用水下電焊在5 mm鋼板上進行水下堆焊和補焊，補焊、堆焊分段、分層、多道實施，補焊和堆焊高度高于完好鋼襯板1～2 mm。

潛水員使用風動打磨機，對補焊區(qū)域進行平面打磨、拋光，直至打磨區(qū)域與完好鋼襯板平順、無高差。

6 結(jié)語

高含沙河流上泄水建筑物的沖蝕磨損破壞已引起人們高度重視。對該問題的處理，在進行泄流結(jié)構(gòu)設計時，要兼顧滿足混凝土強度指標和耐久性相關(guān)的設計參數(shù)，分析水流流速、含沙量、泥沙粒徑及組成、水庫及泄水建筑物運行方式等可能造成結(jié)構(gòu)沖蝕破壞的主要影響因素，研究合理的沖蝕修補方案和材料，并通過實踐來檢驗其適宜性。此次萬家寨水利樞紐尾水門槽水下缺陷處理的實施，也為樞紐其他相似部位的沖蝕缺陷處理提供了寶貴的經(jīng)驗。