環(huán)氧類材料修補(bǔ)技術(shù)在隔河巖大壩水墊池的應(yīng)用

楊 鴻，吳道倉(cāng)

(湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

清江隔河巖水利樞紐工程是清江中下游梯級(jí)開(kāi)發(fā)的三個(gè)梯級(jí)中間一級(jí)，工程于1996 年全部建成。隔河巖大壩為上重下拱的重力拱壩，壩頂高程206 m，最大壩高151 m，壩下游設(shè)水墊池。泄洪設(shè)備由7個(gè)溢流表孔和4個(gè)全壓下彎型泄洪深孔組成。為了克服拱壩泄水的向心水流，采用不對(duì)稱寬尾墩將水舌縱向拉開(kāi)變成薄片，水流平行地落在水墊池內(nèi)消能。其結(jié)構(gòu)將高速水流束窄、拉長(zhǎng)、分散，在空中充分摻氣后再落入水墊池中紊動(dòng)消能, 水力學(xué)條件復(fù)雜。

水墊池由護(hù)坦、尾坎和左右貼坡式邊墻組成。護(hù)坦板頂高程58～59 m，尾坎頂高程65 m。水墊池結(jié)構(gòu)布置為3～4 m厚混凝土護(hù)坦加錨樁、封閉抽排系統(tǒng)型式，池上游寬度133 m，下游寬112 m，順流向最大池長(zhǎng)153.5 m，分9排，自上至下分別編號(hào)0～8，每排分7～9 塊護(hù)坦板，自左岸至右岸分別編號(hào)。為防止高速水流磨蝕、沖蝕水墊池，護(hù)坦表層采用厚50 cm的 C40抗沖耐磨混凝土。由于受大壩泄洪沖蝕的影響，隔河巖大壩水墊池先后在1993、1996、1999年進(jìn)行過(guò)三次修補(bǔ)，詳見(jiàn)表1。

1 缺陷情況

2016年受超強(qiáng)厄爾尼諾事件影響，汛期清江流域降雨持續(xù)偏多，其中梅雨期間降水達(dá)到563.6 mm，較多年均值偏多82.7%，尤其是在“7.19”強(qiáng)降水過(guò)程中，隔河巖入庫(kù)洪峰9 742 m3/s，其中區(qū)間最大流量8 700 m3/s，接近百年一遇，大壩表孔開(kāi)閘泄洪，最大下泄流量5 416 m3/s，持續(xù)時(shí)間215 h，累計(jì)泄洪11.2億m3。2017年1月，運(yùn)行單位組織了隔河巖大壩水墊池水下檢查，發(fā)現(xiàn)護(hù)坦底板有大面積沖蝕磨損。2017年4月19日完成水墊池抽排水工作，經(jīng)全面檢查發(fā)現(xiàn)，底板護(hù)坦有一處面積862 m2的沖蝕磨損區(qū)，靠近左側(cè)邊墻的護(hù)坦3-1至7-4排之間，形狀為不規(guī)則“T”字形，鋼筋裸露，最大深度為25 cm；護(hù)坦底板與左側(cè)邊墻連接部位發(fā)現(xiàn)一處堆積物(距下游尾坎10 m)，淤積物直徑5 m，高度2 m，由鋼筋和混凝土塊纏繞形成團(tuán)狀；另有局部蜂窩麻面、鋼筋裸露等缺陷，見(jiàn)圖1。

表1 歷次缺陷及修補(bǔ)內(nèi)容

圖1 水墊池缺陷圖

2 原因分析

經(jīng)初步分析，隔河巖大壩水墊池破損主要原因如下：

1)1999年在水墊池原護(hù)坦板上新澆一層高標(biāo)號(hào)混凝土，厚15 cm，布置了錨筋和鋼筋網(wǎng)。但新澆薄層混凝土與下部的老混凝土結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度不足，局部可能形成縫隙。泄洪的水舌跌落在水墊池內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)，強(qiáng)烈的脈動(dòng)壓力作用在縫內(nèi)和板表面，在隨機(jī)組合下組成向上的力將修補(bǔ)混凝土板折斷、抬起。

