某水利樞紐尾水閘墩凍融破壞處理淺析

邢立麗，畢經(jīng)清

（青島太平洋水下科技工程有限公司，山東青島，266200）

1 工程概況

某水利樞紐位于溫帶大陸性季風(fēng)氣候的西北黃土高原。冬季多西北風(fēng)，氣候寒冷干燥，雨雪稀少且多風(fēng)沙；夏季氣候干燥炎熱，降水多以短歷時暴雨形式出現(xiàn)，大面積長歷時的降水較少。壩址位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內(nèi)，樞紐為混凝土重力壩，最大壩高105 m，壩頂長度443 m，壩頂高程982.00 m，校核洪水位980.0 m，正常蓄水位977.00 m。

樞紐尾水墩墻在平面上呈“山”字型布置，胸墻厚2.0～2.2 m。尾水閘墩布置在壩下0+118.35～0+120.75，高程881.03～909.00 m。閘墩前為6臺發(fā)電機(jī)組的尾水檢修門槽，每臺機(jī)組尾水管由中墩分隔成2個出口，每個出口設(shè)置尾水檢修門槽一道。

由于機(jī)組每日不定期配合電網(wǎng)調(diào)峰開機(jī)引水發(fā)電，機(jī)組尾水水位隨機(jī)組過流變化較大（897.09～902.58 m），歷時較短，使該水利樞紐尾水閘墩水位變化區(qū)混凝土出現(xiàn)不同程度的凍融破壞。各工況條件下尾水水位情況詳見圖1。

結(jié)合5號機(jī)組A級檢修，對5號機(jī)組尾水閘墩進(jìn)行修復(fù)施工，修復(fù)范圍見圖2和圖3。

圖1 尾水平臺及中墩剖面圖Fig.1 Draft tube deck and profile of central pier

5號機(jī)尾水中墩存在的凍融破壞情況：凍融破壞高程約896.80～901.00 m左右，缺陷長度4 m，高度4.2 m，深度15 cm。尾水中墩高程891.29 m以上部分原混凝土設(shè)計標(biāo)號為R28200D250S8，修復(fù)混凝土標(biāo)號高于原設(shè)計標(biāo)號。凍融破壞部位位于水位變動區(qū)，分為水上和水下兩部分施工，方案按照高程896.80～900.00 m屬于水下施工，高程900.00～901.00 m范圍屬于水上施工。

圖2 5號機(jī)尾水中墩立視圖Fig.2 Elevation view of the central pier of Unit 5

圖3 5號機(jī)尾水中墩平面圖Fig.3 Plan of the central pier of Unit 5

2 施工中關(guān)鍵技術(shù)及難點

2.1 老混凝土處理

破損部位之外的混凝土很可能也受凍融影響而強(qiáng)度降低，為了處理徹底，保證修復(fù)效果，采用液壓鏈鋸垂直于閘墩面進(jìn)行切割。對于整個破損區(qū)域，采用液壓鎬鑿毛，鑿除表層松動的混凝土，露出新鮮、堅硬的混凝土面，保證新老混凝土粘接良好，新澆混凝土填充飽滿、密實。

2.2 閘墩表面模板制作

支立模板恢復(fù)到原混凝土設(shè)計面，由于閘墩表面存在弧形面，制作要求精度高，支立模板前需進(jìn)行精確測量，模板制作時嚴(yán)格按測量尺寸加工，進(jìn)行精細(xì)安裝。支立模板需分層支立固定，支立過程使用手拉葫蘆將模板臨時固定和定型。

2.3 使用抗凍等級高的混凝土

修復(fù)區(qū)使用抗凍等級為F300的混凝土。

水下不分散混凝土應(yīng)根據(jù)標(biāo)號、現(xiàn)場溫度、初凝時間等要求，做配合比試驗、確定配合比，配制時須嚴(yán)格按此配合比配制。

