某水電站溢洪道反弧段滲水施工層面及裂縫補強處理技術(shù)淺析

陳演 朱文富 余勛 汪俊

1. 福建水口發(fā)電集團有限公司 福建 福州 350004；2. 浙江華東建設(shè)工程有限公司 浙江 杭州 310014

1 工程簡介

某水電站位于福建省閩江干流上，該電站以發(fā)電為主，屬一等工程，樞紐工程包括擋水壩、發(fā)電廠房、溢流壩、通航建筑物等，壩型為混凝土重力壩，最大壩高101.0m，頂高程74.0m，壩前正常高水位65.0m，汛限水位61.0m，死水位55.0m。

大壩一共分為42個壩段，大壩從左到右依次為：左岸擋水壩段、廠房壩段、溢流壩段和泄水壩段、船閘壩段、升船機壩段及右岸擋水壩段。溢流道為河床式布置，有12個表孔，孔口尺寸（寬×高）15×22m，堰頂高程43m，溢洪道消能形式為挑流消能，挑流鼻坎為連續(xù)式鼻坎，總長243m。2個底孔，孔口尺寸（寬×高）5×8m。船閘為3級，每級閘室長160m，寬12m，吃水深3.0m。升船機布置在船閘右邊，船廂有效尺寸為長124m、寬12m、水深2.5m。廠房布置在左岸，為壩后式，內(nèi)安裝7臺單機容量20萬kW的軸流式水輸發(fā)電機組。

2 溢洪道現(xiàn)狀及存在的問題

電站主體工程于1996年12月完工。溢洪道位于大壩23～35#壩段，全長243.0m，為開敞式溢洪道，共12孔，每孔凈寬15m，中墩厚5m，邊墩厚4m，溢洪道壩段寬20m，壩段間設(shè)永久結(jié)構(gòu)縫(橫縫)，縫設(shè)于溢洪道表孔中部。溢流面采用冪曲線，反弧段后接連續(xù)式鼻坎挑流消能，反弧半徑為30m，挑角32°。溢洪道汛期泄洪頻繁，運行以來經(jīng)歷了1998年特大洪水、2005、2006、2010年等多場大洪水考驗。

溢洪道經(jīng)過多年運行，各孔溢流面混凝土均出現(xiàn)不同程度的沖蝕及磨損，局部骨料裸露，存在不同程度的裂縫，部分裂縫存在滲水現(xiàn)象，表明這些裂縫已非混凝土淺表裂縫；鼻坎以下的下游立面的施工縫處伴有不連續(xù)的滲水痕跡[1]。

檢查發(fā)現(xiàn)待處理的33#～35#壩段溢流堰面混凝土的裂縫總計50條，裂縫形態(tài)多樣，通長縫和短縫并存，縫寬0.1～0.4mm不等 。

裂縫走向性狀：縱向縫約占總裂縫數(shù)量1/2；橫向縫和不規(guī)則斜縫約占1/2，且橫向縫多于不規(guī)則斜縫；斜直段上多為縱向縫且多連通整個壩段，反弧段的裂縫主要以縱向裂縫為主（寬度較大），與不規(guī)則的斜向縫和橫向裂縫組成網(wǎng)裂，大部分裂縫位于溢流面的斜直段末尾至反弧段邊緣一帶；裂縫內(nèi)部走向大致分為三種情況：①位于溢流面斜直段上的縱縫，內(nèi)部走向為向上游側(cè)延伸；②位于反弧段上的縱縫，內(nèi)部走向為向下游側(cè)延伸；③橫縫和斜縫走向不規(guī)則，以豎直向下為主，徘徊向下發(fā)育。

