朱庄水库溢流坝面混凝土破坏原因及处理措施

王耀举

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

朱庄水库溢流坝面混凝土破坏原因及处理措施

王耀举

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

通过对溢流坝表层混凝土裂缝普查和对混凝土钻孔取芯检测，结合溢流坝长期运行环境，分析了溢流面混凝土破坏原因。依据溢流面破坏成因分析及混凝土质量检测情况，对溢流面采用了全断面修补法，满足了溢流坝安全运行要求。

水库；溢流坝；混凝土；破坏；加固处理

1 工程概况

朱庄水库位于海河流域子牙河水系滏阳河流域沙河干流上，坝址在邢台市沙河市孔庄乡朱庄村西，距邢台市35km，是一座以防洪、灌溉为主，发电为辅的综合利用的大（2）型水利枢纽工程，控制流域面积1220km2，总库容4.162亿m3。水库枢纽工程由溢流坝、非溢流坝、泄洪底孔、放水洞、发电洞、高低电站及南、北干渠渠首建筑物等组成。

溢流坝布置在河床段，全长111m，共3个坝段，溢流堰堰型采用克-奥（Ⅱ）型曲线，堰顶高程243.0m。溢流堰堰顶建闸6孔，单孔净宽14m，最大泄量1.23万m3/s。闸墩墩顶高程263.5m，2#、6#闸墩厚4.45m，4#墩厚5.5m，3#、5#缝墩厚4.0m，两边墩厚2.3m。闸孔设有14m×12.5m的弧形钢闸门，固定卷扬启闭机控制，启闭机容量2×450kN。

1998年8月夏季发生了大洪水，洪水造成溢流面反弧段剥蚀严重，汛后采用聚合物KT砂浆进行处理，处理后表面多处裂缝局部有隆起和内空现象，处理效果不理想，由于溢流坝堰体内部为浆砌石，若任其继续发展，将严重影响溢流坝的安全运行。

2 溢流坝面

2.1 溢流面混凝土裂缝

对6孔溢流堰面进行检查，发现堰面裂缝185条，裂缝宽度0.1～0.5mm，堰面未发现有剥蚀现象。

溢流面裂缝统计如表1。

表1 溢流面裂缝统计

2.2 反弧段混凝土剥蚀和脱空

“96·8”洪水后检查发现，溢流坝反弧段出现不同程度的剥蚀现象，剥蚀深度达5～7cm，虽进行过加固处理，但加固部位砂浆基本上全部脱空或剥落。砂浆下面为剥蚀的混凝土面，由于堰面长期未过水，现挑流坎上长有许多杂草和树木，挑流坎表面已完全破坏。

3 混凝土芯样质量检测

3.1 混凝土强度

原溢流面混凝土最小厚度2.0m，堰体内部为浆砌石。溢流面面层采用0.6m厚R28250混凝土，面层以下为R28150混凝土。混凝土强度采用钻孔取芯进行检测，检测成果见表2。

表2 溢流面混凝土强度检测成果（钻孔取芯法）

由表2可知，数据溢流面和挑流坎芯样抗压强度值比较高，且数据均匀，满足原设计混凝土强度。

3.2 混凝土抗冻性能

根据SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》，对溢流面混凝土抗冻性能进行了室内试验，试验结果如表3。

表3 溢流面混凝土抗冻性能试验结果

由表3可知，溢流坝溢流堰面、反弧段等部位混凝土抗冻性能均小于50个冻融循环，远低于规范要求标准。

4 溢流面表层混凝土破坏原因

朱庄水库地处华北地区，冰冻期每年12月上旬到次年3月初，最冷月平均气温在-3.6℃。由于溢流面位置朝向偏南，受太阳辐射热影响，一般冬季气温白天为正温，夜间降为负温，气温处于正负交替状态，每年冻融循环可达80～100次，而溢流面混凝土实测抗冻标号不及F25，与现行SL211—98《水工建筑物抗冰冻设计规范》的要求相差较多。

溢流面混凝土除了上述先天不足外，产生冻融破坏的另一个原因是混凝土被水饱和。普查表明闸门水封不严，漏水严重。

冻融破坏的机理，一般认为是混凝土微孔中积水，在某一冻结温度下结冰后产生体积膨胀，挤压未结冰的水体引起冰胀压力和渗透压力的联合作用，或混凝土微孔内冰晶体在水体的渗透过程中引起冰体生长产生冰胀力，在无数次反复的冻融循环以后，混凝土损伤逐步积累，内部孔隙及微裂缝逐渐增大，扩展后互相贯通，混凝土强度逐渐降低，当压力超过混凝土的抗拉强度时，轻则混凝土由表及里发生疏松、剥落，重则产生分层裂缝，混凝土出现脱空现象。

朱庄水库溢流坝反弧段混凝土表层冻融破坏的3个原因：①混凝土冻融循环频繁；②混凝土本身抗冻性能差；③反弧段混凝土面常年积水。最终导致了溢流坝反弧段混凝土表面发生冻融破坏。