為保證混凝土質(zhì)量，應(yīng)檢查用于拌制混凝土的水泥，在滿足相關(guān)規(guī)范的前提下方可使用。砂子、石子應(yīng)清洗干凈。

2.4 水下澆筑的工藝控制

（1）導(dǎo)管在使用前應(yīng)進(jìn)行密閉試驗，密閉情況不好的導(dǎo)管不可投入使用。

（2）澆筑過程中，導(dǎo)管不得左右移動。

（3）開始澆筑時，導(dǎo)管底部不宜離地基面太高，以軟球能夠脫出導(dǎo)管為宜。

（4）混凝土粗骨料的最大粒徑不得大于導(dǎo)管內(nèi)徑的1/4或鋼筋凈間距的1/4，亦不宜超過6 cm；坍落度16～22 cm，開始時坍落度取小值，結(jié)束時根據(jù)情況適當(dāng)放大，確保混凝土表面能自動坍平。

（5）灌筑過程中，為確保后注入的混凝土與水隔離，應(yīng)使導(dǎo)管內(nèi)充滿混凝土，并保持導(dǎo)管始終埋在已澆筑的混凝土中。

（6）水下不分散混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑。當(dāng)施工過程中不能連續(xù)澆筑時，續(xù)澆的時間間隔不宜超過水下不分散混凝土的初凝時間。

（7）保證連續(xù)供電。施工過程中保證有備用電源，或使用電廠備用電源，避免突然停電造成混凝土澆筑中斷。

3 施工工藝

施工采用切邊鑿除→鑿毛→鉆孔→植錨筋→布設(shè)鋼筋網(wǎng)→倉面清理→支立模板→混凝土澆筑→拆模的施工流程。要求切邊整齊，鑿除混凝土至堅硬、新鮮混凝土面，鉆孔和布設(shè)鋼筋網(wǎng)滿足設(shè)計要求深度及密度，支立模板恢復(fù)到原混凝土設(shè)計面，澆筑混凝土等級大于原設(shè)計混凝土。

圖4 修復(fù)處理剖面示意圖（單位：mm）Fig.4 Profile of treatment(unit:mm)

3.1 切邊鑿除破損混凝土

潛水員在距離破損邊緣線一定距離的位置劃出切割邊線，用液壓鏈鋸沿著已劃好的切割邊線，盡量垂直于閘墩面進(jìn)行切割，切割邊線必須封閉、盡量齊整。嚴(yán)禁將原鋼筋或鋼筋網(wǎng)切斷，若原有鋼筋裸露在外部分已生銹、斷裂，視情況可現(xiàn)場進(jìn)行簡單切割及恢復(fù)處理。切割邊緣上下高程為897.10 m和900.50 m，左右至二期混凝土交接處。

3.2 鑿毛

對于整個破損區(qū)域，采用液壓鎬鑿毛，鑿除表層松動的混凝土，露出新鮮、堅硬的混凝土面，以增加澆筑面的糙度和新老混凝土的結(jié)合強(qiáng)度。為增強(qiáng)新老混凝土的粘接力，鑿除的界面不能過于光滑平坦，整體平整度滿足要求即可。鑿毛后用高壓水槍把渣屑及泥土等清除干凈。

3.3 鉆孔、植錨筋

為提高新老混凝土的結(jié)合強(qiáng)度，使其更好地成為一個整體，需在老混凝土中植入錨筋。潛水員用液壓鉆垂直于混凝土面鉆錨筋孔，采用梅花形布置，鉆好錨筋孔后，用高壓水清除孔內(nèi)的巖屑和沉渣，使孔壁無雜物附著。

錨孔清洗完成之后，向錨孔內(nèi)注入環(huán)氧材料作為錨固劑，植入錨筋，錨固劑須足夠多，保證錨筋插入后，錨固劑能夠填滿錨筋和錨孔之間的環(huán)形空間。錨筋插入之后，轉(zhuǎn)動幾圈，使錨固劑與錨筋、錨孔之間充分接觸，增加錨固力。

