受水流沖蝕破壞的泄水洞修復技術

張 榮 貴， 程 鯤

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

0 引 言

溝水處理工程是水電站溝口棄渣場防護的重要輔助工程，通常在棄渣場上游設置攔水壩，并通過溢洪道、泄水洞等設施將溝水引流到下游水庫[1]。泄水洞為永久工程，在長期運行中，隧洞底板和兩側邊墻下部混凝土易受水流沖蝕破壞，底板出現(xiàn)較深沖坑、邊墻沖蝕嚴重部位出現(xiàn)局部倒懸，各沖蝕部位鋼筋裸露，破壞泄水洞的結構整體性，可能危及泄水洞本身及整體工程的運行安全。因此，采取合理的技術方案對泄水洞進行系統(tǒng)修復，保證泄水洞的長期安全運行至關重要。近年來，一些學者對水電站泄水道、消力池底板、輸水隧洞、泄水洞等受水流沖蝕修復進行了研究[2-5]，更多地考慮了修復材料和施工工藝，而對于如何合理處理原結構殘留的研究較少。筆者結合泄水洞修復工程合理處理原結構殘留、增強隧洞抗沖磨能力、提高耐久性且方便施工的要求，針對洞內(nèi)和洞外泄水槽底板及左右側邊墻下部等部位不同的破壞情況進行分析并選取了合適的修復材料。同時，研究了相應的修復方案。

1 工程概況

官地水電站的黑水溝內(nèi)溝水處理工程采用攔水壩和泄水洞將溝水跨流域引至官地大壩上游庫區(qū)。其中泄水洞工程由進口攔砂坎、隧洞洞身和出口泄水槽(消能跌坎)組成。泄水洞洞身全長811 m，底坡2.3 %，樁號為K0+024.000 m ～K0+787.000 m；出口泄水槽由平坡段、跌水段和斜坡明渠段組成，水平投影總長227.5 m，跌坎總高差142.5 m；死水位1 328 m以上第一段(K0+787.000 m～K0+799.198 m)為平坡明渠段，明渠寬度由7 m漸變到11 m，明渠邊墻高5.8 m；第二段(K0+799.198 m～K0+855.098 m)為消能跌坎段，主要消能臺階高3.6 m，寬4.4 m，邊墻高7.8 m。

黑水溝泄水洞于2007年投入使用，由于施工條件差、工期緊張等原因，只在2010年通過隧洞K0+647.698 m的原施工支洞進行了K0+647.698 m之后的泄水洞底板部位和泄水槽底板的修復工程，泄水洞全洞段一直未進行系統(tǒng)修復。2017年，對黑水溝泄水洞現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)，洞內(nèi)和洞外泄水槽底板及左右側邊墻下部混凝土沖蝕破壞較嚴重，泄水洞K0+647.698 m之前的洞段局部鋼筋完全裸露，貼腳和邊墻底部被淘空，部分底板形成深坑達2～3 m深，K0+647.698 m之后的洞內(nèi)底板混凝土存在局部沖坑，僅有少量鋼筋裸露，泄水槽段依舊沖蝕嚴重，局部鋼筋完全裸露，典型沖蝕情況(圖1)。

(a) 洞內(nèi)現(xiàn)狀圖 (b)泄水槽現(xiàn)狀圖圖1 官地水電站泄水洞和泄水槽沖蝕情況典型圖

2 修復材料

2.1 抗沖磨材料

泄水洞受水流沖蝕破壞嚴重，修復工程所采用的材料要求抗沖磨能力強、耐久性高、施工方便且工程投資合理。目前國內(nèi)常用的抗沖磨材料主要有高強度抗沖磨混凝土和抗沖磨涂層兩大類[6-7]。

2.1.1 抗沖磨混凝土選擇

(1)根據(jù)規(guī)范要求，抗沖磨混凝土標號不得低于C35。同時，考慮下部沖坑回填需要混凝土工程量大，為了控制成本，回填混凝土標號不宜太高，且上下部回填混凝土標號差別不宜過大。

(2)沖坑深度最深達2～3 m且不均勻分布，考慮修復工程施工的交通問題，沖坑需要先回填，下部回填混凝土宜采用泵送入倉方式；為達到更好的抗沖磨效果，上部回填抗沖磨混凝土厚度應盡可能大，且不宜泵送入倉，待下部混凝土澆筑完滿足通車條件后再施工上部。結合以上要求，上部抗沖磨混凝土選用HFC35，下部回填混凝土選用C35泵送混凝土。

