萬家寨水利樞紐5號機組尾水中墩凍融破壞修復(fù)處理

侯爭光

（黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西省偏關(guān)縣 036412）

1 工程概況

黃河萬家寨水利樞紐位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內(nèi)，是中游規(guī)劃開發(fā)的8個梯級中的第一個工程，也是山西省引黃入晉工程的龍頭工程。其左岸為山西省偏關(guān)縣，右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗。

樞紐的主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，同時兼有防洪、防凌作用。樞紐年供水量可達l4億m3，其中向內(nèi)蒙古準格爾旗供水2.0億m3，向山西省供水12.0億m3。樞紐電站裝有6臺單機容量l80MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為l080MW，多年平均年發(fā)電量為27.5億kWh，年利用小時數(shù)2546h。

樞紐工程由攔河壩、泄水建筑物、壩后式電站廠房、GIS開關(guān)站、引黃取水口等組成。攔河壩為半整體式混凝土直線重力壩，壩頂高程982.00m，壩頂長度443m，最大壩高105m。水庫最高蓄水位980.00m，正常蓄水位977.00m。水庫采用“蓄清排渾”運用方式，排沙期運用水位952.00～957.00m。

萬家寨樞紐尾水平臺寬18.45m，平臺高程同發(fā)電機層高程909.00m。尾水平臺設(shè)有一臺2×800kN尾水門機。尾水墩墻在平面上呈“山”字形布置，胸墻厚2.0～2.2m。尾水中墩分布在壩下0+112.20～壩下0+122.95，881.03～909.00m高程的位置。閘墩上設(shè)有機組尾水檢修門門槽，每臺機組尾水管由中墩分隔成2個出口，每個出口設(shè)置尾水閘門門槽一道。

2 存在問題

萬家寨水利樞紐運行十多年來，由于受發(fā)電機組開停機影響，尾水位變化頻繁，電站所處地區(qū)每年有長達4～5個月左右溫度處于0℃以下，記錄最低氣溫為-31℃，導(dǎo)致尾水閘墩在水位變化區(qū)域凍融破壞比較嚴重。檢查5號機組尾水中墩凍融破壞高程范圍為896.80～901.00m，缺陷長度3m，高度2m，最大深度可達15cm，混凝土剝離脫落嚴重，局部鋼筋外露。

3 破壞原因及現(xiàn)狀分析

3.1 混凝土凍融破壞原因

混凝土凍融破壞是高寒地區(qū)混凝土工程較常見的病害之一，是混凝土受到的物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）產(chǎn)生的損傷。引起混凝土凍融剝蝕的主要原因是混凝土空隙中的水，在干濕交替、凍融循環(huán)作用下，形成冰漲壓力和滲透壓力聯(lián)合作用的疲勞應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生由表及里的剝蝕破壞，從而降低混凝土強度。

當經(jīng)過反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，較后甚至完全喪失。從實際中不難看出，處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問題，所以飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件之一，另一必要條件是外界氣溫正負變化，使混凝土孔隙中的水反復(fù)發(fā)生凍融循環(huán)，這兩個必要條件，決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開始的層層剝蝕破壞[1]。

3.2 現(xiàn)狀分析

4 修復(fù)處理

4.1 修復(fù)方式確定

由于機組每日不定期配合電網(wǎng)調(diào)峰開機引水發(fā)電，機組尾水水位隨機組過流變化較大，根據(jù)2013～2015年尾水水位水情數(shù)據(jù)統(tǒng)計，尾水水位變化區(qū)域處于897.09～902.58m，且機組全停，水位處于897.09m的時間很少，故決定采用水下和水上兩部分分開施工，高程896.80～900.00m范圍屬于水下施工，高程900.00～901.00m范圍屬于水上施工[4]。

4.2 水下修復(fù)材料確定

鑒于尾水中邊墩高程891.29m以上部分原混凝土設(shè)計標號為R28200D250S8，要求本次修復(fù)混凝土標號高于原設(shè)計標號，考慮到尾水水位變化頻繁，普通混凝土不易施工等因素，水下施工部位決定澆筑UWB-Ⅱ水下不分散混凝土，并考慮到混凝土凍融頻繁，本次修復(fù)決定提高混凝土強度、抗凍等性能等級，確定混凝土標號為C35F300W8[3]（見表1）。

表1 UWB-Ⅱ型水下不分散混凝土性能指標Table1 UWB-II underwater non-dispersible concrete performance index

4.3 修復(fù)施工關(guān)鍵技術(shù)及難點

4.3.1 老混凝土處理

凍融破壞部位周邊的混凝土很可能也受凍融影響而強度降低，為了處理徹底，增強處理效果，需用液壓鏈鋸垂直于閘墩面進行切割。整個破壞區(qū)域采用液壓鎬鑿除，要求露出新鮮、密實的混凝土面。

4.3.2 閘墩表面弧形模板制作

支立模板恢復(fù)到原混凝土設(shè)計面，本工程閘墩表面存在弧形面，制作要求精度高，支立模板需分層支立固定。

閘墩混凝土澆筑后可對模板保留一段時間后進行拆除，鋼模板不但能最大程度地加強水下不分散混凝土的結(jié)構(gòu)強度，也能提高混凝土的抗凍融性能。同時鋼模板的保留，避免了混凝土在機組開啟時的急流狀態(tài)下被沖刷，也免去了水下不分散混凝土的養(yǎng)護時間和水下拆模時間，從而進一步提高了施工效率（見表2）。