圖5 植筋后錨固Fig.5 Anchoring by embedded steel bars

3.4 布設(shè)鋼筋網(wǎng)、倉面清洗

為了增強(qiáng)修補(bǔ)混凝土的整體性，提高其抗沖刷能力，要布設(shè)鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)事先在岸上綁扎或焊接，現(xiàn)場在施工平臺上支立雙向鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)外部預(yù)留一定厚度混凝土保護(hù)層。待錨固劑硬化后，將制作好的鋼筋網(wǎng)整體吊裝下水就位，由潛水員用水下電焊機(jī)將鋼筋網(wǎng)與錨筋焊接在一起，鋼筋網(wǎng)與錨筋之間點焊連接，焊接質(zhì)量滿足相關(guān)規(guī)范要求。

鋼筋網(wǎng)固定好之后，在澆筑混凝土之前，用高壓水對倉面進(jìn)行沖洗，沖出倉內(nèi)的碎塊、淤泥、渣屑等雜物，以免在新老混凝土之間形成夾層，降低新老混凝土之間的粘結(jié)。

3.5 支立模板

閘墩凍融區(qū)域修復(fù)屬于立面修補(bǔ)，需支立鋼模板。因閘墩表面存在弧形面，制作時按預(yù)先測量好的尺寸加工，可適當(dāng)增設(shè)角鋼作為肋板。

四周部位通過膨脹螺栓固定，中間部位通過錨筋固定，植入膨脹螺栓之前，應(yīng)在膨脹螺栓孔內(nèi)注入錨固劑，錨固劑應(yīng)足夠多，確保膨脹螺栓插入后，錨固劑能夠充滿膨脹螺栓與膨脹螺栓孔之間的空隙。

在模板的適當(dāng)位置預(yù)留混凝土進(jìn)料口和溢出口，溢出口設(shè)活頁蓋板，并可封牢。安裝時，模板與基底的接觸應(yīng)充分吻合，確保接縫處不漏漿。模板立好后檢查其頂部高程、平整度。

混凝土澆筑時，若突然開機(jī)過流將對新澆筑混凝土質(zhì)量帶來很大影響，水流易對澆筑部位的混凝土造成沖刷。為了保證混凝土的澆筑質(zhì)量，在澆筑前，可將模板一次性安裝出水面，并在模板與模板、模板與混凝土接縫部位涂刷密封膠，利用整體模板將新澆筑的混凝土保護(hù)起來，減小或避免水流對新澆混凝土的影響。待澆筑工作全部完成，混凝土達(dá)到適當(dāng)強(qiáng)度后再統(tǒng)一拆除模板。

圖6 固立好的模板Fig.6 Fixed formwork

3.6 混凝土澆筑

混凝土澆筑需在機(jī)組全停機(jī)狀態(tài)下，避免開機(jī)水流對澆筑過程中的混凝土造成沖刷。混凝土澆筑采用直接使用料斗將混凝土灌注進(jìn)模板內(nèi)的方式，澆筑過程對模板進(jìn)行適當(dāng)?shù)那脫簦够炷林械拇髿馀菀莩?，確保混凝土密實。

3.6.1 混凝土制備

制備混凝土?xí)r需根據(jù)澆筑時的氣溫和水溫等條件進(jìn)行現(xiàn)場配比試驗，調(diào)整試驗混凝土稠度和流動性，配制同等條件下滿足性能要求的水下混凝土，做24 h強(qiáng)度試驗，合格后方可進(jìn)行水下澆筑。開始制備前，根據(jù)工程量確定每批攪拌所需砂、石子、水泥及外加劑的用量，稱好備用。

3.6.2 UWB混凝土材料性能

此次修復(fù)水下部分均采用UWB－Ⅱ型絮凝劑配制的水下不分散混凝土。UWB－Ⅱ型絮凝劑是粉末狀物質(zhì)，用其配制的混凝土有超強(qiáng)的抗分散性、適宜的流動性和滿意的施工性能，從根本上解決了水下混凝土抗分散性能、力學(xué)性能和施工性能三者之間的矛盾，真正實現(xiàn)了水下混凝土的自流平和自密實，可用于碼頭、大壩、水庫修補(bǔ)以及普通混凝土較難施工的水下工程。

