高寒地區(qū)水工混凝土防護(hù)修復(fù)技術(shù)與應(yīng)用

李 珍，熊澤斌

(1.長江科學(xué)院，武漢 430010； 2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641； 3.長江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，武漢 430010)

1 研究背景

我國高海拔及高緯度寒冷地區(qū)(高寒地區(qū))水資源相對豐富，水利水電工程分布眾多，如建成的西藏藏木水電站、西藏拉洛水利樞紐及配套灌區(qū)工程，在建的西藏大古水電站、葉巴灘水電站、豐寧抽水蓄能電站、兩河口水電站，以及重建的吉林豐滿水電站等。這類高寒地區(qū)工程服役環(huán)境普遍具有超大晝夜溫差、高頻凍融、強(qiáng)紫外輻射等特點(diǎn)[1]，在此條件下，水工混凝土容易出現(xiàn)凍融破壞、沖刷磨損、開裂滲漏、化學(xué)侵蝕、表面剝落等劣化現(xiàn)象。對西藏及三北地區(qū)多個(gè)水電站及渠道工程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，凍融破壞是高寒地區(qū)水工混凝土主要劣化及病害形式之一[2-4]，受凍融因素長期作用，高寒地區(qū)較多水工建筑物遭受不同程度病害，如查龍水電站混凝土面板凍融剝蝕[5]、劉家峽水電站大壩下游面凍融破壞[6]、云峰水電站溢流面及壩面凍脹剝蝕[7]、河北桃林口水庫壩體裂縫滲水等[8]。混凝土劣化導(dǎo)致水工建筑物結(jié)構(gòu)功能失效，影響設(shè)備安全運(yùn)行，降低水電站綜合效益。因此，開展高寒地區(qū)凍融條件下水工混凝土的劣化防治研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值與實(shí)際意義。

混凝土劣化防治一般采取2種措施：一是通過改變混凝土原材料成分、配比設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)自身耐久性[9-11]；另一則是近年興起的選用防護(hù)修復(fù)材料進(jìn)行表面防護(hù)與缺陷修復(fù)。研究表明，前者提高耐久性的效果有限，且施工復(fù)雜、綜合成本高昂。而涂敷表面涂層材料的方法簡單方便，且能對已建成的水工建筑物進(jìn)行后期防護(hù)并提高其耐久性，效果顯著，綜合成本低，因此受到國內(nèi)外研究者和工程人員的高度重視，積累了大量研究成果[12-13]和工程經(jīng)驗(yàn)[14-16]，并形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)程[17-19]。

然而，高寒地區(qū)氣候條件較為復(fù)雜，影響因素更加多樣，在水工混凝土的劣化演變規(guī)律、劣化修復(fù)防護(hù)策略、技術(shù)方案及施工組織設(shè)計(jì)等方面需要考慮更多問題。目前，在劣化機(jī)理方面，研究發(fā)現(xiàn)除了凍融破壞，還有紫外線輻射對瀝青混凝土、纖維復(fù)合材料加固混凝土的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)等也產(chǎn)生不利影響。但凍融循環(huán)、紫外線輻照與硫酸鹽侵蝕等多因素耦合作用對混凝土耐久性的影響機(jī)理還沒有成熟的研究成果；在劣化修復(fù)防護(hù)策略方面，關(guān)于高寒地區(qū)水利水電工程防護(hù)修復(fù)技術(shù)及工程應(yīng)用的報(bào)道還較少，防護(hù)修復(fù)材料及配套技術(shù)在多因素耦合作用下的防護(hù)機(jī)理，以及防護(hù)修復(fù)材料壽命預(yù)測的研究也不多見；在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)僅對混凝土耐久性有指標(biāo)要求，如GB/T 50662—2011[20]、SL191—2008[21]都對寒冷地區(qū)不同應(yīng)用部位混凝土的抗凍抗?jié)B等級提出了設(shè)計(jì)要求，但關(guān)于寒冷地區(qū)水工建筑物防護(hù)修復(fù)材料的設(shè)計(jì)要求、工法規(guī)范等方面尚存空白，亟待開展相關(guān)研究與應(yīng)用。

