小山電站廠房尾水閘墩凍融剝蝕破壞處理

孫慶豐，唐振華

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

小山電站作為松江河梯級水電站的第一級電站，對于保障區(qū)域電力需求和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有舉足輕重的地位。在電站的運(yùn)行過程中，廠房尾水閘墩出現(xiàn)了嚴(yán)重的凍融剝蝕破壞現(xiàn)象，給電站的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了潛在風(fēng)險。因此，本文旨在深入探討小山電站廠房尾水閘墩凍融剝蝕破壞的原因、影響和處理方法，為保障電站的安全運(yùn)行提供有力支持。

1 工程概況

小山電站位于吉林省撫松縣境內(nèi)第二松花江上游的松江河干流，由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道和左岸河彎處引水式電站組成，工程為Ⅱ等大（2）型工程。廠房尾水建筑物由尾水閘墩、尾水渠及兩側(cè)的混凝土導(dǎo)墻組成。尾水閘墩底高程為576.97 m，頂高程為590.57 m，中墩寬1.30 m，邊墩寬3.02 m，共2 個機(jī)組段。兩側(cè)混凝土導(dǎo)墻為混凝土重力式擋墻，右岸導(dǎo)墻墻頂寬0.60 m，左岸擋墻墻頂寬0.50 m，迎水面豎直，背水側(cè)坡比為1∶0.3。

2019 年4 月，針對小山電站尾水閘墩及尾水導(dǎo)墻裂縫及凍融剝蝕問題進(jìn)行了調(diào)查檢測。經(jīng)現(xiàn)場檢測，尾水閘墩及導(dǎo)墻存在蜂窩、麻面、孔洞、露筋、裂縫及疏松等外觀缺陷，混凝土存在壓碎、凍融、剝蝕、脫落及沖刷等損傷狀態(tài)，混凝土存在多條裂縫且存在凍融剝蝕、碳化等問題，鋼筋存在銹蝕情況。

2 凍融剝蝕現(xiàn)狀及原因分析

2.1 凍融剝蝕現(xiàn)狀

小山電站廠房尾水閘墩發(fā)生不同程度的凍融剝蝕破壞，剝蝕面積較大，凍融剝蝕深度為5.8～8.2 cm，局部范圍存在露筋，鋼筋發(fā)生嚴(yán)重銹蝕。

1）凍融剝蝕統(tǒng)計(jì)結(jié)果：根據(jù)DL/T 5251—2010《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術(shù)規(guī)程》[1]對凍融剝蝕的分類標(biāo)準(zhǔn)，對小山水電站廠房尾水閘墩凍融剝蝕缺陷調(diào)查情況進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表1。

表1 廠房尾水閘墩及導(dǎo)墻凍融剝蝕統(tǒng)計(jì)表

2）裂縫缺陷統(tǒng)計(jì)結(jié)果：根據(jù)DL/T 5251—2010對水工建筑物混凝土裂縫的分類標(biāo)準(zhǔn)，對小山電站廠房尾水閘墩裂縫缺陷調(diào)查情況進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表2。

表2 廠房尾水閘墩及導(dǎo)墻裂縫統(tǒng)計(jì)表

由表1、表2 可知，凍融剝蝕危害分類已達(dá)到C類，裂縫類型為D 類[1]，已達(dá)到深層裂縫，該缺陷亟待處理。

2.2 凍融剝蝕破壞產(chǎn)生原因

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況和檢測結(jié)果，分析確定凍融剝蝕、裂縫的主要原因有以下兩方面。