2)修補(bǔ)區(qū)新老混凝土層面結(jié)合弱面問(wèn)題在高速水流沖蝕下更容易顯現(xiàn)，水墊池表面一旦破損，“破壞鏈”反映就會(huì)迅速加快，從而造成大面積破壞。

3)沖毀的混凝土板、團(tuán)狀鋼筋網(wǎng)殘留在水墊池內(nèi)，形成“推磨”效應(yīng)，磨蝕護(hù)坦板、水墊池尾坎和左右側(cè)邊墻，造成局部粗骨料、鋼筋外露，蜂窩麻面等。

3 修補(bǔ)方案

隨著近年來(lái)認(rèn)識(shí)的提高，許多工程實(shí)例表明，單純提高水墊池護(hù)坦板表面抗沖耐磨混凝土強(qiáng)度等級(jí)，仍然不足以抵抗泄洪高速水流的沖蝕破壞，隔河巖大壩水墊池底板反復(fù)被沖毀，說(shuō)明傳統(tǒng)高標(biāo)號(hào)抗沖耐磨混凝土填充錨固法修復(fù)效果不佳。而環(huán)氧類修補(bǔ)材料與高標(biāo)號(hào)抗沖耐磨混凝土相比，可以提高材料表面抗高速水流沖磨能力、抗沖擊韌性以及與基底老混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度和大面積薄層施工適應(yīng)性等性能。隨著修補(bǔ)工藝和抗沖耐磨材料研究的進(jìn)步，采用環(huán)氧類材料修補(bǔ)水工建筑物過(guò)流面已在工程實(shí)踐中得以成功應(yīng)用，如貴州烏江沙陀水電站水墊池、烏江構(gòu)皮灘水電站水墊塘、二灘水電站水墊塘等均采用環(huán)氧類材料進(jìn)行修補(bǔ)，并取得了成功的經(jīng)驗(yàn)[1]。

經(jīng)反復(fù)研究、論證和方案比選，確定修補(bǔ)方案如下：

水墊池護(hù)坦板“T”字形破損區(qū)面積達(dá)到862 m2，最大深度達(dá)25 cm，具有面積大、破損深度深的特點(diǎn)，針對(duì)該區(qū)域采用高性能C50一級(jí)配親水性環(huán)氧混凝土修補(bǔ)，為增加錨固力，設(shè)置φ20 mm，間排距50 cm×50 cm的錨筋。

水墊池局部沖坑、鋼筋外露等缺陷部位最大深度不大于6 cm，針對(duì)該區(qū)域采用高性能改性環(huán)氧砂漿修補(bǔ)。

水墊池表面存在粗骨料裸露的情況，對(duì)原抗沖耐磨混凝土表面粗骨料裸露深度小于3 mm的區(qū)域暫不處理，裸露深度大于3 mm而不足10 mm的區(qū)域采用抗沖磨環(huán)氧膠泥修補(bǔ)，裸露深度大于10 mm的區(qū)域采用高性能改性環(huán)氧砂漿修補(bǔ)[2]。

4 主要修補(bǔ)材料性能

隔河巖大壩水墊池修補(bǔ)工程對(duì)修補(bǔ)材料不僅要求其具有較高的抗壓強(qiáng)度，而且要有良好的粘結(jié)能力和韌性，同時(shí)應(yīng)有好的抗沖耐磨性能，環(huán)氧混凝土、環(huán)氧砂漿性能指標(biāo)見(jiàn)表3、表4。