針對高寒地區(qū)應(yīng)用條件，選擇合適的修復(fù)防護(hù)材料及配套施工方法，是修復(fù)防護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵，也是確保工程質(zhì)量及耐久性的前提。因此，本文筆者基于高寒凍融循環(huán)條件下水工混凝土劣化演變的有限元分析，開展了混凝土缺陷修復(fù)與表面防護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用探索。從模擬分析、材料性能、施工技術(shù)和應(yīng)用案例等方面介紹了本課題組取得的主要研究成果，為水工混凝土修復(fù)防護(hù)提供參考借鑒，并對相關(guān)技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

2 凍融循環(huán)有限元分析

基于熱傳導(dǎo)理論、相變溫度場理論，利用有限元法分析了凍融循環(huán)混凝土在含水率、滲水作用、環(huán)境溫度等影響因素作用下的應(yīng)力特性。

2.1 建模過程

(1)建立模型：以邊長0.5 m立方體澆筑塊為研究對象，選取其1/8建立有限元模型(即邊長為0.25 m的立方體)，模型單元總數(shù)為8 000，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為9 261。

(2)邊界條件：溫度方面，假定x，y，z3個(gè)方向坐標(biāo)為0.25 m的面為散熱面，其余面絕熱，按三類邊界考慮，混凝土邊界熱交換系數(shù)為1 300 m2/d，循環(huán)溫度設(shè)定為15～-15 ℃，凍融周期為R，凍融周期及凍融次數(shù)根據(jù)工況取值。應(yīng)力方面，分別取x，y，z3個(gè)方向坐標(biāo)為0的面添加法向約束。

(3)計(jì)算參數(shù)：混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為210 kJ/(m·d·K)，導(dǎo)溫系數(shù)為0.087，彈性模量為26.7 GPa，泊松比為0.167，線膨脹系數(shù)為9.0×10-6/℃。不考慮混凝土自重及徐變效應(yīng)。

(4)典型截面及特征點(diǎn)：凍融試驗(yàn)塊有限元模型如圖1(a)所示,典型截面取y=0.125 m處,典型截面上的7個(gè)特征點(diǎn)見圖1(b)。

圖1 凍融試驗(yàn)塊有限元模型及典型截面特征點(diǎn)布置Fig.1 Finite element model of freeze-thaw test blockand arrangement of feature points on typical section

(5)工況設(shè)置：工況2—工況6均不考慮孔徑<10 nm的膠凝水和毛細(xì)水。

工況1：凍融周期設(shè)為5 h，凍融50次，不考慮混凝土凍脹作用。

工況2：凍融周期與次數(shù)不變，不考慮外水滲入，假定混凝土可凍結(jié)水含水率保持在1%。

工況3：凍融周期與次數(shù)不變，不考慮外水入滲透，假定混凝土可凍結(jié)水含水率為2%。

工況4：凍融周期與次數(shù)不變，考慮混凝土在凍融過程中的滲透作用，假定在凍融過程中，混凝土的可凍結(jié)水含水率隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，由0.5%線性增長至2%。

工況5：環(huán)境溫度為20～-20 ℃，凍融周期與次數(shù)不變，不考慮外水入滲透，即假定混凝土可凍結(jié)水含水率保持在1%。

工況6：混凝土塊體表面采用保溫措施，假定熱交換系數(shù)為200 m2/d，凍融周期改為10 h，凍融次數(shù)為50次，不考慮外水入滲透，即假定混凝土可凍結(jié)水含水率保持在1%。

2.2 結(jié)果分析

圖2為混凝土塊含水率增倍后，混凝土塊特征點(diǎn)在正負(fù)溫循環(huán)作用下第一主應(yīng)力σ1歷時(shí)過程線。塊體表面特征點(diǎn)T1應(yīng)力在含水率發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)力受影響較小，但在塊體內(nèi)部特征點(diǎn)T4凍融循環(huán)過程中，峰值應(yīng)力明顯增大，可結(jié)冰含水率2.0%的特征點(diǎn)T4峰值拉應(yīng)力達(dá)到了7.0 MPa以上，大于含水率1.0%的3.0 MPa。工況2和工況3對比結(jié)果說明，含水率對凍融循環(huán)破壞的貢獻(xiàn)明顯，相同環(huán)境條件下，混凝土含水率越高，凍融破壞越大。

圖2 工況2和工況3特征點(diǎn)T1與T4應(yīng)力σ1歷時(shí)過程線Fig.2 Time-histories of stress σ1 at feature points T1 and T4 in working condition 2 and 3