溢流堰面由于不具备积水条件，尚未发生冻融破坏现象，但在普查时发现了大量裂缝，许多裂缝均贯穿了整个芯样，裂缝深度大于60cm，因此，一旦因天然降水使溢流面保持湿润，亦将最终导致溢流面发生冻融破坏。

综上所述，溢流面表层混凝土破坏主要原因为冻融破坏。

5 溢流面表层混凝土破坏处理措施

5.1 处理方案

（1）用于溢流面修补的材料有混凝土、聚合物水泥砂浆和补偿收缩混凝土等。聚合物水泥砂浆根据聚合物品种不同，常用的有PAEC（又称丙乳砂浆）、NSF、CR和SBR等，主要适用于修补层厚不超过10cm的破坏面；补偿收缩混凝土主要适用于5cm以下的表面薄层修补和缺陷填灌。

（2）朱庄水库堰面裂缝较多，如采用局部修补的方法，新浇筑混凝土与完整的老混凝土结合不易保证，各修补块之间无法真正做到光滑平整的结合，会形成许多接触缝面，泄水时高速水流有可能深入修补块以下，从而掀开修补层。

2001年曾对反弧段冻融破坏部位进行局部修补，混凝土凿除深度未超过10cm，但未获成功，说明局部修补法不适用。

（3）考虑到朱庄水库溢流面混凝土抗冻标号偏低，推荐采用全断面修补法，即将整个溢流面全部凿除，重新浇筑一层高强混凝土，在新、老混凝土间设置锚筋，在混凝土表面设置温度钢筋网。

5.2 补强范围及补强厚度

根据溢流面检查结果，6个溢流面总共发现裂缝185条，裂缝宽度0.2mm以上，裂缝范围几乎覆盖了整个溢流面，而且反弧段已出现明显的冻融破坏，未发生破坏的混凝土其抗冻性能亦远低于现行规范要求。为消除隐患，同时便于施工，对6孔溢流面均进行补强处理。

根据溢流面钻孔取芯检测情况，溢流面裂缝已贯穿了整个芯样，缝深均在60cm以上，参照国内类似工程的经验，确定混凝土补强厚度为40cm，补强处理后溢流面曲线与原溢流面曲线相同。溢流面表层补强混凝土内新铺设一层准18钢筋网，钢筋间距20cm，以与原溢流面面层钢筋相适应。

为加强新、老混凝土结合，新、老混凝土之间采用锚筋进行联结，即在清除已破坏的混凝土后，在老混凝土面上钻孔埋设锚筋，在产生一定锚固强度，再浇筑混凝土。考虑新、老混凝土之间可能产生渗透压力，选取锚筋直径为准25，伸入老混凝土内80cm，外露30cm，并与溢流面表层钢筋网相互焊接。

5.3 修补材料

依据SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》和SL211—98《水工建筑物抗冰冻设计规范》，过流面混凝土标号不应低于R28250、抗冻等级不宜低于F200。为提高溢流面混凝土抗冻耐久性和抗冲耐磨性能，同时考虑到溢流面检修困难等因素，溢流面混凝土标号最终选定为C25W4F200。

根据溢流坝水力计算成果，溢流面过流流速达10～30m/s，其中堰顶流速最小，反弧底流速最大，应考虑堰面混凝土的抗冲耐磨性能。目前已在实际工程中应用的抗冲耐磨材料主要有硅粉抗磨蚀混凝土和高强耐磨粉煤灰混凝土，两种改性混凝土均在实际工程维修中得到应用，效果良好，但考虑到华北地区混凝土施工条件和工程安全度汛等客观因素，推荐选用早期强度较高的硅粉混凝土，作为溢流面的修补材料。

6 结语

（1）对溢流面普查、钻孔取芯质量检测发现表层混凝土本身抗冻性能差，加之反弧段常年积水，冬季因昼夜温差形成冻融循环，致使反弧段发生冻融破坏。

（2）依据溢流面破坏成因分析及混凝土质量检测情况，对溢流面采用了全断面修补法，即将整个溢流面全部凿除，重新浇筑一层高强混凝土。

（3）朱庄水库溢流坝表层混凝土破坏处理方案已经实施，工程效果良好。

［1］华东水利学院.水工设计手册（第五卷混凝土坝）［K］.北京：水利电力出版社，1987.

［2］天津大学.水工建筑物（第5版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

［3］SL319—2005，混凝土重力坝设计规范［S］.

［4］SL25—2006，砌石坝设计规范［S］.

［5］河北省水利水电勘测设计研究院.朱庄水库除险加固工程初步设计报告［R］.2007.

Failure Cause&Reinforcement of Concrete Surface For Spillway of Zhuzhuang Reservoir

WANG Yao-ju
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250，China）

Failure cause analysis of concrete surface for spillway is carried out through cracks census and concrete coring, combined with the long-term operating environment.On the basis of analyzing failure cause of concrete surface and concrete quality testing,full-face repair method is used for the spillway face to meet the requirements of safe operation.

reservoir;spillway;concrete;damage；reinforcement

TV62

B

1672-9900（2014）03-0079-04

2013-12-31

王耀举（1973-），男（汉族），河南汝南人，高级工程师，主要从事水利工程设计工作，（Tel）022-6154635。