某电站底孔冲蚀破损修补工艺改进

沈定斌，江华贵，陆嘉斌

(国电大渡河流域水电开发有限公司检修安装分公司，四川乐山614900)

1 工程概况

龚嘴水电站布置有4个溢洪道、3个冲沙底孔，自投运至今已运行30多年，水工建筑物总体运行状况良好。近15年完成了三项大的水工建筑物补强加固工程:一是1989年完成的消力塘整治工程，二是2004年4月和2008年4月完成的10号、15号底孔检修门段修复工程，其余主要进行的是对3个冲沙底孔检修门段后的正常维护检修。从以往的检查、检修情况看，高速含沙水流对冲沙底孔、溢流面及下游消力塘及其周边部位冲刷磨损严重。铜街子水电站布置有5个溢洪道、2个冲沙底孔，目前也已运行10多年，泥沙对水工建筑物的危害也初步显现。

2 水工建筑物冲刷破坏现状

2.1 龚嘴水电站冲沙底孔

(1)龚嘴水电站冲沙底孔检修门段。

2004年，对10号底孔进水口采用浮体门成功封堵后检测发现:总体上进口段底板、侧墙和钢衬左侧破坏较右侧严重，检修门槽及其上游底板20mm厚衬砌钢板已完全破坏，剩下的残破钢板厚度只有2～12mm左右;底板上的二期混凝土也遭破坏，底板混凝土大面积剥蚀厚度为2～12 cm，以底板进口弧段破坏最为严重，混凝土最大冲深约40cm，钢筋外露并已断损，呈匕首状(图1);钢板下和检修门底坎附近埋于混凝土中的槽钢上半部已被冲蚀破坏，钢板被冲掉后局部形成混凝土冲坑(图2);检修门槽上游左侧墙面约3.3m以下局部出现深坑，冲坑深度超过40cm，检修门槽上游侧墙衬砌的20mm厚钢板局部完全冲磨掉;右侧墙面约2.2m以下混凝土明显被冲蚀破坏，两侧墙均见钢筋外露并局部破坏断损;20mm厚的左侧钢衬只剩约2～12mm;底板上的环氧混凝土未见到任何残留物。检修门槽及其主轨及下游的侧墙钢衬板基本完好。

2008年，对15号底孔进水口采用浮体门成功封堵后检测发现，其破坏情况与10号底孔类似。

图1 10号底孔进水口反弧段破坏情况

(2)龚嘴水电站冲沙底孔检修门下游。

图2 10号底孔底板破坏情况

从历年的检修情况看，冲沙底孔主要是冲刷破坏。由于底孔流速高达27m/s左右且大渡河流域来沙硬度高，加之龚嘴水库泥沙淤积严重、调节性能差、15号底孔结构布置设计上存在的缺陷、汛期底孔使用频繁且底板和边墙平整度较差，高速含沙水流冲刷磨损和空蚀相互促成和联合作用造成底孔检修门段下游过流面破坏严重，特别是边墙墙面4m以下更为严重(图3)，底板大面积混凝土被冲掉(含环氧混凝土)，局部还出现了较大的空洞、冲坑，衬砌钢板上有大量的蜂窝麻面、冲槽，有的已被冲蚀破坏变得非常薄，甚至发生严重变形;工作门左右滑道剥蚀破坏也较为严重，曾发生过不锈钢面板几乎被完全冲刷掉的情况;工作门底坎已大量削减变薄。为此，自1982年开始，三个底孔对检修门槽下游进行了修补，三年轮修一次，截至2010年，6号、10号、15号底孔分别进行了9次、8次、13次大规模检修。

图3 15号底孔侧墙破坏情况

从近年来对底孔进行的检修情况看，底孔冲刷破坏周期在缩短，如15号底孔在2004～2005年检修期重新更换的左侧部分滑道，在2005年11月中旬检查中发现，该部分滑道不锈钢面板已被冲出多处冲槽，局部已被冲穿，工作门底坎在上个检修期还较为完好，仅局部被冲薄，而该次检查时发现底孔中心线以左大部分已被冲薄，最薄处仅有2mm，局部已被冲穿。2006年4月，对10号底孔进行检查时发现，工作门后2m范围底板钢筋被冲翻、左侧墙大面积钢筋外露，底板混凝土冲坑较深、范围较大。分析认为:这与近3年汛期来水来沙较大有直接关系，足见泥沙对水工建筑物的危害在加剧。