裂縫寬度性狀：縫寬小于0.2mm的有40條裂縫，縫寬在0.2～0.5mm的裂縫10條，未測得縫寬大于0.5mm的裂縫。

裂縫產(chǎn)生原因分析如下：

存在于溢流面及挑流鼻坎的裂縫大致可以分為三類，第一類為斜直段的縱向貫穿裂縫；第二類為反弧段的兩條通長縱向貫穿裂縫；第三類為大量的無規(guī)律淺層裂縫。

通過查閱設(shè)計、施工資料，結(jié)合裂縫的分布的位置及性狀分析，以上三類裂縫產(chǎn)生的原因推斷如下：

（1）位于斜直段的裂縫主要與結(jié)構(gòu)的受力有關(guān)，該段結(jié)構(gòu)混凝土施工時采用了分臺階澆筑法，臺階的設(shè)置尺寸偏大，所以臺階的尖角影響突出，澆筑塊體性差，相應(yīng)地在臺階的尖角處產(chǎn)生了縱向的貫穿裂縫，其裂縫的規(guī)律性比較明顯。

（2）反弧段存在兩條大的通長貫通縱縫（已經(jīng)過注漿處理），以這兩條裂縫為主線，周邊分布大量的細小裂縫，反弧段位置混凝土受溫度影響較為敏感，該位置裂縫主要與溫控措施不力有關(guān)，同時，反弧段下游側(cè)的通長貫通縱縫與26m高程處臺階尖角正好對應(yīng)，深度基本貫穿，所以其開裂受尖角的影響突出。

（3）其余存在于溢流面上的裂縫，其分布規(guī)律性較差，寬度和深度相對較小，除了受施工質(zhì)量的影響外，混凝土本身的干縮和溫度也是造成該類裂縫產(chǎn)生的重要因素。

部分壩段溢流面裂縫現(xiàn)狀照及裂縫示意見圖1。

這些裂縫對混凝土構(gòu)建物的穩(wěn)定性會產(chǎn)生一定的影響，為防止缺陷發(fā)展擴大，影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，必須對溢洪道反弧段滲水施工層面及裂縫進行補強處理。

圖1

圖2 33#～35#溢流堰面及反弧段裂縫處理前現(xiàn)狀照片

3 補強處理設(shè)計方案

水利水電工程建筑中，如大壩的溢洪道、泄洪洞、泄水孔、溢流壩和消力池等在泄洪運行時，高速水流（和含砂水流）直接作用于溢流面，溢流面缺陷在高速水流作用下極易產(chǎn)生沖磨和氣蝕破壞。多年來，溢流面抗高速水流沖磨問題一直是確保溢洪道泄流安全需要解決的問題。傳統(tǒng)的處理技術(shù)有鋼板粘貼襯砌、澆筑纖維混凝土、硅粉混凝土及聚合物混凝土，涂抹環(huán)氧砂漿和環(huán)氧涂層等方法，由于各類材料都存在著各自的性能局限，預(yù)期的抗沖磨應(yīng)用效果也十分有限。

3.1 溢洪道反弧段及溢流面混凝土補強處理

（1）混凝土溢流面裂縫情況

2016年對溢洪道溢流面進行檢測，33#～35#壩段溢流面混凝土的裂縫總計50條。裂縫走向：縱向縫約占1/2；橫向縫和不規(guī)則斜縫約占1/2，且橫向縫多于不規(guī)則斜縫；裂縫寬度：縫寬小于0.2mm的有40條裂縫，縫寬在0.2～0.5mm的裂縫10條，縫寬較寬的裂縫主要集中在挑流鼻坎Sta.D0+045～Sta.D0+054區(qū)域。綜合判定，存在于溢流面及挑流鼻坎的裂縫大致可以分為三類，第一類為斜直段的縱向貫通裂縫(以淺表裂縫為主)；第二類為反弧段的兩條通長貫通裂縫（深層裂縫），以其中下游側(cè)的該條裂縫局部與26m高程臺階貫穿；第三類為大量的無規(guī)律淺表裂縫。溢流面混凝土表面碳化深度都在1.5mm以內(nèi)，屬于A類碳化。

（2）混凝土溢流面裂縫處理

根據(jù)溢流面混凝土目前狀況，溢流面混凝土尚未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)性缺陷，為封閉裂縫，改善溢流面抗沖磨能力，對溢流面混凝土處理分為二個步驟，一為對混凝土溢流面消缺，對發(fā)現(xiàn)的裂縫等重點封閉處理，二為對溢流面沖蝕區(qū)域進行抗沖磨防護處理。