1）小山水電站位于東北嚴(yán)寒地區(qū)，具有四季溫差大、晝夜溫度變幅大等氣候特點(diǎn)[2]，閘墩表面容易形成冰晶，長期受凍融循環(huán)作用，表面材料剝落。隨著時間的推移，凍融破壞不斷加深，最終可能導(dǎo)致混凝土表面剝落至鋼筋的鈍化保護(hù)層，一旦該層被破壞，鋼筋將發(fā)生銹蝕破壞，從而加劇結(jié)構(gòu)的破壞。此外，在滲水作用下，混凝土?xí)a(chǎn)生溶出性侵蝕，導(dǎo)致內(nèi)部的CaO 融化析出，形成Ca（OH）2。在出水點(diǎn)，Ca（OH）2與大氣中的CO2反應(yīng)生成白色沉淀物碳酸鈣?；炷恋臐B水析鈣現(xiàn)象標(biāo)志著其已經(jīng)發(fā)生病變，并且隨著CaO 的溶出，混凝土?xí)兊盟缮⒍?qiáng)度。該工程每年的凍融循環(huán)次數(shù)較多，裂縫內(nèi)的水體在結(jié)冰后體積膨脹，凍脹力可能導(dǎo)致剝蝕破壞及裂縫的進(jìn)一步開展，使建筑物的整體性降低。這些因素將促使小山電站的尾水閘墩及導(dǎo)墻產(chǎn)生凍融剝蝕和裂縫。

2）閘墩采用的材料耐久性不足，長期受環(huán)境因素侵蝕，導(dǎo)致材料性能退化。包括廠房尾水水位變化、降雨等因素使不具備飽水條件的混凝土吸水飽和，混凝土在十多年的運(yùn)行中老化而使表面混凝土抗凍等級有所降低，以及冬季結(jié)冰和春季凍融等，造成混凝土表面凍融剝蝕、裂縫等。

3 凍融剝蝕處理方案

根據(jù)小山電站廠房尾水閘墩凍融剝蝕的情況，原混凝土存在壓碎、凍融、剝蝕、脫落及沖刷等損傷，混凝土存在多條裂縫且存在凍融剝蝕、碳化等問題，鋼筋存在銹蝕情況。若要徹底解決以上問題，需要對裂縫和凍融剝蝕進(jìn)行分類后，對缺陷部位進(jìn)行修補(bǔ)。其中，凍融剝蝕修補(bǔ)材料抗凍等級不小于F200，修補(bǔ)材料與基層混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)大于1.0 MPa[3]。

3.1 方案比選

1）方案一：鑿除深度為30 cm，澆筑高抗凍性混凝土。鑿除尾水閘墩表面深度為30 cm的凍融剝蝕破壞混凝土，老混凝土鑿除后若仍有裂縫，要先進(jìn)行裂縫處理。在老混凝土表面涂刷混凝土界面劑，鋪設(shè)受力筋22@20 cm、架立筋16@20 cm 鋼筋網(wǎng)，澆筑30 cm厚C35F400W6混凝土。

2）方案二：鑿除深度為5～15 cm，澆筑環(huán)氧混凝土。鑿除尾水閘墩表面深度為5～15 cm 的凍融剝蝕破壞混凝土，老混凝土鑿除后若仍有裂縫，要先進(jìn)行裂縫處理。在老混凝土表面涂刷環(huán)氧混凝土界面劑，修復(fù)破壞的鋼筋或重新鋪設(shè)受力筋22@20 cm、架立筋16@20 cm 鋼筋網(wǎng)，澆筑環(huán)氧混凝土。

小山電站無法長時間停機(jī)，最大停機(jī)時間僅為10 h 左右，普通混凝土在如此短時間內(nèi)達(dá)到強(qiáng)度需要摻早強(qiáng)劑，但仍難以保證混凝土的澆筑質(zhì)量。環(huán)氧混凝土與普通混凝土相比具有固化快、早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，環(huán)氧混凝土可以保證在10 h內(nèi)達(dá)到較高的強(qiáng)度和較好的施工質(zhì)量。因此，凍融剝蝕處理方案選擇方案二。