2.2 铜街子水电站冲沙底孔检修门下游

铜街子水电站底孔大修在2004年以前仅为检查性的修理，对水工建筑物未曾进行过实质性修补。2004年6月，右底孔由于边墙衬砌钢衬与主轨间存在间隙，在高速水流磨损掉固定螺钉头后，衬砌钢板被掀起而撕裂破坏，影响闸门的正常启闭，经过短期的紧急抢修恢复了正常运行。在2004～2005年检修期检查发现右底孔检修门与工作门之间的底板混凝土破坏深度约为10cm，冲刷较为均匀，未见明显的冲坑;工作门底坎下游钢衬左边缘有一块整体被冲走，原钢板焊缝已损坏，钢板松动，局部钢衬上有明显的凹槽，有的地方已穿水;左右边墙混凝土冲刷破坏较为轻微，表层砂浆及部分骨料被冲走。

2.3 成因分析

(1)从对历年的来水来沙进行分析，一般是来水大，沙量也大，主汛期6～9月份的来沙量占全年来沙量的比例几乎达85%以上。

(2)四川省地矿局地质调查队试验室作的一次河流悬沙中矿物鉴定分析试验结果表明:库区泥沙以石英、长石为主，其莫氏硬度(矿物硬度)分别为7和5。

(3)根据以前的泥沙分析成果，1993年悬移质在库区河道完成了再造床，淤积物逐渐变粗，之后库区河道进入推移质再造床阶段，但悬移质粗颗粒继续在坝前段落淤，洲面淤积物以悬移质中的粗沙和推移质为主。

从历年淤积物粒径中的d50或dmax统计成果看，随着水库运行年限的增加，粗沙向坝前推移，泥沙颗粒逐年增大。推移质在库区的淤积以及向下游推移的发展虽然比较缓慢，但随着水库超期运用的延长，推移质在库区的淤积和向坝前的推移速度将逐渐加快，粗沙过坝对机组和泄流设施造成的危害将日益加剧。

3 底孔修补新旧方案比较

3.1 原方案及其优缺点

针对冲沙底孔冲蚀破坏形式和初期检修后的运行工况，在底孔体型、坝前水流及泥沙含量不能改变的前提下，并综合考虑修补工程量、时间、资金及抗磨材料的实际运行情况等多种因素，逐步修订并完善了一套底孔检修门下游段检修技术方案。

(1)对局部冲坑部位采用混凝土回填后钢板衬砌。

施工流程:冲坑开挖→锚筋钻孔与锚固→钢筋网制作与安装→基面处理→混凝土浇筑→钢板制作与安装→回填灌浆。

(2)对局部露筋部位采用普通环氧混凝土修补。

施工流程:基面处理→普通环氧混凝土浇筑。

(3)对凸凹不平部位采用普通环氧砂浆修补。

施工流程:基面处理→普通环氧砂浆。

按上述流程进行处理基本上可以维持底孔的正常运用。根据施工期及后期敷设的钢衬运行情况看，其抗冲耐磨性能明显高于高标号混凝土和普通环氧材料。

主要优、缺点为:

(1)大渡河流域泥沙对龚嘴、铜街子电站泄洪设施过流面冲刷破坏严重，每年检修期均需投入大量的人力、物力、财力对其进行修补。

(2)采用大面积浇筑高标号混凝土或局部浇筑普通环氧砂浆的修补方法，其优点是较为经济，但抗冲耐磨性较差，检修周期短。

(3)采用钢板衬砌修补方法，其优点是抗冲耐磨性较好，但费用较高。

(4)采用大面积浇筑高标号混凝土或局部浇筑普通环氧砂浆与钢板衬砌方法，在检修周期内能基本维持底孔的正常运行。但从近几年的检修情况看，钢板衬砌不能大面积敷设(检修门段除外)，一是检修时间不够，二是费用高。

3.2 改进方案及其优缺点

针对底孔检修频繁、每次检修资金需求大以及近年来底孔冲刷破坏周期明显缩短等特点，采用改性环氧砂浆材料于2007年汛前对8#溢洪门、6#底孔混凝土过流面进行了修补试验。根据试验效果，进一步调整了环氧砂浆材料配方，优化了施工工艺，混凝土过流面的抗冲耐磨特性较以前方案有显著的提高，从而延缓了检修周期，降低了检修成本，缓和了分公司流域检修点多面广引起的人力资源紧张的局面。

