孔頭水電站尾水渠檢修門槽水下補(bǔ)強(qiáng)加固

王超杰，萬 磊，賈麗娟

（1.福建省金湖電力有限責(zé)任公司,福建 將樂，353300；2.青島太平洋水下科技工程有限公司，山東 青島，266100）

1 工程概況

1.1 孔頭水電站概況

孔頭水電站位于閩江流域金溪中段，上游距池潭41 km，下游距將樂縣城25 km，是閩江流域金溪河流上的第五梯級電站。裝機(jī)容量40.5 MW。樞紐由左右岸混凝土重力壩、擋水壩、泄洪閘、發(fā)電廠房、戶內(nèi)升壓開關(guān)站等建筑物組成，是低水頭河床式中型水電站。壩址以上控制流域面積5 388 km2，水庫總庫容3 310萬m3，死水位174.00 m，正常蓄水位175.80 m，校核洪水位177.10 m，電站平均水頭14.0 m。左右岸擋水壩均為實(shí)體重力壩，壩頂高程為179.0 m，重力壩最大壩高26.5 m，壩長282.86m，其中：右岸混凝土重力壩長17.9 m，安裝場壩段長28.9 m，引水廠房長52.76 m，泄洪閘壩段長133 m，左岸混凝土重力壩長33.3 m。

1.2 尾水渠檢修門槽情況

2006年2 月，出于電站安全運(yùn)行考慮，針對孔頭水電站機(jī)組進(jìn)水口、機(jī)組尾水渠及檢修門槽、護(hù)坦和消力坎、溢流壩泄洪閘墩及檢修門槽、溢流堰堰頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)物進(jìn)行了全面水下檢查，檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)組尾水渠檢修門槽底部止水鋼板底面混凝土存在淘空問題，如表1所示。為使孔頭電站大壩水工建筑物的缺陷得到良好維護(hù)，保障孔頭電站的安全正常運(yùn)行，對孔頭水電站1～3號機(jī)組尾水檢修門槽處水下淘坑破壞部位進(jìn)行了水下補(bǔ)強(qiáng)加固。

2 成因分析

在電站機(jī)組運(yùn)行發(fā)電階段，電站發(fā)電機(jī)組尾水渠檢修門開啟，門槽及埋件長時間處于過流狀態(tài)，流速很大。對于這種結(jié)構(gòu)的表面和混凝土材料來說，其流速已接近甚至達(dá)到高速水流，易產(chǎn)生空化、空蝕，造成埋件周邊混凝土破壞。其破壞過程首先是埋件與混凝土接縫處和混凝土表面受到高速水流力的沖擊和化學(xué)作用而剝落，出現(xiàn)表面剝蝕，起初這種破壞是局部的，隨后，由于其附近混凝土的材料性能顯著惡化，強(qiáng)度降低，使剝蝕加速，并由此造成過流面的不平順，引起流體流態(tài)的變化，進(jìn)而加劇了空化進(jìn)程，導(dǎo)致空蝕量的急劇增加，在沖蝕和空化的混合作用下，埋件被淘空。

表1 尾水渠檢修門槽底部檢查缺陷匯總Table 1 Defects at the bottom of bulkhead gate slot of tailrace

此外，未能實(shí)時檢查和及時修補(bǔ)，沒有在受損初期就采取防護(hù)措施，造成破損的累積和加速也是一個原因。因此，及時修補(bǔ)和加固是必須采取的工程管理措施。

3 處理方案的確定

水下混凝土結(jié)構(gòu)空蝕、磨損產(chǎn)生的坑槽、孔洞可用填充修復(fù)法、填充錨固法、防滲加固法等進(jìn)行修補(bǔ)加固。對于水下混凝土結(jié)構(gòu)表面缺陷（如沖坑、淘洞缺陷）的補(bǔ)強(qiáng)加固修補(bǔ)，填充修復(fù)法、填充錨固法水下施工時，應(yīng)切割、鑿除掉坑洞內(nèi)松動、破碎的混凝土，鑿毛露出未受損的混凝土，切割線應(yīng)在破損邊緣線外6～10 cm處，開挖鑿除深度應(yīng)為6～8 cm。此外，應(yīng)保證澆筑的水下混凝土層厚度，對于水下不分散混凝土應(yīng)≥8 cm，對于環(huán)氧混凝土、樹脂混凝土應(yīng)≥5 cm。切割面與原混凝土面不應(yīng)形成反坡，夾角宜為85°～90°。鋼筋網(wǎng)的鋼筋直徑應(yīng)≥8 mm，鋼筋網(wǎng)保護(hù)層厚度應(yīng)大于5 cm，受限時可降至3 cm。錨筋應(yīng)伸入基巖或堅固的混凝土層內(nèi)，滿足錨固要求，錨固深度宜大于10 cm。