3.2 方案詳細(xì)內(nèi)容

尾水閘墩凍融剝蝕處理范圍為580.20～583.50 m 高程的表面混凝土。鑿除表面凍融剝蝕破壞的混凝土，鑿除深度為5～15 cm，去除松動的混凝土和雜質(zhì)，局部凍融剝蝕嚴(yán)重部位的鑿除深度應(yīng)加深，鑿除深度應(yīng)均勻，避免出現(xiàn)薄弱斷面，使修復(fù)材料能夠更好地與原有混凝土結(jié)合?；炷凌彸^程中，為保護(hù)混凝土整體結(jié)構(gòu)，須采用風(fēng)鎬人工鑿除?；炷凌彸笕羧杂辛芽p，應(yīng)先進(jìn)行裂縫處理[4]。裂縫處理結(jié)束后，在新老混凝土間設(shè)20錨筋，間排距2 m。澆筑新混凝土前需對老混凝土表面進(jìn)行基面清理，修復(fù)破壞的鋼筋或重新鋪設(shè)受力筋22@20 cm、架立筋16@20 cm 鋼筋網(wǎng)。在老混凝土表面噴涂環(huán)氧混凝土界面劑，保證新老混凝土良好膠結(jié)，之后制備環(huán)氧混凝土并澆筑，須保證修補(bǔ)面平順。填充完成后，對表面進(jìn)行處理，使環(huán)氧混凝土與原有混凝土表面平整。澆筑完成后要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止修補(bǔ)體和結(jié)合面粘結(jié)層在尚未能獲得足夠的強(qiáng)度之前遭受損害，保證其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3.3 環(huán)氧混凝土技術(shù)指標(biāo)

環(huán)氧混凝土是由改性環(huán)氧樹脂、新型環(huán)保固化劑和納米級特種填料等并配以特殊的加工工藝制成的高性能混凝土缺陷修補(bǔ)及水工抗沖磨保護(hù)與修復(fù)材料。主要特點(diǎn)：產(chǎn)品為雙組份包裝，施工操作簡單；可操作時間和流動度可以根據(jù)不同施工條件進(jìn)行動態(tài)控制，用于頂拱施工，不流掛；采用了新型環(huán)氧樹脂作主劑，具有良好的抗沖擊性；適用于干燥基面、潮濕基面（有水）及低溫環(huán)境等條件下施工；具有優(yōu)異的抗?jié)B性能和抗裂性能。

環(huán)氧混凝土性能指標(biāo)見表3。

表3 環(huán)氧混凝土性能指標(biāo)

3.4 方案實(shí)施

2021年5—9月，小山電站對尾水閘墩及導(dǎo)墻混凝土凍融剝蝕及裂縫等缺陷進(jìn)行了修復(fù)處理，凍融剝蝕處理施工順序：原混凝土鑿除→基面清理→裂縫檢查→裂縫灌漿（需要時）→錨桿施工→鋼筋制安（需要時）→恢復(fù)止水（原止水不能破壞）→基面清理→界面劑涂刷→澆筑環(huán)氧混凝土→養(yǎng)護(hù)。

經(jīng)過2 年對電站正常運(yùn)行中的觀察和檢測，未發(fā)現(xiàn)修復(fù)的閘墩表面有剝落現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性得到了顯著提升，小山電站廠房尾水閘墩凍融剝蝕處理獲得了良好的效果。

4 結(jié)語

小山電站廠房尾水閘墩存在凍融剝蝕缺陷是電站運(yùn)行的安全隱患，通過此次處理，廠房尾水閘墩凍融剝蝕破壞問題得到了有效解決，環(huán)氧混凝土強(qiáng)度高，修復(fù)后的尾水閘墩強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到了明顯提高，能夠有效抵抗水流的侵蝕和沖擊；環(huán)氧混凝土與混凝土粘結(jié)力強(qiáng)、防滲性能好，不易產(chǎn)生裂縫和脫落，保證了修復(fù)效果的長期穩(wěn)定性和整體完整性。此外，環(huán)氧混凝土修復(fù)方法操作簡單，施工周期短，對水利工程運(yùn)行影響較小。建議今后要深入研究新型耐凍融材料的性能和應(yīng)用前景，尋找更合適的材料來提高閘墩的耐久性；加強(qiáng)數(shù)值模擬分析，探究閘墩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高其抗凍融能力；加強(qiáng)監(jiān)測和維護(hù)管理，定期對閘墩進(jìn)行檢測和維修，及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在問題，確保電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。