圖3為當(dāng)混凝土塊存在外水滲入時(shí)，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加特征點(diǎn)T4的應(yīng)力σ1歷時(shí)過程線。凍融循環(huán)過程中，隨著凍融次數(shù)增加，若存在外水入滲，則混凝土可結(jié)冰含水率將逐漸增大。

圖3 工況2和工況4特征點(diǎn)T4應(yīng)力σ1歷時(shí)過程線Fig.3 Time-histories of stress σ1 at feature point T4in working condition 2 and 4

由圖3可知，早期凍融次數(shù)較少時(shí)，由于工況4初始含水量小于工況2，因此凍融循環(huán)產(chǎn)生的峰值拉應(yīng)力小于工況2，但隨著凍融次數(shù)增加，在外水入滲情況下，混凝土膠凝材料骨架逐漸被孔隙中結(jié)冰滲透壓破壞，大孔隙數(shù)量逐漸增加，可結(jié)冰含水量增大，導(dǎo)致凍脹應(yīng)力隨凍融次數(shù)的增加逐漸增大。工況2、工況4結(jié)果說明，防滲對于混凝土抗凍融破壞具有十分重要作用。

圖4為環(huán)境溫度變化在20～-20 ℃范圍內(nèi)，采取保溫措施和不采取保溫措施情況下，凍融循環(huán)作用對混凝土應(yīng)力特性的影響。圖4結(jié)果表明，保溫能夠大幅減小壩體表面溫度及應(yīng)力變幅，應(yīng)力由峰值5.0 MPa降低至<1.0 MPa，采取保溫措施能有效防止表面凍融破壞。

圖4 工況5和工況6特征點(diǎn)T4應(yīng)力σ1歷時(shí)過程線Fig.4 Time-histories of stress σ1 at feature point T4 in working condition 5 and 6

根據(jù)有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)： ①混凝土含水率越高， 混凝土在負(fù)溫情況下產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力越大， 對混凝土的破壞越大， 因此混凝土凍脹除了采用引氣劑保證混凝土含氣量外， 可采用表面涂層防滲材料， 防止凍融過程中外水內(nèi)滲， 控制混凝土內(nèi)部含水量， 從而減少混凝土凍脹應(yīng)力， 緩解凍融循環(huán)對混凝土的破壞作用； ②環(huán)境最低溫度越低， 混凝土凍融破壞深度越深， 保溫措施有助于縮小凍融破壞深度。

3 防護(hù)修復(fù)材料

選擇高寒地區(qū)水工修復(fù)防護(hù)材料時(shí)，一般需要優(yōu)先考慮以下條件。①耐久性能：凍融等級≥F200、抗?jié)B等級>W12、耐候性紫外加速老化2 000 h不粉化變色、抗沖耐磨強(qiáng)度>50 h/(kg·m-2)等；②力學(xué)性能：不低于混凝土的力學(xué)性能，如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度等；③工作性能：彈性模量、熱膨脹系數(shù)、收縮率等與混凝土性能接近，且與施工工藝及環(huán)境氣候相匹配；④環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性。

下文主要介紹環(huán)氧樹脂類、 聚氨酯類、 聚脲類、 丙烯酸酯類、 有機(jī)硅類和水泥基材料等在內(nèi)的修復(fù)防護(hù)材料特點(diǎn)及優(yōu)勢， 重點(diǎn)介紹本課題組用于高寒地區(qū)水利工程的代表性產(chǎn)品性能特點(diǎn)和適用范圍。