本次檢查發(fā)現(xiàn)的淘坑原始形狀基本為邊緣淺中間深、外大里小的鍋底形狀，若按此形狀直接修補(bǔ)填充，由于修補(bǔ)材料與原混凝土的熱膨脹系數(shù)不同，容易造成修補(bǔ)邊緣開裂甚至脫落失效,因此本次工藝確定的處理原則為：首先對沖坑缺陷根據(jù)水流方向進(jìn)行切割打鑿，將沖坑處理成規(guī)整的矩形，再進(jìn)行填坑修補(bǔ)。為有利于修補(bǔ)結(jié)構(gòu)抗裂和粘結(jié)，經(jīng)過多方研究、方案比選，最終選擇采用填充錨固法進(jìn)行修補(bǔ)加固。

對于沖刷深度小于50 mm的，開鑿達(dá)到50 mm，保證新澆筑的水下混凝土厚度，提高其抗沖刷能力。在淘坑中布設(shè)錨筋，錨筋直徑為14 mm，錨固深度300 mm，間排距300 mm。由于2006年水下檢查結(jié)果中淘坑沖刷深度均未大于100 mm，方案初步考慮不增設(shè)雙向鋼筋網(wǎng)。2008年現(xiàn)場施工時，發(fā)現(xiàn)部分沖坑深度有加深，為了增強(qiáng)修補(bǔ)混凝土的整體性，提高其抗沖刷能力，對于深度大于100 mm的沖坑，現(xiàn)場對方案工藝進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，在修補(bǔ)混凝土中增設(shè)一層?12@200雙向鋼筋網(wǎng)，錨筋與鋼筋網(wǎng)在水下焊接成一體。

4 修補(bǔ)材料選擇

對于深度在150 mm以內(nèi)的蝕坑，宜采用環(huán)氧混凝土（或其他聚合物混凝土）修補(bǔ)，深度很小時，采用環(huán)氧砂漿。環(huán)氧混凝土強(qiáng)度高、抗沖磨等性能好，但造價高。對于深度在150 mm以上的蝕坑，可采用水下不分散混凝土修補(bǔ)。水下不分散混凝土的性能沒有環(huán)氧混凝土的性能好，但也能滿足一定條件下的修補(bǔ)施工的要求，并且造價低。所選用的水下不分散混凝土標(biāo)號應(yīng)高于原混凝土的設(shè)計標(biāo)號。混凝土的粗骨料宜采用由未風(fēng)化火成巖加工而成的堅固性指標(biāo)良好的碎石，細(xì)骨料宜采用堅固性良好的河沙，粗、細(xì)骨料的含泥量應(yīng)盡量低（小于1%）且不得含有泥塊。為了進(jìn)一步提高混凝土的抗沖磨性能，可在混凝土中添加硅粉。

考慮修補(bǔ)后性能及沖坑的類型，本工程選擇采用水下環(huán)氧混凝土進(jìn)行修補(bǔ)加固，如圖1所示。

圖1 止水鋼板底部淘坑修補(bǔ)加固圖（單位：mm）Fig.1 Reinforcement of bottom scouring pit of water stop steel plate(unit:mm)

5 主要材料性能

目前國內(nèi)應(yīng)用的水下環(huán)氧混凝土主要有HSL-101環(huán)氧混凝土、HK-UW-1環(huán)氧混凝土。HKUW-1水下環(huán)氧混凝土（砂漿）是一種強(qiáng)度高、可在水下固化的高分子復(fù)合材料，具有在水下不分散、自流平、自密實(shí)的性能。它的低稠度使其在低溫下仍具有良好的流動性能,可采用手工、電動或混凝土強(qiáng)力攪拌機(jī)進(jìn)行拌和，并可在水下直接進(jìn)行澆注。該材料在水下固化后具有很高的抗壓和抗折強(qiáng)度，可用于大壩、港口、碼頭、橋墩等水下建筑物的止封和補(bǔ)強(qiáng)加固處理。其主要特點(diǎn)是：

（1）可在水下澆注，固化快，混凝土早期強(qiáng)度增長快，終期強(qiáng)度高；

（2）收縮小，粘結(jié)力強(qiáng)；

（3）在水下不分散、自流平、自密實(shí)，低溫仍具有良好的流動性能；

（4）優(yōu)良的抗沖磨和耐腐蝕性能，耐久性好；

（5）施工、拌和和水下澆注工藝簡便。

主要性能指標(biāo)如表2所示。

6 施工工藝

6.1 水下測量和標(biāo)識

潛水員對淘坑逐一作水下復(fù)查和測量，復(fù)查結(jié)果與此前檢查結(jié)果復(fù)核，并對修復(fù)區(qū)域作明顯標(biāo)識。本次工程復(fù)核后，發(fā)現(xiàn)部分沖坑深度有所加深，但其余尺寸基本結(jié)果一致，未發(fā)現(xiàn)淘坑大范圍擴(kuò)大或產(chǎn)生新的沖坑?，F(xiàn)場進(jìn)行復(fù)核與認(rèn)定后，經(jīng)多次開會進(jìn)行技術(shù)分析，最終對方案進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。