(1)对底孔底板和侧墙混凝土冲蚀破坏过流面视破损情况分别采用10cm、15cm、20cm、25 cm厚NE－Ⅱ型环氧砂浆抗冲磨层进行处理。

施工流程:混凝土基面处理→底层基液涂刷→环氧砂浆涂抹与压光。

(2)对底孔混凝土过流面局部冲蚀露筋部位采用粗骨料环氧砂浆回填后，再用NE－Ⅱ型环氧砂浆抗冲磨层进行处理。

施工流程:混凝土基面处理→粗骨料环氧砂浆回填→底层基液涂刷→环氧砂浆涂抹与压光。

(3)对底孔混凝土过流面局部冲坑部位采用C40混凝土回填后再用NE－Ⅱ型环氧砂浆抗冲磨层进行处理。

施工流程:冲坑开挖→树脂锚杆钻孔与锚固→钢筋网制作与安装→混凝土基面处理→底层基液涂刷→环氧砂浆涂抹与压光。

主要优、缺点为:

(1)与传统的环氧砂浆修补材料相比，其无毒无污染，施工简便快捷。

(2)与混凝土的匹配性能良好，粘接性强，抗冲磨强度高。

(3)与原底孔3年一次的检修周期相比，可延长2～3个检修期。

(4)该材料更适宜大渡河流域电站水工建筑物混凝土过流面冲蚀破坏形态的修复。

(5)不适宜水下混凝土过流面冲蚀破损修补。

4 新施工方法及要求

4.1 环氧砂浆施工工艺

(1)环氧砂浆施工工艺流程见图4。

(2)施工环境要求。

为更好的保证施工质量，常温型NE－Ⅱ环氧砂浆施工环境温度应在5℃以上，空气湿度应小于70%，混凝土基面清洁干燥。当现场环境条件无法满足上述要求时，可根据现场情况选用亲水型、低温型NE－Ⅱ环氧砂浆。

图4 环氧砂浆施工工艺流程图

(3)混凝土基面处理。

用喷砂机或电动角磨机清除混凝土基面的污染物、薄弱层、松散颗粒，直至混凝土表面外露新鲜、密实的骨料;再用钢丝刷和高压风清除其表面的砂粒、粉尘，待基面清理干净后，对局部潮湿的基面还需进行干燥处理。干燥处理采用喷灯烘干或自然风干。

(4)底层基液的拌制与涂刷。

①底层基液的拌制。取底层基液A组份和B组份各一桶，将B组份倒入A组份桶内，用基液搅拌器搅拌2～3min，搅拌均匀后可供应用。

当因施工面积所限、整桶拌和将造成浪费时，可进行非整桶拌和，根据材料使用说明书按比例配制基液。

②底层基液涂刷前，应再次用高压风清除混凝土基面的微量粉尘，以确保基液的粘结强度。

③底层基液的涂刷。基液拌制后，用毛刷均匀地涂在基面上，要求基液刷得尽可能薄而均匀、不流淌、不漏刷。基液拌制应现拌现用，以免因时间过长而影响涂刷质量，造成材料浪费和粘结质量降低。同时，还应坚持涂刷基液和涂抹环氧砂浆交叉进行的原则，以确保施工进度和施工质量。

(5)环氧砂浆的拌制和涂抹。

①环氧砂浆的拌制。

大面积施工时，每次拌和可为20～40kg。取环氧砂浆A组份倒入拌和机内，初拌1～2min，然后将环氧砂浆B组份再慢慢倒入拌和机，搅拌2～3min后，反转拌和机叶片再搅拌3～5min，将其拌和至颜色均匀后即可施工使用。

小面积修补施工时，根据现场施工的具体情况，按环氧砂浆包装桶内的使用说明书按比例拌和。

②涂抹环氧砂浆。

大面积施工时，将拌制好的环氧砂浆用抹刀按设计要求的厚度涂抹到已刷好基液的基面上，涂抹时尽可能同方向连续摊料，并注意衔接处压实排气，边涂抹、边压实找平，表面提浆。涂层压实提浆后，间隔1h左右再次抹光，表面不得有连接缝和下滑现象。

用于小面积混凝土表层修补时，要先将砂浆用力摊铺压实，然后用抹刀拍打出浆，对边角接缝处要反复找平并反复压实，消除缝茬。当进行厚层修补时，应视涂层厚度的大小分层施工，每次涂抹厚度不应超过3cm(当修补厚度大于3cm时，则应分层压实)并注意衔接处压实排气，然后用电动抹刀反复震动压实3～4遍，边震动边压实、边找平，表面提浆。涂层压实提浆后，间隔1h左右，再次提浆、抹光、收面。