3.1 環(huán)氧樹脂類材料

環(huán)氧樹脂類材料是由環(huán)氧樹脂與固化劑、稀釋劑、填料等組成的復(fù)合材料，具有固結(jié)強(qiáng)度高、附著力強(qiáng)、收縮應(yīng)力小、抗?jié)B性好、耐酸堿鹽化學(xué)侵蝕等特點(diǎn)，是一類較好的補(bǔ)強(qiáng)加固防水材料。常用的環(huán)氧樹脂類材料主要有環(huán)氧涂層材料、環(huán)氧灌漿材料和水性環(huán)氧樹脂等[22]。環(huán)氧涂層材料在高寒地區(qū)多用于混凝土表面防護(hù)、裂縫修補(bǔ)和過流面抗沖磨防護(hù)，例如李敬瑋等[23]開發(fā)了一種YEC高韌性環(huán)氧防護(hù)涂層材料，材料抗凍等級達(dá)到F300且低溫韌性優(yōu)良，在吉林臺一級水電站大壩混凝土面板防護(hù)試驗(yàn)中表現(xiàn)良好。環(huán)氧涂層材料的斷裂韌性、抗裂性、粘結(jié)強(qiáng)度等性能近來已得到很大提高，但仍需進(jìn)一步增強(qiáng)增韌并且改善抗紫外老化、耐高溫等耐候性。環(huán)氧灌漿材料在不良地質(zhì)體加固、大壩防滲堵漏等方面應(yīng)用較多，而在低溫環(huán)境下存在黏度大、可灌性差等不足。為此，長江科學(xué)院在-8 ℃條件下對環(huán)氧樹脂主劑進(jìn)行小分子結(jié)構(gòu)調(diào)控，并對聚酮胺類固化劑進(jìn)行巰基接枝改性，制備出低溫固化劑，得到具有初始黏度低(<100 mPa·s)、固化時(shí)間短的低溫用環(huán)氧樹脂漿液，并用于新疆伊犁河引水工程八十一大坂隧洞工程混凝土裂縫化學(xué)灌漿處理，取得很好防滲效果。水性環(huán)氧樹脂具有綠色環(huán)保、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，是未來水工修復(fù)防護(hù)材料的發(fā)展方向之一，目前亟待解決低溫下表干時(shí)間長、綜合機(jī)械性能較差等問題。

長江科學(xué)院研發(fā)的CW810系列高耐候改性環(huán)氧樹脂砂漿因具有耐候性好、抗凍性能佳、強(qiáng)度高等特點(diǎn)(見表1)，適用于高海拔高寒地區(qū)的混凝土建筑物防滲、抗凍、抗沖磨修復(fù)與防護(hù)。如張達(dá)等[24]將該材料成功應(yīng)用于藏木水電站溢流壩段的修補(bǔ)及防護(hù)。

表1 CW810高耐候改性環(huán)氧樹脂砂漿主要性能Table 1 Main properties of CW810 modified epoxy resin mortar with high weather-resistance

3.2 聚氨酯類材料

聚氨酯類材料熱導(dǎo)率和吸水率較低、力學(xué)強(qiáng)度和耐腐蝕性較好，且施工周期短，常作為灌漿材料和保溫層用于工程滲漏處理和保溫保濕，在防凍、防腐涂層方面也有較多應(yīng)用[25-26]。例如所屬寒冷干旱地區(qū)的新疆山口水電站、新疆沖呼爾水電站碾壓混凝土重力壩壩體均采用噴涂聚氨酯保溫保濕防裂[27]。然而，聚氨酯材料在10 ℃以下發(fā)泡率顯著降低，使用時(shí)易受季節(jié)限制。另外，發(fā)泡聚氨酯噴涂固化速度很快，噴涂面難以控制平整，對施工工藝要求較高，今后研究中需要重點(diǎn)關(guān)注。

3.3 聚脲彈性體

聚脲彈性體是近年來開發(fā)的一種新型無溶劑、無污染綠色材料，具有施工快捷、低溫固化、抗沖刷磨蝕和耐候等性能，因而在大壩壩面、溢洪道、排沙洞、導(dǎo)流洞、輸水渠等過水建筑物中具有廣泛應(yīng)用[28]。如馬宇等[29]介紹了單組分聚脲抗沖磨材料在新疆高寒地區(qū)大壩溢流面的施工應(yīng)用情況。但是聚脲涂層成本較高，并在施工適應(yīng)性、施工工藝等方面有較大的提升空間，有待進(jìn)一步深入研究。如梁慧等[30]設(shè)計(jì)了一種適用于西藏地區(qū)的“聚脲面涂+環(huán)氧底層”復(fù)合涂層體系，以增強(qiáng)聚脲涂層與施工現(xiàn)場混凝土基底的粘結(jié)性能。

正如我們在第一節(jié)的最后所總結(jié)的一樣，推薦系統(tǒng)中的各種算法也具備算法的基本條件，但它們的特別之處在于它們是在通過一個(gè)特定的矩陣來分析各個(gè)用戶的行為數(shù)據(jù)而得到的一些相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(如下圖所示)，這其實(shí)就是為什么推薦系統(tǒng)一般能夠準(zhǔn)確的得出一個(gè)人的喜好的背后原理所在。