5 施工工藝

現(xiàn)以“T”字形沖坑環(huán)氧混凝土修補(bǔ)過(guò)程為例，簡(jiǎn)述修補(bǔ)施工過(guò)程。

5.1 修補(bǔ)范圍確定

水墊池積水抽干以后，確定修補(bǔ)范圍，進(jìn)行標(biāo)識(shí)，然后用全站儀進(jìn)行測(cè)量。

5.2 破損混凝土鑿除

人工利用風(fēng)鎬、電鎬鑿除切割范圍以內(nèi)的破損混凝土，局部深度不足8 cm的，鑿除深度控制在8 cm以上，有松動(dòng)塊的一并鑿除。

5.3 基面處理

修補(bǔ)區(qū)基面鑿毛采用風(fēng)鎬、電鎬進(jìn)行鑿毛，鑿毛完成后人工清除混凝土灰渣，使用高壓水槍與空氣壓縮機(jī)清洗，基面采取自然風(fēng)干、高壓風(fēng)槍吹干。

5.4 基面界面劑涂刷

基面界面劑采用環(huán)氧基液，環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑配比為100∶25，預(yù)先配制好后送入倉(cāng)內(nèi)涂刷。采用毛刷涂刷，基液涂刷均勻完整，無(wú)漏涂，在基面凹凸的部位反復(fù)涂刷，凹坑處無(wú)積液，做到薄而均勻，無(wú)流掛、無(wú)露底。基液涂刷完成后30 min左右開(kāi)始澆筑混凝土，澆筑前用手指觸摸，起指時(shí)能拉絲時(shí)為最佳時(shí)間。

5.5 環(huán)氧混凝土拌制

1)原材料。水泥：采用42.5普通硅酸鹽水泥；砂子：為保證澆筑面平整，砂最大粒徑應(yīng)小于2.5 mm，現(xiàn)場(chǎng)砂中2.5 mm以上顆粒予以篩除,砂子完全曬干；骨料：采用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的天然骨料，粒徑在5～20 mm之間，對(duì)粒徑大于20 mm的進(jìn)行篩除，為保證混凝土施工質(zhì)量，石子完全曬干；環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑：選用巴陵石化公司生產(chǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂型號(hào)為YCD128，固化劑型號(hào)為531-II。

2)環(huán)氧混凝土配合比試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目進(jìn)度情況，將環(huán)氧混凝土計(jì)劃采用的環(huán)氧膠凝材料、現(xiàn)場(chǎng)施工砂石料樣品送至專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，開(kāi)展配合比試驗(yàn)，選用2種環(huán)氧基液、2種固化劑，每種環(huán)氧材料3 d與7 d試塊分別成型一組。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，最終實(shí)施配比見(jiàn)表2。

表2 環(huán)氧基液、混凝土配合比表

3)環(huán)氧混凝土攪拌。由于環(huán)氧混凝土在國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)成熟的攪拌設(shè)備，于施工前分別在市場(chǎng)上采購(gòu)了350 L自落式混凝土攪拌機(jī)、300型砂漿攪拌機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展攪拌試驗(yàn)，最終確定采用300型橫軸式砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，因環(huán)氧混凝土粘性大，多次造成設(shè)備損壞，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)原定型產(chǎn)品的電機(jī)、傳動(dòng)軸、攪拌葉片等部位進(jìn)行改造，最終能適應(yīng)環(huán)氧混凝土攪拌需要。

5.6 環(huán)氧混凝土澆筑

1)分倉(cāng)。混凝土分倉(cāng)按原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)塊進(jìn)行分倉(cāng)，在原護(hù)坦混凝土結(jié)構(gòu)縫處立模，先澆塊環(huán)氧混凝土固化以后拆模，在結(jié)構(gòu)縫處夾10mm厚高密度瀝青泡沫板作為分縫板，再開(kāi)始后澆塊施工。澆筑順序原則上采用從上游向下游、從左岸向右岸的順序隔倉(cāng)進(jìn)行澆筑。

2)倉(cāng)內(nèi)分條分塊。由于環(huán)氧混凝土內(nèi)有環(huán)氧樹(shù)脂原材料，環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)過(guò)程中釋放大量熱量，如澆筑速度過(guò)快，大量混凝土聚積在一起熱量無(wú)法散發(fā)出去，會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂出現(xiàn)爆聚，混凝土出現(xiàn)酥松、翹起，所以在同一倉(cāng)內(nèi)，需要分條塊施工，分條時(shí)順?biāo)鞣较蚍謼l。分條塊寬度先澆塊按1.5～2.0 m控制，后澆筑塊按0.5～1.0 m，根據(jù)倉(cāng)號(hào)的形狀和環(huán)氧混凝土的拌制速度進(jìn)行分條?，F(xiàn)場(chǎng)施工情況見(jiàn)圖2。

