水電站渡槽破損修復(fù)研究

王文全, 喻紅芬, 嚴(yán)琴琴，甄 峰,丁 平, 謝 超

(1.江蘇省水利工程科技咨詢(xún)股份有限公司, 江蘇 南京 210024；2.南通市水利局, 江蘇 南通 226000；3.南通市新江海河閘管理所，江蘇 南通 226009；4.揚(yáng)州市水利局,江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引 言

小水電作為一種清潔可再生、可持續(xù)發(fā)展能源，可在不影響山區(qū)自然環(huán)境的前提下，為附近百姓提供灌溉用水、生活用電，能促進(jìn)山區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展[1]。但是，小水電站經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，其引水渠道混凝土襯砌會(huì)逐漸老化、破損[2_5]。

渡槽是引水渠道的重要組成部分，其破損會(huì)降低輸水效率，極大的浪費(fèi)水資源，影響小水電站的發(fā)電效益。針對(duì)混凝土常見(jiàn)破損類(lèi)型，一些學(xué)者已對(duì)其破損形成原因進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性地修復(fù)加固[6_15]。然而，這些修復(fù)加固研究未能從結(jié)構(gòu)角度對(duì)混凝土的加固效果進(jìn)行深入分析，修復(fù)后的混凝土渡槽等結(jié)構(gòu)僅在運(yùn)行一小段時(shí)間后仍易發(fā)生破損。

因此，本文針對(duì)某水電站的引水渡槽破損情況，提出針對(duì)性的修補(bǔ)方案，并對(duì)其設(shè)計(jì)狀態(tài)、破損狀態(tài)以及修復(fù)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行對(duì)比分析，旨在驗(yàn)證其修復(fù)方案的合理性。

1 工程概況

1979年建立的某引水式水電站開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧滿(mǎn)足電站周?chē)嗣竦挠盟枨?。其水?kù)總庫(kù)容為128萬(wàn)m3，電站攔水壩為均質(zhì)土石壩。該水電站原設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量為260 kW，由2臺(tái)臥軸斜擊式機(jī)組組成。由于運(yùn)行多年而缺乏相應(yīng)的更新改造，目前100 kW機(jī)組已停機(jī)，僅有160 kW機(jī)組正常運(yùn)行發(fā)電，年發(fā)電量為50萬(wàn)kW·h；其廠房墻面、地面積灰嚴(yán)重，衛(wèi)生環(huán)境較差。廠房?jī)?nèi)部發(fā)電機(jī)組外觀老舊，油漆剝落，銹蝕嚴(yán)重，且運(yùn)行噪聲較大，相關(guān)評(píng)估機(jī)構(gòu)曾建議加強(qiáng)日常維護(hù)和及時(shí)對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行更新改造。

水電站引水明渠由混凝土結(jié)構(gòu)和漿砌石結(jié)構(gòu)組成，引水渠道全長(zhǎng)約5 km，其中包含6個(gè)引水隧洞和一段引水渡槽。

該引水渠道雖常有維護(hù)，但是經(jīng)過(guò)40多年的運(yùn)行，襯砌老化破損嚴(yán)重，使得防滲結(jié)構(gòu)失去原有的防滲能力，特別是渡槽底部出現(xiàn)了嚴(yán)重的混凝土剝蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水電站的正常運(yùn)行(見(jiàn)圖1)。

從圖1中可看出，引水渡槽底部混凝土嚴(yán)重老化，而且由于施工時(shí)混凝土保護(hù)層厚度未達(dá)到規(guī)范要求，渡槽底部的混凝土難以對(duì)其內(nèi)部鋼筋進(jìn)行有效防護(hù)。在潮濕環(huán)境下，鋼筋發(fā)生銹蝕并膨脹，使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損，降低了混凝土對(duì)鋼筋錨固力和抵抗彎矩的能力，存在極大的安全隱患。

圖1 渡槽底部混凝土層剝蝕脫落現(xiàn)象

2 修復(fù)方案

該水電站不僅水工建筑物出現(xiàn)較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)老化損壞，機(jī)電設(shè)備和主要輔助設(shè)備等也急需進(jìn)行更新改造?，F(xiàn)階段該水電站的效益并不高，不能同時(shí)對(duì)所有水工建筑物和電氣設(shè)備進(jìn)行徹底維修與更新。就引水建筑物而言，電站引水渠道還普遍存在滲漏問(wèn)題，局部渠道上的邊坡還存在滑塌隱患，急需治理。從該水電站實(shí)際情況出發(fā)，暫還不具備對(duì)其渡槽進(jìn)行推倒重建的條件。因此，針對(duì)渡槽底部混凝土大面積剝蝕現(xiàn)象，本文提出了一種快速實(shí)用的修補(bǔ)措施。

(1)破損混凝土的清除

混凝土渡槽結(jié)構(gòu)修補(bǔ)，應(yīng)先鑿除老化劣化的混凝土表層，至新鮮堅(jiān)硬混凝土層；再對(duì)結(jié)合面鑿毛和清洗，使得修補(bǔ)層和原混凝土基層之間形成粘結(jié)面。需要注意的是：混凝土鑿除深度不應(yīng)小于15 mm，本次渡槽內(nèi)外側(cè)鑿除深度控制為25 mm，鑿除深度應(yīng)保持一致，避免形成薄弱界面。施工時(shí)宜用人工鑿除，以加強(qiáng)鑿除尺寸的控制和減小混凝土鑿除對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的損傷。