長江科學(xué)院研發(fā)了一種以聚天冬氨酸酯聚脲為核心的CW820慢反應(yīng)聚脲材料系統(tǒng)，具有耐候性好、防滲、抗碳化、抗沖磨性能優(yōu)異以及彈性較高等特點(diǎn)(見表2)，既適用于常規(guī)氣候環(huán)境下水工建筑物沖刷磨蝕、碳化開裂等劣化現(xiàn)象的快速修補(bǔ)與表面防護(hù)，也適用于高寒地區(qū)水工建筑物表面防凍抗?jié)B處理。目前，已成功應(yīng)用于新疆伊犁地區(qū)某輸水工程、南水北調(diào)中線工程、丹江口大壩、黃柏河流域的尚家河、湯渡河和天福廟水庫除險(xiǎn)加固工程，以及葛洲壩和三峽大壩的船閘閘墻的現(xiàn)場試驗(yàn)。

表2 CW820慢反應(yīng)聚脲材料系統(tǒng)主要性能Table 2 Main properties of CW820 slow-reaction polyurea material system

3.4 丙烯酸酯類材料

丙烯酸酯類材料具有良好的光、熱及化學(xué)穩(wěn)定性，粘結(jié)性能好。其中以丙烯酸酯共聚乳液(丙乳)應(yīng)用最為常見，將丙乳與水泥砂漿配制成的丙乳砂漿，已在水工建筑物的局部加固和整體護(hù)面，尤其是渠道工程的凍脹修復(fù)等方面產(chǎn)生大量成功案例[31-33]。但該類材料也存在高溫回粘、低溫變脆等缺陷。通過有機(jī)硅、有機(jī)氟、環(huán)氧樹脂、納米材料等將丙烯酸酯改性，以獲得更好的成膜性、憎水性與耐候性，是近年來的研究方向。

此外，改性瀝青防水卷材[34]、三元乙丙橡膠止水材料[35]、碳纖維材料[36]、水泥基滲透結(jié)晶型材料[37]等也均在高寒地區(qū)水工修復(fù)防護(hù)中得以使用，取得了較好應(yīng)用效果。

以上單一種類材料往往難以同時(shí)滿足修復(fù)防護(hù)需求，實(shí)際工程中通常選擇2種或2種以上材料搭配使用。

此外，由于現(xiàn)有防護(hù)修復(fù)材料多為有機(jī)材料，在高寒地區(qū)環(huán)境下普遍存在快速老化現(xiàn)象，壽命遠(yuǎn)小于其他地區(qū)，其中強(qiáng)紫外輻照是防護(hù)材料劣化的主要原因。因此，提升防護(hù)修復(fù)材料的耐光、耐熱性能將是未來的研究方向之一。

丙乳砂漿是丙烯酸脂乳液水泥砂漿的簡稱，是目前最常用的聚合物改性水泥砂漿。長江科學(xué)院針對高寒地區(qū)水工建筑物防滲防碳化等需求研制了CW720丙乳砂漿，具有良好的力學(xué)性能、耐候性、抗?jié)B性、粘結(jié)性和優(yōu)異的防水防腐效果，同時(shí)具有優(yōu)異的抗凍性能和耐老化性能(見表3)。

表3 CW720丙乳砂漿主要性能Table 3 Main properties of CW720 propyl emulsion mortar

4 防護(hù)修復(fù)技術(shù)

高寒地區(qū)水工混凝土劣化缺陷形式以裂縫、滲漏、剝蝕為主，根據(jù)水工劣化成因、發(fā)生部位及破壞程度，當(dāng)前修復(fù)防護(hù)技術(shù)有涂刷法、鑿槽嵌填法、灌漿法、粘貼法、錨固法等[19]。在設(shè)計(jì)修復(fù)防護(hù)工藝時(shí)要考慮多重特征氣候因素耦合影響，選擇合適的修復(fù)防護(hù)材料，優(yōu)化施工方案。

4.1 裂縫處理

對于深層及貫穿裂縫，通常先鑿槽嵌填，后內(nèi)部灌漿處理，恢復(fù)混凝土設(shè)計(jì)應(yīng)力狀態(tài)及結(jié)構(gòu)整體性。嵌縫材料選擇聚脲、環(huán)氧砂漿、聚合物砂漿等，其中活動縫的嵌縫材料應(yīng)具備較高的柔韌特性。灌漿材料常用水泥漿材、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等。盡量選擇適宜環(huán)境溫度與氣候條件進(jìn)行灌漿施工，無法避免低溫條件下施工時(shí)，注意控制漿材注入的溫度，選取的灌漿材料在低溫條件下應(yīng)當(dāng)保持較好的流動度、反應(yīng)活性和固結(jié)體性能，且灌后應(yīng)適當(dāng)延長檢查時(shí)間。