我把自己調(diào)整到最佳狀態(tài)，忘情地讀著，希望用自己的聲音和情感去感染同學(xué)們，讓大家走進文章所描繪的意境，嗅聞那青草的芳香，呼吸那甘甜的空氣，諦聽那嗒嗒的馬蹄聲……

4.3.3 做好配合比試驗，保證混凝土抗凍性能達標

UWB-Ⅱ水下不分散混凝土應(yīng)根據(jù)標號、性能要求、現(xiàn)場溫度、初凝時間要求等，做配合比試驗，確定配合比，配置時必須嚴格按此配合比配置，確?；炷量箖龅燃夁_到F300。

4.4 修復(fù)工藝

4.4.1 切邊鑿除砼

凍融破壞部位周邊的混凝土很可能也受凍融影響而強度降低，為了處理徹底，增強處理效果，在破壞邊緣線外擴10cm位置劃出切割邊線，用液壓鏈鋸垂直于閘墩面切割邊線，切割深度10cm，切割邊線必須封閉，齊整。切割邊緣上下高程為897.10m和900.50m，左右至兩期混凝土交接處。

4.4.2 鑿毛

整個破壞區(qū)域，采用液壓鎬鑿毛，鑿除表層10～20cm松動的混凝土，要求露出新鮮、密實的混凝土面，如鑿除后混凝土質(zhì)量依然較差，則繼續(xù)鑿除，須鑿至堅實的混凝土為止。

表2 UWB-II水下不分散混凝土配比單Table 2 UWB-II underwater non-dispersive concrete proportioning list設(shè)計等級：C35F300

4.4.3 鉆孔、植錨筋

鑿除后用高壓水沖洗清理鑿除面，垂直于混凝土面鉆設(shè)橫縱間距50cm，深度30cm，直徑22mm錨筋孔，并用高壓水清除孔內(nèi)屑渣。再向錨孔內(nèi)注入環(huán)氧錨固劑，植入長度為45cm的φ16錨筋，錨固劑須飽滿，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，確保錨固強度。

4.4.4 布設(shè)鋼筋網(wǎng)、倉面清洗

在施工平臺上支立φ12@150雙向鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)外部預(yù)留5cm厚混凝土保護層，鋼筋網(wǎng)與錨筋之間用焊接的方式連接，鋼筋網(wǎng)固定好之后，澆筑混凝土之前，用高壓水對倉面進行徹底沖洗。

4.4.5 支立模板

模板采用3mm厚鋼板，尺寸為4m×1.8m，3塊模板支立而成，分層支立固定，支立過程使用5t手拉葫蘆將模板臨時固定和定型，之后采用M16膨脹螺栓（四周部位）固定，植入膨脹螺栓區(qū)域的混凝土堅實，能保證模板的固定。

4.4.6 混凝土澆筑

水下修復(fù)部位澆筑UWB-Ⅱ水下不分散混凝土，混凝土標號C35F300W8。現(xiàn)場澆筑時為保證混凝土澆筑質(zhì)量和人員工作不受開機水流影響，澆筑時選擇在機組全停的時候進行，最低水位高程897.30m，此時水下部分約20cm。直接使用料斗將混凝土灌注進模板內(nèi)的方式澆筑，澆筑過程對模板進行適當?shù)那脫?，保證混凝土中的大氣泡逸出，混凝土密實。

4.4.7 拆模及驗收

待混凝土強度達到2.5MPa以上，混凝土澆筑完畢60h后，對模板進行水下拆除，拆模后進行水下錄像，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出10cm范圍內(nèi)涂刷HSL-301無溶劑水下環(huán)氧防腐涂料，并以切割邊線為中心，在其兩側(cè)各20cm范圍內(nèi)也涂刷環(huán)氧涂料[5]（見表3）。

表3 HSL-301無溶劑水下環(huán)氧防腐涂料特性表Table 3 HSL-301 solvent-free underwater epoxy anticorrosive coating characteristics table

5 結(jié)束語

萬家寨水利樞紐5號機組尾水中墩混凝土缺凍融破壞陷處理為后續(xù)其他尾水支墩的缺陷處理提供了可靠的修復(fù)標本，為大壩后期維護提供了寶貴經(jīng)驗，水下高標號不分散混凝土的澆筑修復(fù)施工，極大地提高了修復(fù)效率，保證了閘墩的可靠度和耐久性，為大壩長期、穩(wěn)定、安全的運行等發(fā)揮了重要的作用。5號機組尾水中墩于2016年11月修復(fù)完成，運行至今，經(jīng)歷兩個冬季，檢查閘墩修復(fù)部位混凝土無裂縫、脫落等現(xiàn)象，效果良好。2017年相繼修復(fù)了5號機組尾水邊墩，4號、6號機組尾水全部閘墩，計劃2019年對1～3號機組尾水閘墩進行修復(fù)處理。