圖2 環(huán)氧混凝土施工照片

3)環(huán)氧混凝土振搗。由于環(huán)氧混凝土中加入了環(huán)氧樹(shù)脂，拌合物黏性大，無(wú)法用常規(guī)振搗器振搗?，F(xiàn)場(chǎng)施工中，加工了部分木錘，利用風(fēng)鎬、電鎬改裝制作了四套沖擊振搗設(shè)備，同時(shí)配置了兩套平板振搗器。混凝土入倉(cāng)后，人工用釘耙將混凝土鋪平，分兩層進(jìn)行振搗，每層鋪平后首先用改裝的沖擊振搗設(shè)備進(jìn)行振搗，邊角處加強(qiáng)振搗，局部用木錘輔助錘實(shí)，達(dá)到收面高程后，在混凝土初凝以前，再用平板振搗器振搗平整。

4)收面養(yǎng)護(hù)。澆筑前根據(jù)原倉(cāng)面高程和結(jié)構(gòu)體形，按分條情況布置施工線，收面時(shí)利用刮尺、抹刀收面，保證倉(cāng)面光滑平整，與原結(jié)構(gòu)體型一致，與周邊原混凝土齊平，澆筑后效果見(jiàn)圖3。

圖3 收面后效果照片

5)接縫處理。修補(bǔ)區(qū)域與老混凝土邊界接縫應(yīng)在環(huán)氧混凝土填補(bǔ)沖坑或缺陷部位完成3 d后，新老混凝土結(jié)合縫表面兩側(cè)20 cm范圍內(nèi)涂刷界面基液粘結(jié)劑，保證基液盡量滲入接觸縫之內(nèi)，條帶結(jié)合縫兩側(cè)10 cm范圍內(nèi)涂刷界面基液粘結(jié)劑，確保有效結(jié)合。

5.7 混凝土表面缺陷處理

環(huán)氧混凝土修補(bǔ)后表面出現(xiàn)了一些缺陷，主要是：先澆條與后筑條之間收面不平整產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，新老混凝土之間結(jié)合縫、先澆條與后澆條之間結(jié)合縫、新混凝土表面出現(xiàn)寬0.5 mm左右的裂縫。處理措施如下：

1)對(duì)于表面錯(cuò)臺(tái)，采用角磨機(jī)帶金剛石磨片進(jìn)行打磨，磨出1∶20的斜坡順接。錯(cuò)臺(tái)較高不能打磨出1∶20的順接斜坡的，將錯(cuò)臺(tái)較低的一側(cè)表面鑿毛后，涂刷環(huán)氧基液，利用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)平順，環(huán)氧砂漿表面涂刮環(huán)氧基液，使表面光滑平順。

2)對(duì)于新老混凝土結(jié)合縫、先澆和后澆條帶之間結(jié)合縫產(chǎn)生收縮縫的部位，對(duì)于縫寬小于0.5 mm的，利用醫(yī)用注射器向縫內(nèi)灌注高滲透改性環(huán)氧灌漿材料(HK-G2)，重復(fù)多灌幾次，充分向縫內(nèi)滲透使縫內(nèi)漿液充填飽滿，漿液不再下沉為止。對(duì)于縫寬大于0.5 mm的，直接從縫口灌注環(huán)氧混凝土用環(huán)氧基液，返復(fù)多灌幾次，直至縫內(nèi)漿液充填飽滿不再下沉為止，最后在混凝土表面縫口兩側(cè)20 cm范圍內(nèi)涂刮環(huán)氧基液覆蓋。