4.2 滲漏處理

混凝土滲漏主要表現(xiàn)為點(diǎn)滲、線滲、面滲幾種類型，處理措施一般首先采用地質(zhì)鉆探、物理勘探、示蹤法等方法排查滲漏源及滲漏路徑[38-40]；然后采用涂刷法或粘貼法表面封閉滲漏源，并且在迎水面及混凝土內(nèi)部灌漿，以堵塞滲漏通道；同時(shí)通過鉆排水孔等措施將水工結(jié)構(gòu)內(nèi)部積水引流排出，防止積水產(chǎn)生凍脹或冰拔破壞；最后再對滲漏部位表面封閉。

表面封閉材料可選擇SR防滲蓋片、環(huán)氧類涂料、聚脲類涂料等組合使用，灌漿材料多選擇環(huán)氧類、聚氨酯類等化學(xué)灌漿材料。

4.3 剝蝕處理

高寒地區(qū)水工混凝土剝蝕通常由高頻凍融、推移質(zhì)沖磨，以及化學(xué)侵蝕等造成。處理措施為首先鑿除剝蝕部位的松動混凝土或原保護(hù)涂層，確保基面潔凈干燥；然后采用環(huán)氧混凝土、環(huán)氧砂漿或丙乳砂漿進(jìn)行充填修補(bǔ)；最后補(bǔ)充防護(hù)涂層進(jìn)行表面防護(hù)。對于涉水混凝土結(jié)構(gòu)如溢洪道、進(jìn)水閘、泄洪洞、護(hù)坡護(hù)坦等，宜在設(shè)計(jì)階段就考慮抗凍抗沖磨防護(hù)措施，如在混凝土表面涂覆抗凍等級高、耐磨性好的涂層材料；或者采用粘貼法，主要選擇聚氯乙烯類或橡膠類止水材料，并在表面輔以耐候性面漆或保護(hù)蓋板等抗老化措施。對于碳化或氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕，還應(yīng)在充填材料或表面防護(hù)涂層材料中加入阻銹劑，必要時(shí)還需粘貼碳纖維材料、鋼板等，或采用植筋或錨固進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

5 工程應(yīng)用實(shí)例

5.1 西藏藏木水電站大壩抗沖磨防護(hù)

西藏藏木水電站是雅魯藏布江上第一座大型電站，所處地區(qū)為高原溫帶季風(fēng)半濕潤氣候，氣溫較低，溫差較大，多年平均氣溫9.2 ℃，極端最高氣溫32.0 ℃、最低氣溫-16.6 ℃；凍融循環(huán)頻繁，年均達(dá)200次以上；海拔3 000 m以上，紫外輻照強(qiáng)烈；氣候干燥，多年平均降水量540.5 mm，歷年日最大降水量51.3 mm。

藏木水電站大壩過流部位存在凍害與沖磨破壞隱患，要求進(jìn)行重點(diǎn)抗沖磨防護(hù)。其中，水輪機(jī)進(jìn)水口全面涂層抗沖磨防護(hù)，溢流壩段閘墩部位對存在破損和薄弱的部位進(jìn)行缺陷處理與抗沖磨加強(qiáng)防護(hù)。采用改性CW高耐候環(huán)氧抗沖磨防護(hù)材料進(jìn)行涂刷施工，該材料主要性能為抗凍等級>F250、抗沖磨強(qiáng)度>500 h/(g·cm-2)、紫外線加速老化2 000 h不粉化和混凝土粘結(jié)強(qiáng)度>4.0 MPa[24]。防護(hù)工程于2014年完成，施工面積約1萬m2。運(yùn)行超過5 a后進(jìn)行現(xiàn)場檢查，涂層保持完整，服役性能良好，保證了電站高速過流區(qū)結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全。水輪機(jī)進(jìn)水口抗沖磨防護(hù)涂層與大壩上游壩面防凍防滲涂層效果見圖5。