1）混凝土溢流面裂縫處理

對溢流面混凝土裂縫在處理前先進行檢查，并對照歷史檢查資料分析裂縫發(fā)生、發(fā)展及處理情況，積累檢查數(shù)據(jù)。對發(fā)現(xiàn)存疑的裂縫可進行進一步的檢查（包括取芯、強度檢測等），確定裂縫狀態(tài)。

混凝土裂縫處理根據(jù)裂縫分類分別處理。①大壩溢流面裂縫處理（縫寬＜0.2mm）

對縫寬＜0.2mm的裂縫處理，采用表面封閉的處理方法，跨縫架涂HK-968彈性環(huán)氧涂料封閉縫面，同時阻止侵蝕深入。具體操作步驟如下：

步驟1：清理裂縫

檢查溢洪道反弧段溢流面，根據(jù)檢測報告復(fù)核需處理裂縫，編制裂縫分布圖。使用磨光機、環(huán)氧地坪清除機打磨原961涂層，清理完成后，使用高壓清洗機清理裂縫周邊混凝土表面，清除混凝土表面的附著物、水泥浮漿、青苔以及其它污物。

步驟2：涂刷底膠

裂縫周邊混凝土表面干燥、潔凈，涂刷底膠，底膠涂刷飽滿均勻、無漏刷。

步驟3：刮涂彈性環(huán)氧涂料

裂縫表面按“兩膠一布”的方式進行封閉，跨縫架涂HK-968彈性環(huán)氧涂料。刮涂HK-968彈性環(huán)氧涂料，粘貼網(wǎng)格布，網(wǎng)格布從一側(cè)粘貼至另外一側(cè)，粘貼密實、無空鼓、氣泡，網(wǎng)格布粘貼以裂縫為中心左右各10cm，持續(xù)刮涂HK-968彈性環(huán)氧涂料增厚涂層至1mm。

②大壩溢流面裂縫處理（縫寬≥0.2mm）

縫寬δ≥0.2mm的裂縫，縫內(nèi)壓力灌漿，灌注HK-G-4低黏度改性環(huán)氧材料（若裂縫滲水則改用LW堵水型/HW固型水溶性聚氨酯灌漿材料），填充密實，跨縫架涂HK-968彈性環(huán)氧涂料封閉縫面，修補裂縫的同時阻止侵蝕深入。具體操作步驟如下：

步驟1：清理裂縫

檢查溢洪道反弧段溢流面，根據(jù)檢測報告復(fù)核需處理裂縫，編制裂縫分布圖。使用磨光機、環(huán)氧地坪清除機打磨原961涂層，清理完成后，使用高壓清洗機清理裂縫周邊混凝土表面，清除混凝土表面的附著物、水泥浮漿、青苔以及其他污物。

步驟2：灌漿

沿裂縫布設(shè)灌漿孔，左右交替布置，埋設(shè)灌漿針頭、排氣管，臨時封閉裂縫表面，防止漏漿。灌漿材料根據(jù)裂縫是否滲水進行選擇，若為滲水裂縫則選擇水溶性聚氨酯灌漿材料；若為干裂縫則選擇低黏度環(huán)氧灌漿材料。灌漿方式采用純壓式灌漿，灌漿壓力0.5Mpa，在灌漿壓力下，不再有漿液灌入1min后，結(jié)束灌漿。

步驟3：清理裂縫

漿液固化后，拆除灌漿針頭、排氣管，清除縫面臨時封閉材料。

步驟4：涂刷底膠

裂縫周邊混凝土表面干燥、潔凈，涂刷底膠，底膠涂刷飽滿均勻、無漏刷。

步驟5：刮涂彈性環(huán)氧涂料

裂縫表面按“兩膠一布”的方式進行封閉，跨縫架涂HK-968彈性環(huán)氧涂料。刮涂HK-968彈性環(huán)氧涂料，粘貼網(wǎng)格布，網(wǎng)格布從一側(cè)粘貼至另外一側(cè)，粘貼密實、無空鼓、氣泡，網(wǎng)格布粘貼以裂縫為中心左右各10cm，持續(xù)刮涂HK-968彈性環(huán)氧涂料增厚涂層至1mm。