③修补块边界缝的处理。

各修补块周边的基液要求涂刷的均匀，无挂滴、无露白。环氧砂浆的涂抹要求仔细压实，消除缝茬，保证修补区与未修补区的平顺衔接。

④施工面养护。

施工面养护期为28d，自然养护即可，养护期间的环氧砂浆面应避免硬物撞击、刮擦等。

(6)质量控制和检测。

①施工质量控制。

a.基础面处理控制:基面处理施工时，应特别注意对渗水区域的处理。基面处理结束后，应经验收合格后方可进行下道工序的施工。

b.涂层厚度控制:施工时应严格控制层厚，在仓面设立标准板尺。用钢针插试法测定涂层厚度，对于不满足设计要求的要及时解决和补救。

c.平整度控制:用2m直尺靠检施工层面，各部位应满足要求。施工期间要求不断进行抽检，发现问题及时采取补救措施，保证最终施工面满足设计要求，并不得有接缝、麻面、下坠等异常现象。

②施工质量检测。

a.原材料检测:施工期间应对到场的每批次原材料进行抗压强度抽检。

b.涂层厚度检测:砂浆涂层厚度采用插针法检测，每m2不少于3个测点。

c.粘结拉拔检测:现场拉拔试验采用进口专用拉拔仪进行。先用空心钻垂直钻透待检环氧砂浆层至混凝土表层，形成孤立的受检块，直径为5 cm。然后，用专用清洗剂或丙酮清洗受检块表面，并用高强粘合剂将直径为5cm、厚2cm的铝合金测头粘于受检块上，24h后进行拉拔强度检测。

4.2 粗骨料环氧砂浆施工工艺

(1)粗骨料环氧砂浆施工工艺流程见图5。

图5 粗骨料环氧砂浆施工工艺流程图

(2)混凝土基面处理。

用电动切割机将修补区域边界切割规整，再用人工手钎将混凝土基面的松动骨料凿除，直至混凝土表面外露新鲜、密实的骨料;对于深度不足3cm的区域将其凿至3cm。

基面处理后，用电动钢丝刷清除混凝土基面上的污染物、薄弱层、松散颗粒;再用钢丝刷和高压风清除表面砂粒、粉尘，待基面清理干净后，对局部潮湿的基面还需进行干燥处理，干燥处理采用喷灯烘干或自然风干。

(3)底层基液的拌制和涂刷。

①底层基液的拌制。

取底层基液A组份和B组份各一桶，将B组份倒入A组份桶内，用基液搅拌器搅拌2～3 min，搅拌均匀后可供使用。

当因施工面积所限、整桶拌和造成浪费时，可进行非整桶拌和，根据材料使用说明书按比例配制基液。

②底层基液涂刷前，应再次用高压风清除混凝土基面的微量粉尘，以确保基液的粘结强度。

③底层基液的涂刷。

基液拌制后，用毛刷均匀地涂在基面上，要求基液刷得尽可能薄而均匀、不流淌、不漏刷。基液拌制应现拌现用，以免因时间过长而影响涂刷质量，造成材料浪费和粘结质量降低。

(4)粗骨料环氧砂浆的拌制和施工。

每次拌和重量可为20～40kg。取粗骨料环氧砂浆A组份倒入拌和机内，初拌1～2min，然后将粗骨料环氧砂浆B组份再慢慢倒入拌和机，搅拌2～3min后，反转拌和机叶片再搅拌3～5 min，拌和均匀后即可使用。

将拌制好的粗骨料环氧砂浆摊铺到已刷好基液的基面上，每次摊铺厚度不应超过5cm(当设计厚度大于5cm时，则应分层压实)并注意衔接处压实排气，然后用电动抹刀反复震动压实3～4遍，边震动、边压实、边找平，表面提浆。涂层压实提浆后，间隔1h左右再次提浆、抹光、收面。

(5)施工面养护。

施工面养护期为24h。养护期间的环氧混凝土面应避免硬物撞击、刮擦及水浸等，待养护期结束后即可在表面涂抹环氧砂浆。

4.3 C40细石混凝土施工工艺

(1)基面的处理。

基面处理完成后，采用高压水冲洗，清除干净其表面的松动颗粒及浮尘。仔细检查混凝土表面，对一些凿毛不彻底的部位(如水垢、松动层等)采用人工凿毛的方式清除干净，直至外露新鲜、密实的混凝土。