6.2 水下切割與鑿除

潛水員沿破損邊線外延10 cm劃出切割邊線，使用液壓鋸在水下沿已劃出的切割線切割出補(bǔ)強(qiáng)邊緣線，切割深度不少于5 cm，然后用液壓鎬鑿除待清理的混凝土。對于深度小于5 cm的淘坑，采取切割和鑿除的處理方法，使淘坑深度大于5 cm，保證澆筑新混凝土層的厚度。

6.3 水下修整與清理

將淘坑內(nèi)已被切割掉的破損混凝土和碎石等雜物清理出淘坑，棄至護(hù)坦下游。再利用高壓水直接將淘坑內(nèi)的沉積碎屑沖掃出沖坑以外，將零星混凝土塊及卵石清除干凈，露出混凝土原面，表面沖洗干凈，確保新澆混凝土能和老混凝土牢固地粘結(jié)。同時對已出露的鋼筋除銹，達(dá)到無銹痕、無銹斑，可以澆筑混凝土的程度。

6.4 水下布設(shè)鋼筋

為了增強(qiáng)被澆筑沖坑內(nèi)新老混凝土的結(jié)合強(qiáng)度，并成為一個整體，在修補(bǔ)區(qū)域內(nèi)布設(shè)錨固筋，然后對于沖坑深度大于100 mm的沖坑，架設(shè)抗沖、限裂鋼筋網(wǎng)。

（1）鉆錨筋孔：潛水員用水下液壓鉆在沖坑底部進(jìn)行水下鉆孔，按孔距30 cm布孔，孔深30 cm，孔徑?20 mm。錨筋布置圖見圖2。

圖2 錨固筋布置圖Fig.2 Layout of anchored bar

（2）錨固鋼筋：錨孔沖洗完成之后，陸上人員將拌和好的HSL-601高強(qiáng)環(huán)氧錨固劑送至水下，潛水員進(jìn)行錨固作業(yè)。錨孔內(nèi)充填滿HSL-601環(huán)氧錨固劑，插入?14的鋼筋后，要轉(zhuǎn)動幾次，使錨固劑充分與錨桿和孔壁粘緊，以增加錨固力。

（3）水下布設(shè)鋼筋網(wǎng)：對于沖刷深度大于100 mm的淘坑，為保證新澆混凝土的抗沖和限裂的整體性能，待錨固劑具有50%以上的強(qiáng)度后，需增設(shè)一層雙向鋼筋網(wǎng)。具體工藝為在錨固筋上焊接?12@200的鋼筋網(wǎng)，將事先陸上制作的鋼筋網(wǎng)整體吊裝下水，鋼筋網(wǎng)與錨筋之間用水下電焊連接，若水下原混凝土鋼筋網(wǎng)裸露，增設(shè)的雙向鋼筋網(wǎng)亦需與原混凝土鋼筋網(wǎng)電焊連接，若未裸露，一般不破環(huán)原混凝土結(jié)構(gòu)，不做處理。鋼筋網(wǎng)片之間的搭接長度不少于鋼筋直徑的15倍，采用單面焊，鋼筋保護(hù)層厚度一般為5cm。

6.5 澆筑水下環(huán)氧混凝土

根據(jù)淘坑大小計算出所需澆筑量，嚴(yán)格按水下環(huán)氧混凝土的配比，在強(qiáng)制式攪拌機(jī)中進(jìn)行陸上拌和，然后裝桶放到水下，進(jìn)行水下直接澆筑。澆筑時，應(yīng)對混凝土在水中的自由落距進(jìn)行嚴(yán)格控制，混凝土在水中的自由落距應(yīng)不大于50 cm。澆筑完的混凝土上表面應(yīng)平坦、順滑，并且保證模板的各個角落都充填飽滿。

7 結(jié)語

本次水下補(bǔ)強(qiáng)加固工程的實(shí)施，及時修復(fù)了孔頭電站1～3號機(jī)組尾水檢修門槽12處水下淘坑破壞缺陷，加強(qiáng)了尾水渠門槽混凝土的完整性，確保了電站尾水渠的安全運(yùn)行，使孔頭電站大壩水工建筑物得到良好維護(hù)，發(fā)揮了很好的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明，水下環(huán)氧混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固方法具有不受水庫運(yùn)行條件限制、實(shí)施性好、成本低，工期短等優(yōu)點(diǎn)，可供類似工程的補(bǔ)強(qiáng)加固參考。 ■

[1]羅前進(jìn),譚秀娟.水電站大壩安全定期檢查中泄水建筑物運(yùn)行安全若干問題[J].大壩與安全,2015(1):64-66.

[2]張仁凌,楊頻,柯榕.水東電站泄洪消能設(shè)施補(bǔ)強(qiáng)加固處理技術(shù)[J].大壩與安全,2015(2):71-75.

[3]李煊明.東坑病險壩加固技術(shù)研究應(yīng)用[J].大壩與安全,2012(6):62-64.