3.2 混凝土表面抗沖磨處理

（1）抗沖磨保護涂層分析

隨著我國水電建設(shè)的不斷發(fā)展，泄水建筑物的抗沖磨保護材料技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，從高強混凝土、聚合物砂漿、環(huán)氧砂漿、環(huán)氧涂料，再到近幾年的噴涂聚脲、慢固化聚脲，各種改性涂層技術(shù)層出不窮。HK966、HK968產(chǎn)品為主的混凝土抗沖磨保護防滲體系研究成果，是針對當前抗沖磨材料在工程應(yīng)用中存在的問題并結(jié)合大型高水頭電站工程對抗沖磨材料的需求，充分利用材料科學(xué)發(fā)展的新成果和新技術(shù)取得的成果，模擬試驗表明，高強彈性聚氨酯涂層具有比剛性環(huán)氧砂漿高10倍的抗沖磨性、比C60高強混凝土高100倍以上的抗沖磨性，為水工建筑混凝土抗沖磨保護提供了新方案。

1）抗沖磨保護涂層比較

根據(jù)保護材料特點，大致可以分成兩種類型：一種是逐漸變薄的犧牲型抗沖磨保護涂層，以高性能混凝土、砂漿等剛性材料為主，需要相對較厚的保護層，另一種以彈韌性消能為主的抗沖磨保護涂層，例如聚脲類涂料、聚氨酯類涂料、超音速噴涂涂料、特種增韌環(huán)氧等。

①彈性涂層系列

主要有聚脲及聚氨酯類型彈性抗沖磨保護涂層，典型應(yīng)用涂層結(jié)構(gòu)有：封閉底漆+HK-966彈性涂料。

適合流速不大于30m/s，且混凝土基礎(chǔ)條件較好，裂縫較少的混凝土面抗沖磨保護。HK-966彈性涂料是一種由環(huán)氧改性的聚氨酯涂料，其兼具了環(huán)氧材料和聚氨酯材料的優(yōu)點，是較好的抗沖磨保護涂層，缺點是涂料耐黃變性能較一般。

②韌性涂層系列

目前市面能成功解決材料彈韌耐久性問題的材料、工藝有限?，F(xiàn)有使用5年以上，且效果良好的材料體系，主體材料是化學(xué)增韌改性的環(huán)氧樹脂，涂層體系主要有：①封閉底漆+HK-968彈性涂料的涂層結(jié)構(gòu)。②封閉底漆+HK-E003彈性環(huán)氧砂漿+HK-968彈性涂料的涂層結(jié)構(gòu)。③封閉底漆+HK-E001彈性環(huán)氧砂漿的結(jié)構(gòu)。

該體系黏結(jié)性能優(yōu)良的、彈性模量較低，具有抗沖磨強度高的特點，適合于流速超過40m/s，水中推移質(zhì)較少的抗沖磨保護；其施工操作便利，施工質(zhì)量容易保證。

③剛性涂層系列

與高強抗沖磨混凝土比較，相對來說也是韌性涂層，主要有HK-EQ環(huán)氧膠泥和HK-UW-3環(huán)氧砂漿等。

其黏結(jié)性能優(yōu)良，抗沖磨強度高，已經(jīng)經(jīng)受數(shù)年的運行考驗。其潛在不足方面是，由于環(huán)氧材料與混凝土材料材質(zhì)差異性問題以及環(huán)氧材料強度相對較高，環(huán)境溫度變化過大時，容易引起黏結(jié)面應(yīng)力集中，導(dǎo)致涂層局部發(fā)生開裂或起鼓，但是局部維修還是比較便利。