2.1.2 抗沖磨涂層的推薦材料——環(huán)氧砂漿

抗沖磨混凝土和環(huán)氧砂漿都是應用廣泛的抗沖磨材料。前者雖整體抗沖磨能力稍差，但施工簡單，投資少；環(huán)氧砂漿雖各項技術指標最優(yōu)，但投資高，且施工工藝復雜。因此，選擇單一的修復材料在技術和經(jīng)濟上難以達到較好的平衡。結合隧洞及泄槽沖蝕情況、施工便利性、經(jīng)濟性等多種因素綜合考慮，該次修復工程選擇抗沖磨混凝土和環(huán)氧砂漿兩種材料組合的修復方案。

(1)隧洞K0+655 m(原施工支洞交叉口下游約7.3 m)之前底板及貼腳部位修復，以及泄水槽段體型改建采用抗沖磨混凝土。

(2)隧洞邊墻下部沖刷較嚴重部位、隧洞K0+655 m之后的底板及貼腳采用環(huán)氧砂漿修復。泄水槽平坡段底板及貼腳和邊墻下部因沖刷不嚴重，采用環(huán)氧砂漿修復。

2.2 提高結構整體性的材料

原設計隧洞頂拱和底板為封閉結構，因底板混凝土幾乎被全部沖毀，結構整體性被破壞。該次修復將原貼腳和邊墻下部暴露在外的鋼筋全部割除，清除所有雜物并沖洗干凈。然后在不同部位鋪設鋼筋和錨桿以提高修復后混凝土結構的整體性，鋼筋的具體設置方案如下：

(1)在隧洞和泄水槽底板抗沖磨結構層配單層防裂鋼筋網(wǎng)Φ12@20，3級鋼筋，保護層厚度10 cm，底板鋼筋不與邊墻現(xiàn)有鋼筋連接。新澆筑的混凝土均不設結構縫，而應架立鋼筋通長設置；

(2)底板結構層混凝土與下部回填混凝土(深坑)或基巖(淺坑)之間設插筋，3級鋼筋，長度1.8 m，直徑Φ22，間排距2 m，插筋頂部距底板頂面10 cm；

(3)在邊墻下部出現(xiàn)脫空的部位，設兩排水平錨桿，距離底板頂面分別為0.9 m和2 m。錨桿采用3級鋼筋，長3 m，直徑Φ22，間距1.5 m，呈梅花形布置。

3 抗沖磨材料修復施工方案

該次修復工程在泄水洞下游側平行布置一條永久性的檢修隧洞，作為泄水洞修復施工期間的導流洞。由于黑水溝溝水洪枯比大，考慮施工期水流控制成本和施工安全風險，修復工程需在枯期內(nèi)(11月～次年5月)完成。修復工作內(nèi)容多、施工條件差、工期較緊張。同時，因泄水洞斷面較小，進、出口工作面交通布置不便，混凝土水平運輸及入倉方式受限制。因此，如何在工期較短的條件下保質(zhì)保量地完成修復工程，修復施工方案的選擇較為重要。

修復范圍包括隧洞底板、貼腳、邊墻下部及泄槽底板。由于泄水洞不同部位的沖蝕情況差別較大，因此，需要針對不同部位，擬定技術可行、經(jīng)濟合理的修復方案。

3.1 底板修復方案

隧洞K0+655 m之前底板及貼腳部位采用抗沖磨混凝土修復；K0+655 m之后的隧洞底板及貼腳部位因經(jīng)過2010年修復后破壞不嚴重而采用環(huán)氧砂漿修復。

3.1.1 HFC35混凝土修復洞段

結合現(xiàn)場檢查確定了抗沖磨混凝土厚度在30 ～80 cm之間。為保證HFC35混凝土和泵送C35混凝土層澆筑厚度均不小于30 cm，根據(jù)沖坑深度分三段采取不同修復方案：

(1)由于隧洞進口K0-024 m～K0+140 m之間的隧洞底板沖坑深度較小，平均深度約10 cm，將現(xiàn)底板頂面增高到原高程以上20 cm處，并將深度小于10 cm的局部沖坑鑿深至10 cm后，用30 cm厚的HFC35混凝土修復。