UWB－Ⅱ型水下不分散混凝土具有以下特點：

（1）即使受到水的沖刷作用仍具有很強(qiáng)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。

（2）優(yōu)良的施工性：UWB－Ⅱ型水下不分散混凝土、砂漿富有粘稠和塑性，具有優(yōu)良的自流平性及填充性，可在密布的鋼筋之間、骨架及模板的縫隙間靠自重進(jìn)行填充，無需振搗。

（3）較好的保水性：UWB－Ⅱ型水下不分散混凝土可提高混凝土的保水性，不會出現(xiàn)泌水或浮漿。

（4）安全環(huán)保：UWB－Ⅱ型水下不分散混凝土絮凝劑經(jīng)衛(wèi)生檢疫部門檢測，對人體無毒無害，可用于飲用水工程。

（5）此次修復(fù)所采用的UWB－Ⅱ型水下不分散混凝土具有抗沖耐磨性能，適用于水下沖刷坑等水毀工程的補(bǔ)強(qiáng)加固。

3.6.3 UWB－Ⅱ混凝土澆筑

水下修復(fù)部位澆筑C35UWB水下不分散混凝土，抗凍標(biāo)號F300。采用導(dǎo)管澆筑法，導(dǎo)管頂部裝有料斗，安裝模板之前將導(dǎo)管插入到澆筑倉最下端，先通過隔水球?qū)⒆钕葷仓幕炷僚c水隔開，最先澆筑的混凝土隨即將導(dǎo)管口埋住，新混凝土通過導(dǎo)管下口，進(jìn)入到最先澆筑的混凝土（作為隔水層）底部，新澆筑的混凝土頂托著先澆筑的混凝土上升并向周邊擴(kuò)展，從而避免了新澆筑的混凝土與水的接觸。由下向上一次性連續(xù)澆筑混凝土，澆筑完成之前盡量保持導(dǎo)管在底部不動。

水上部分的澆筑不受水流的影響，直接使用料斗澆筑C35F300混凝土，澆筑過程對模板進(jìn)行振搗，使混凝土中的大氣泡逸出，確?；炷撩軐崱?/p>

3.7 拆模及驗收

待混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa以上，混凝土澆筑完畢大于60 h后，拆除水下模板，拆摸后進(jìn)行水下錄像，檢查混凝土澆筑效果。

模板拆除后將膨脹螺栓和錨筋切除，切除的螺栓和錨筋部位應(yīng)與新澆混凝土面齊平，之后以其為中心向四周擴(kuò)出10 cm范圍內(nèi)涂刷環(huán)氧涂料，共涂刷兩遍，并以切割邊線為中心，在其兩側(cè)各20 cm范圍內(nèi)涂刷環(huán)氧涂料，共涂刷兩遍。最后對新澆筑的混凝土進(jìn)行復(fù)查。

圖7 拆模后的混凝土面Fig.7 Concrete surface after form removal

4 結(jié)語

近幾十年來，我國的水利水電工程建設(shè)蓬勃發(fā)展。在今后一段時期，隨著時間的推移，水工建筑物的老化、損壞等缺陷會越來越多。

該水利樞紐尾水閘墩水位變化區(qū)在處理前破損情況嚴(yán)重，按上述方案將5號尾水中墩凍融破損部位作為試驗段處理后，工程質(zhì)量良好，并且經(jīng)過兩個冬季的運行，未發(fā)生凍脹、剝落等異?，F(xiàn)象，為后期其余尾水閘墩修補(bǔ)加固提供了施工經(jīng)驗。從處理過程看，該方案一方面不影響機(jī)組發(fā)電，同時又確保在短時間內(nèi)完成，并取得了理想的效果，對類似電站和水利樞紐凍融破壞缺陷處理具有一定的借鑒參考作用。