(2)新舊結(jié)合面的處理

在混凝土鑿除結(jié)束后，首先應(yīng)對(duì)外露鋼筋進(jìn)行除銹，并涂刷阻銹劑和布置鋼筋網(wǎng)，清除老混凝土基面浮塵和松動(dòng)骨料。待高壓水清洗干燥后，再涂刷混凝土界面劑，隨澆隨涂，以提高新舊混凝土的結(jié)合效果。對(duì)于渡槽底板外側(cè)則應(yīng)布置鋼絲繩網(wǎng)片，以增強(qiáng)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)與原混凝土基層的粘結(jié)強(qiáng)度。

(3)修補(bǔ)材料回填

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類(lèi)別，渡槽內(nèi)側(cè)的鋼筋保護(hù)層厚度為30 mm，新舊結(jié)合面的保護(hù)層厚度為20 mm；由此可知，該渡槽結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)層厚度為50 mm。對(duì)于渡槽外側(cè)則采用聚合物砂漿補(bǔ)強(qiáng)加固被鑿除的部分，厚度按混凝土剝落厚度而定。澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)緩慢地傾倒到預(yù)定位置。由于澆搗的厚度較薄，應(yīng)隨著混凝土澆搗，進(jìn)行振搗，避免混凝土產(chǎn)生離析現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)。

圖2 混凝土置換法施工工藝

3 渡槽結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)尺寸為基礎(chǔ)，建立修補(bǔ)后渡槽整體有限元模型，研究引水渡槽的實(shí)際修補(bǔ)效果。圖3為引水渡槽計(jì)算模型(見(jiàn)圖3)，混凝土采用SOLID65實(shí)體單元，B層和C層的鋼筋采用SOLID45實(shí)體單元，進(jìn)行靜力分析，結(jié)構(gòu)體均采用彈性模型；其中鋼筋為HPB235，配筋率為0.2%，沿著底板的長(zhǎng)度方向和寬度方向均勻放置。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的密度為2 550 kg/m3，砌石墻基礎(chǔ)的密度為2 410 kg/m3，其修補(bǔ)層的具體材料參數(shù)如下所示(見(jiàn)表1)。

表1 某水電站渡槽的材料參數(shù)

圖3 計(jì)算模型

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)上述的修補(bǔ)處理后，基本可以解決渡槽表層材料的老化病害，恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)的安全性、適用性，減緩由于環(huán)境影響因素引起的結(jié)構(gòu)性能衰減。為了更好地反映混凝土置換的修補(bǔ)效果，將修補(bǔ)后的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成如圖4所示(見(jiàn)圖4)。A層為渡槽外側(cè)的聚合物砂漿層，假設(shè)平均修補(bǔ)厚度為10 mm，主要保護(hù)渡槽外側(cè)結(jié)構(gòu)，遏制碳化腐蝕破壞的進(jìn)一步深入。B層為原鋼筋混凝土基層，厚度為150 mm，澆筑混凝土層前對(duì)局部的開(kāi)裂破壞進(jìn)行了處理，以恢復(fù)基層結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和增強(qiáng)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的耐久性。C層為渡槽內(nèi)側(cè)回填混凝土層，厚度為50 mm，具有較好的防滲性能，起著保護(hù)混凝土基層的作用。同時(shí)，結(jié)構(gòu)本身還能與原結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，對(duì)結(jié)構(gòu)整體起著補(bǔ)強(qiáng)加固的作用。

圖4 渡槽修補(bǔ)后的結(jié)構(gòu)分層(單位：mm)

表2和表3分別給出了渡槽底板與側(cè)墻有限元計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表2、表3)。由表2和表3可看出：對(duì)比修補(bǔ)狀態(tài)下渡槽底板和側(cè)墻的應(yīng)力應(yīng)變值均比破損狀態(tài)小，其中豎直方向的底板應(yīng)變值較破損時(shí)的減小了60.1%，側(cè)墻應(yīng)變值減小了82.51%。由此可知，引水渡槽置換修補(bǔ)方案增加了整體結(jié)構(gòu)有效承載面積，有效地解決引水渡槽材料老化導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低的問(wèn)題，提升了引水渡槽安全性能，保證了電站安全穩(wěn)定的運(yùn)行以及渡槽周邊地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

表2 渡槽底板計(jì)算結(jié)果

表3 渡槽側(cè)墻計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)某水電站引水渡槽的破損情況，提出具體的修補(bǔ)方案，并利用有限元軟件Ansys論證了渡槽結(jié)構(gòu)修復(fù)的可行性；可有效地增加整體結(jié)構(gòu)的承載面積，解決引水渡槽因材料老化導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低的問(wèn)題，提升引水渡槽安全性能，保障電站安全穩(wěn)定運(yùn)行以及渡槽周邊地區(qū)百姓生命財(cái)產(chǎn)安全。