6 質(zhì)量檢查

6.1 現(xiàn)場(chǎng)材料取樣檢測(cè)成果

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，將試驗(yàn)?zāi)＞哌\(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，從出機(jī)口取樣成型再寄回專業(yè)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，環(huán)氧混凝土檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，環(huán)氧砂漿檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 C50一級(jí)配環(huán)氧混凝土主要性能參數(shù)檢測(cè)結(jié)果

6.2 拉拔實(shí)驗(yàn)

同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，在5-3倉(cāng)號(hào)左側(cè)完好混凝土面上，利用同倉(cāng)澆筑混凝土在完好混凝土表面做了兩小塊修補(bǔ)樣品，鉆孔后用AB膠粘拉拔頭，利用拉拔儀進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試新老混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度[3]，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果見(jiàn)圖4。

從檢測(cè)成果看，在樣品粘結(jié)強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)指標(biāo)，且未加錨筋情況下，實(shí)驗(yàn)粘接塊均從老混凝土處斷裂，說(shuō)明新老混凝土粘結(jié)效果良好，且新修補(bǔ)混凝土強(qiáng)度大于老混凝土，同等泄洪條件下，不會(huì)再出現(xiàn)前兩次從接合面處破壞，新混凝土被剝離現(xiàn)象。

表4 環(huán)氧砂漿主要性能參數(shù)檢測(cè)結(jié)果

表5 現(xiàn)場(chǎng)粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)表

圖4 現(xiàn)場(chǎng)拉拔檢測(cè)照片

6.3 水下檢查

2017年10月，隔河巖大壩經(jīng)歷泄洪，持續(xù)時(shí)間261.2 h，最大泄量4 770 m3/s，累計(jì)泄洪量7.56億m3；汛后潛水員對(duì)水墊池進(jìn)行了全面水下檢查，對(duì)修補(bǔ)工程進(jìn)行了重點(diǎn)檢查，未見(jiàn)異常，見(jiàn)圖5。

圖5 水下檢查環(huán)氧混凝土修補(bǔ)效果

7 結(jié) 語(yǔ)

隔河巖大壩水墊池C50一級(jí)配環(huán)氧混凝土修補(bǔ)面積達(dá)862 m2，澆筑方量153 m3，無(wú)論修補(bǔ)面積、體積均為國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)，且在高溫、多雨的季節(jié)實(shí)施，積累了一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，具體如下：

1)環(huán)氧混凝土使用量較少，國(guó)內(nèi)少有成熟經(jīng)驗(yàn)借鑒，尤其是大面積施工。所以環(huán)氧混凝土施工前，一定要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體使用要求、采用的材料，充分開(kāi)展配合比試驗(yàn)研究，確保環(huán)氧混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)滿足使用要求。本工程因需趕在汛前完工，時(shí)間緊，未對(duì)環(huán)氧材料進(jìn)行預(yù)先選型及材料配比實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度指標(biāo)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2)受環(huán)氧材料性能限制，環(huán)氧混凝土養(yǎng)護(hù)無(wú)法采用常規(guī)混凝土的養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行，以后有類似工程施工時(shí)，要根據(jù)混凝土的特性，專門(mén)研究制定溫度控制措施，防止出現(xiàn)裂縫。

3)環(huán)氧混凝土自身線膨脹系數(shù)比常規(guī)的水泥混凝土大，受環(huán)境溫度變化影響后自身變形大，在大面積薄層澆筑時(shí)，受基礎(chǔ)約束，出現(xiàn)裂縫的可能性比較大，澆筑之前，要根據(jù)其特性研究合理的分塊、分條方式。

4)環(huán)氧混凝土宜選擇在低溫、降雨少的季節(jié)施工，減少施工中防雨、防潮施工措施費(fèi)用。

5)環(huán)氧混凝土黏性大，市場(chǎng)上暫無(wú)適應(yīng)的攪拌和振搗設(shè)備，如再有大規(guī)模施工，要根據(jù)需要設(shè)計(jì)制作適合的攪拌以及振搗設(shè)備。

6)水墊池在后期運(yùn)行過(guò)程中每次泄洪后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢查、雜物清理和缺陷修補(bǔ)。