圖5 藏木水電站水輪機(jī)進(jìn)水口防護(hù)涂層和上游壩面 防護(hù)涂層Fig.5 Protective coating for turbine inlet and protective coating on upstream dam surface of Zangmu Hydropower Station

5.2 西藏拉洛水利樞紐消力池表面防護(hù)

西藏拉洛水利樞紐及配套灌區(qū)工程位于西藏自治區(qū)日喀則市薩伽縣桑珠孜區(qū)境內(nèi)，是雅魯藏布江支流夏布曲干流上的控制性工程，高程4 300 m左右。樞紐工程處于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，流域內(nèi)自然氣候條件較為復(fù)雜，紫外線強(qiáng)度大，多年平均日照時(shí)數(shù)3 201 h；氣候干燥，年降雨量約150～300 mm；溫差大，年平均氣溫約4.8 ℃，最高溫達(dá)28.2 ℃，最低為-23.9 ℃；風(fēng)速較大，多年平均風(fēng)速2.6 m/s，歷年最大風(fēng)速29.6 m/s[41]。

由于拉洛工程新建消力池處于高速含沙水流、強(qiáng)紫外輻射、大晝夜溫差的運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)對混凝土質(zhì)量及其防護(hù)提出了很高要求。為提高拉洛水利樞紐過流效率和耐候性能，涂刷CW“環(huán)氧樹脂界面劑底涂+耐候環(huán)氧砂漿面涂”對消力池側(cè)墻進(jìn)行表面防護(hù)，施工時(shí)間為2016年9月，工程量約3 700 m2。驗(yàn)收結(jié)果表明，環(huán)氧砂漿涂層與混凝土基底粘結(jié)穩(wěn)固，涂層表面光滑平整，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，起到了良好的防護(hù)應(yīng)用效果，涂刷前后效果如圖6所示。

圖6 拉洛工程消力池防護(hù)材料涂刷前后效果Fig.6 Photos of stilling pool of Laluo Project before and after coating protective materials

2018年10月耐候環(huán)氧砂漿涂層服役2 a后，對工程質(zhì)量回訪檢測，由電鏡掃描SEM圖像(圖7)可知，沒有涂層防護(hù)的混凝土孔隙增大，結(jié)構(gòu)變得疏松；而有涂層防護(hù)的混凝土結(jié)構(gòu)仍較為致密，且涂層材料與混凝土基底依然結(jié)合緊密，涂層整體仍處于穩(wěn)定防護(hù)狀態(tài)，確保了消力池結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。

圖7 拉洛工程消力池混凝土2 a后SEM圖像Fig.7 SEM images of the concrete of stilling pool of Laluo Project two years after service

5.3 豐寧抽水蓄能電站巖壁吊車梁裂縫處理

豐寧抽水蓄能電站地處河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，工程處于嚴(yán)寒地區(qū)，屬于中溫帶半濕潤半干旱高原山地氣候。夏季濕熱多雨，冬季寒冷干燥，年降水量350～550 mm；晝夜溫差大，年平均氣溫0.9～6.2 ℃，極端最底氣溫-35.8 ℃；電站水位變化頻繁，凍融頻率高，上水庫年凍融循環(huán)次數(shù)為160次。受低溫季節(jié)施工及復(fù)雜地質(zhì)條件等影響，地下主廠房洞巖壁吊車梁梁體出現(xiàn)水平及斜向裂縫，對結(jié)構(gòu)安全性不利，因而需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，恢復(fù)混凝土的整體性。

裂縫處理措施為：對水平裂縫開展區(qū)域采用丙乳砂漿按原體型抹平加固，對斜向裂縫開展區(qū)域采用環(huán)氧樹脂灌漿材料加固；待砂漿強(qiáng)度達(dá)到要求或化學(xué)灌漿結(jié)束后，在其表面粘貼3層(2縱1橫)0.3 kg/m2的高強(qiáng)I級單向碳纖維布，并在碳纖維布表面涂刷1層耐火極限2 h的防火涂料；最后涂刷1層混凝土色的水泥基滲透結(jié)晶型涂料。裂縫處理于2019年12月完成，施工面積約100 m2，經(jīng)檢查處理效果滿足設(shè)計(jì)要求，消除了質(zhì)量隱患，增強(qiáng)了該部位結(jié)構(gòu)的均勻性和穩(wěn)定性，保證了后期巖壁吊車梁安全運(yùn)行。