(2)對于K0+140 m～K0+150 m之間為底板高程調(diào)整過渡段，隧洞底板高出原設計高程0 ～20 cm，并全部采用HFC35混凝土修復。

(3)由于K0+150 m～K0+655 m之間的隧洞底板混凝土被沖刷殆盡，甚至形成了深度2 m以上的沖坑。因此，當沖坑深度>80 cm時，沖坑50 cm之下的部分先用C35泵送混凝土回填(表面鑿毛)，上部50 cm處采用HFC35混凝土；當沖坑深度≤80 cm時，全部采用HFC35混凝土，且沖坑深度小于30 cm時需要先鑿深至30 cm。

底板施工縫除按規(guī)范要求進行處理外，還需設置651橡膠止水帶。

3.1.2 環(huán)氧砂漿涂層修復洞段

混凝土表面鑿毛后，再按要求施工環(huán)氧砂漿。環(huán)氧砂漿與周邊的結構混凝土保持表面平整。深度小于5 cm的沖坑，直接采用環(huán)氧砂漿處理；深度在5～30 cm的沖坑，鑿至30 cm深，先用HFC35抗沖磨混凝土澆筑，再施工表面環(huán)氧砂漿；深度≥30 cm的沖坑，直接先澆筑HFC35抗沖磨混凝土，再施工表面2 cm厚環(huán)氧砂漿。

泄水洞修復典型剖面見圖2。

圖2 泄水洞修復工程典型剖面

3.2 貼腳及邊墻修復方案

泄水洞進口的貼腳基本完好，可以用環(huán)氧砂漿處理。K0+655 m上游其余洞段的貼腳混凝土有的完全被沖毀、鋼筋被沖斷，有的部分被沖毀、鋼筋暴露。由于貼腳混凝土較厚，不易剔除，為保證水流平順，貼腳一律在原設計結構線之外補澆30 cm厚、60 cm高的HFC35混凝土。殘留的貼腳頂部用2 cm厚的環(huán)氧砂漿處理。邊墻混凝土沖刷嚴重部位采用2 cm厚的環(huán)氧砂漿處理。

3.3 泄水槽修復方案

隧洞出口K0+786.998 m之后的階梯泄槽轉(zhuǎn)角部位雖經(jīng)過2010年的修復，仍磨蝕較嚴重。因泄水洞出洞口至官地水庫的落差已經(jīng)降至36 m左右，且?guī)焖幌渖疃仍? m左右，泄水洞出口消能可以直接利用官地水庫，將階梯式泄水槽改為曲線陡槽，消能方式由階梯消能改為水墊消能，可以大幅度減小高速水流和推移質(zhì)對泄水槽的磨損。陡槽溢流面曲線見圖3。

(a) 泄水槽修復縱剖面圖 (b)泄水槽修復橫剖面圖圖3 泄水洞出口陡槽修復示意圖

改建的陡槽段緊接泄水洞出口(高程1 364.07 m)至死水位1 328 m結束，共改建13個臺階，水平投影長度55.9 m，高差36.07 m。從充分利用現(xiàn)有泄槽的角度考慮，上游6個臺階頂面采用近似拋物線的曲線，下部7個臺階頂面采用直線。

陡槽起始段(8.8 m長)底板頂部部分鑿除后涂2 cm厚環(huán)氧砂漿，之后的陡槽直接澆筑HFC35混凝土至溢流面曲線。為保證轉(zhuǎn)角部位新澆混凝土的最小厚度大于30 cm，亦為避免臺階前沿應力集中，原臺階轉(zhuǎn)角部位水平和豎直方向各鑿除10 cm，形成45°斜面。陡槽左右邊墻下部1 m處和其他沖刷嚴重部位用2 cm厚的環(huán)氧砂漿處理。該環(huán)氧砂漿處理方式與環(huán)氧砂漿涂層修復洞段的處理方式一致。

4 結 語

官地泄水洞修復工程采用抗沖耐磨混凝土和環(huán)氧砂漿兩種材料組合的修復方案，并配以鋼筋和錨桿來提高其結構的整體性。在各部位針對不同破壞情況采取了相應的修復方案，在保障工程質(zhì)量的前提下綜合考慮了施工條件和工程造價。

在泄水洞長期運行過程中，由于受水流沖蝕破壞的風險越來越大，為確保工程的安全運行，應對泄水洞進行檢查和維修。官地泄水洞修復為高流速狀態(tài)下泄水洞的修復提供了一種可靠的、經(jīng)濟的、施工快捷的設計方案，為類似工程的泄水洞修復技術提供了參考。