混凝土浇筑前对基面应再次用高压水冲洗并排净积水，清洗后的基面在浇筑混凝土前应保持清洁，使基面处于饱和、面干状态。基础面清理完毕经验收后方可进行混凝土浇筑。

(2)混凝土拌制。

C40细石混凝土的拌和必须按照混凝土配料单进行配料。混凝土的各组成材料均以重量计，水泥、粉煤灰、水、外加剂的衡量偏差不得超过±1%，骨料的衡量偏差不得超过±2%。采用0.25 m3强制式拌和机拌制混凝土，拌和时间不少于180s。

(3)混凝土运输。

现场运输水平方向以胶轮车为主，通过底板进入作业面现场。垂直运输采用小型吊运设备将混凝土吊运至底板，混凝土运输过程中应避免发生分离、漏浆和严重泌水。运输时间不宜超过5min。因故障停歇过久、混凝土已初凝或已失去塑性时应作废料处理。严格在运输途中和卸料时加水。

(4)混凝土浇筑。

为增强新老混凝土的胶结能力，混凝土浇筑前，在已处于饱和、面干状态的基面上涂刷一层J－Ⅱ界面剂，然后再铺一层2cm厚的水泥砂浆，砂浆水灰比应与混凝土的浇筑强度相适应，铺设施工工艺应保证混凝土与基面结合良好。

根据本工程施工特性，底板混凝土由内到外依次进行浇筑施工。浇筑混凝土时，严禁在仓内加水。如发现混凝土和易性较差，应采取加强振捣等措施，以保证质量。

混凝土浇筑先用铁锹等手工工具辅以钢滚筒平仓，振捣采用插入式和平板式振捣器捣固。振捣时间以取得良好捣固效果并不发生分离为度。每一位置的振捣时间以混凝土不再显著下沉、不出现气泡并开始泛浆时为准。振捣器前后再次插入混凝土的间距应不超过振捣器有效半径的1.5倍。对浇筑块的第一层及两罐混凝土卸料后的接触处应加强平仓振捣，以防漏振。在前一批混凝土尚未按规范振捣之前，不得在其上面加新的混凝土。对某些特殊部位，如周边接缝附近的混凝土的振捣应仔细谨慎，振捣器距接缝的距离不应小于振捣器有效半径的1/2，混凝土的平整度使用预埋角钢结合标尺控制。

(5)混凝土养护。

合理养护是预防硅粉混凝土产生裂缝的关键之一。为避免新浇混凝土出现表面干缩裂缝，在硅粉混凝土接近终凝时(终凝前)应及时采取混凝土表面喷雾或加盖聚乙烯薄膜，保持混凝土表面的湿润并降低水分蒸发的损失，以防止产生表面裂缝。48h后开始洒水养护直至设计龄期，整个养护过程中混凝土表面不得脱水(表面无发白现象)。为减少水分散失，养护过程中需使用塑料薄膜覆盖。

(6)质量控制。

①基面处理质量控制

基面打毛冲洗后，质检人员要仔细检查基面有无松动颗粒(用风水枪冲洗，看有无颗粒冲掉)。仔细观察有无尘污。浇筑前要检查基面有无积水，刷界面剂前要用棉砂醮掉明水，使基面处于饱和、面干状态。

②界面剂涂刷质量控制。

界面剂的配制必须在施工技术人员的监督下进行。界面剂涂刷后，质检人员要检查涂刷覆盖的是否严密，不得有混凝土面外露，既使很微小的混凝土外露也要补刷。质检人员要及时检查界面剂是否失去粘性，对失去粘性的部位必须督促施工人员及时重新涂刷。

③浇筑厚度及表面高程控制。

对于底板损坏段，浇筑前由测量定出浇筑后的表面高程并在侧墙面上画出连续的高程线，预埋1根角钢标尺，浇筑后检查表面平整度是否满足规范要求，如不满足要求则应及时抹平，硬化后如发现平整度不满足设计要求，对于高出的部分应用砂轮磨平，低处用环氧砂浆补平。

④养护及表面保护控制。

浇筑后，在混凝土接近终凝(洒水不损坏混凝土表面)时开始喷水雾养护，质检人员每4h检查一次，使混凝土表面在设计龄期一直处于湿润状态、新浇混凝土7d龄期内不得受硬物撞击、挂擦。