5.4 兩河口水電站混凝土表觀缺陷修補(bǔ)

兩河口水電站為雅礱江中下游的龍頭控制性電站，地處青藏高原東側(cè)，屬于川西高原氣候，干濕季節(jié)分明。每年10月—次年4月期間，氣候干燥且寒冷，日照長、濕度小、日溫差大。氣象資料顯示，極端最高氣溫為35.4 ℃，極端最低氣溫為-12.5 ℃，日溫差可達(dá)到20 ℃。冬期施工期3個(gè)月，平均氣溫低于5 ℃[42]。

考慮兩河口水電站各泄水建筑物大部分洞(槽)段流速均超過30 m/s，且處于高原高海拔地區(qū)，泄洪建筑物需要經(jīng)受干濕交替、凍融循環(huán)、紫外線等不利條件的考驗(yàn)，因此泄水建筑物抗沖磨混凝土表面表觀缺陷處理使用環(huán)氧系材料。采用CW加固型環(huán)氧砂漿對泄水建筑物缺陷進(jìn)行修補(bǔ)防護(hù)，該材料主要性能為90 d含砂水流沖刷磨損率≤0.01 g/(h·cm2)、粘結(jié)強(qiáng)度>5.0 MPa、線膨脹系數(shù)為(9～12)×10-6K-1。該工程施工時(shí)間為2021年4月，涂刷面積約5 000 m2。施工后防護(hù)涂層效果見圖8。

圖8 兩河口水電站導(dǎo)流洞抗沖磨防護(hù)涂層Fig.8 Anti-wear protective coating for diversion tunnel of Lianghekou Hydropower Station

6 結(jié) 語

劣化水利工程的修復(fù)防護(hù)是將新舊材料結(jié)合形成一個(gè)整體，以便能經(jīng)受荷載、環(huán)境、時(shí)間等多因素耦合作用。修復(fù)防護(hù)技術(shù)作為復(fù)雜的系統(tǒng)過程，需要基于對工程服役特征的全面了解，進(jìn)行合理的工藝設(shè)計(jì)。高寒地區(qū)低溫寒冷、日溫變幅大、氣候干燥、日照紫外線強(qiáng)烈、蒸發(fā)量大等氣候條件對水利工程的劣化修復(fù)防護(hù)技術(shù)提出了更高要求。雖然高寒地區(qū)水利工程的修復(fù)防護(hù)取得了一定成果，但相關(guān)技術(shù)仍有待完善，還應(yīng)在以下方面進(jìn)一步探索。

(1)材料性能方面：在現(xiàn)有修復(fù)防護(hù)材料基礎(chǔ)上進(jìn)行改性，開展功能復(fù)合材料制備研究，以解決修復(fù)防護(hù)材料在高寒地區(qū)氣候條件下的環(huán)境適應(yīng)性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等問題，研發(fā)更為完善的修復(fù)防護(hù)材料體系；研究修復(fù)防護(hù)材料在多重耦合因素下的失效機(jī)理，進(jìn)行修復(fù)防護(hù)材料服役壽命預(yù)測。

(2)配套設(shè)備方面：需要提高攪拌機(jī)、噴涂機(jī)、灌漿泵等設(shè)備的生產(chǎn)效率、安全性、環(huán)境適應(yīng)性與工作可靠性，促進(jìn)修復(fù)防護(hù)施工設(shè)備的多功能化、自動化、數(shù)字化、智能化以及少人或無人化。

(3)工藝拓展方面：改進(jìn)水工結(jié)構(gòu)缺陷的診斷手段，實(shí)現(xiàn)例如大水深、長路徑、動水等復(fù)雜條件下的缺陷排查；建立高寒地區(qū)水工缺陷特征與施工工藝相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，制訂缺陷危害評價(jià)及修復(fù)防護(hù)效果評價(jià)方法，將材料選擇、施工工法、評價(jià)方法與缺陷形態(tài)相匹配，形成診斷-處理-評價(jià)一體化的修復(fù)防護(hù)技術(shù)體系。

(4)標(biāo)準(zhǔn)制定方面：對比分析現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與高寒地區(qū)水工混凝土劣化防治措施的差異，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)特點(diǎn)，細(xì)化完善特征氣候環(huán)境下水工混凝土劣化防護(hù)措施，提出針對高寒地區(qū)水工混凝土劣化防護(hù)的技術(shù)指南。