2）溢流面涂層抗沖磨對比

作為表面抗沖磨保護涂層，高速水流條件下的黏結(jié)可靠性尤為重要。分析及結(jié)合電站溢流面的實際情況，選擇966及968涂層結(jié)構(gòu)都較為恰當，但由于溢流面上存在一些滲水裂縫，即便進行了有效處理，也難免存在再次開裂的風險，而966涂層結(jié)構(gòu)由于有一定延展性，而不易斷裂，導(dǎo)致縫表形成鼓包現(xiàn)象，破壞涂層的有效保護作用，且966彈性涂料不耐黃變，在相同條件下，選擇968涂層相對更加可靠。

3）溢流面涂層選擇

根據(jù)電站溢洪道反弧段滲水施工層面及裂縫的實際情況，對溢流面涂層抗沖磨材料性能進行綜合比選，從可靠性、耐久性、抗沖擊性、經(jīng)濟性等方面考慮，電站溢洪道反弧段滲水施工層面抗沖磨材料采用“封閉底漆+HK-E003彈性環(huán)氧砂漿+HK-968彈性涂料”的涂層結(jié)構(gòu)。

（2）混凝土表面抗沖磨處理

打磨、清除原961涂層，清理混凝土表面，溢洪道反弧段溢流面整體采用封閉底膠+HK-E003彈性環(huán)氧砂漿+HK-968彈性環(huán)氧涂料的涂層結(jié)構(gòu)進行防護。該涂層結(jié)構(gòu)能夠在溢流面混凝土表面形成完整的混凝土表面抗沖磨層，修復(fù)和提升溢流面抗沖磨性能。

步驟1：清理基面

使用磨光機、環(huán)氧地坪清除機打磨、清除原961涂層，清理完成后，使用高壓清洗機，沖洗混凝土基面，清除混凝土表面浮渣、風化層、青苔等雜物，完全露出新鮮混凝土。

步驟2：中涂層彈性環(huán)氧砂漿刮涂

混凝土表面清理干凈后，涂刷底膠，底膠涂刷飽滿均勻、無漏刷。若混凝土表面存在明顯凹凸不平、氣孔等缺陷部位，進行找平處理。本次工程施工時，溢洪道反弧段未見明顯凹凸不平、氣孔等缺陷部位。整體刮涂HK-E003彈性環(huán)氧砂漿找平溢流面表面，確保溢洪道表面混凝土平順。

步驟3：第二遍涂刷底膠

待彈性環(huán)氧砂漿固化后，第二遍涂刷底膠，底膠涂刷飽滿均勻、無漏刷。

步驟4：刮涂面涂層彈性環(huán)氧涂料

底膠表干后，滿刮HK-968彈性環(huán)氧涂料，直至厚度達到1.5mm，涂料完全覆蓋混凝土基面，刮涂均勻、無遺漏。

HK-968彈性環(huán)氧涂料滿刮施工結(jié)束后，常溫下干燥養(yǎng)護即可。

4 結(jié)束語

按照前述方法對某電站溢洪道溢流面進行消缺及抗沖磨防護處理，消缺及抗沖磨防護以不改變原溢洪道泄流曲線為原則，同時修復(fù)后的溢流面平整度滿足規(guī)范要求。溢流面抗沖耐磨保護涂層應(yīng)用封閉底漆+HK-E003彈性環(huán)氧砂漿+HK-968彈性涂料的涂層結(jié)構(gòu)的抗沖磨防護體系。

工程處理完成后的次年，即經(jīng)歷多次泄洪沖刷，從泄洪后對溢流面檢查可見，溢流面補強處理所采用的封閉底漆+HKE003彈性環(huán)氧砂漿+HK-968彈性涂料的涂層結(jié)構(gòu)的抗沖磨防護結(jié)構(gòu)整體完好，未見表面沖磨損失，對溢流面混凝土形成有效防護。該處理方法為以后類似工程提供了成功案例。

圖3

圖4 溢洪道溢流面、反弧面抗沖磨防護處理汛期泄洪沖刷后圖