某水电站底孔泄水道冲蚀破坏原因分析及修补措施

付倩，王冰伟

（1．中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安710065 2．中国水利水电科学研究院综合事业部，北京100038）

某水电站底孔泄水道冲蚀破坏原因分析及修补措施

付倩1，王冰伟2

（1．中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安710065 2．中国水利水电科学研究院综合事业部，北京100038）

通过现场对某水电站工程左岸底孔泄水道破坏部位的详细查看和对原设计的研究分析，认为破坏原因是泄水道体型复杂、空化数低、混凝土表面不平整所致。采用清除冲蚀破坏范围的松动混凝土至完整结实的混凝土面，回填浇筑C40W4F200二级配抗冲耐磨硅粉混凝土，在外表面涂刷SK单组分手刮聚脲等处理措施对泄水道进行修复，取得了较好的效果，为今后泄水建筑物设计及修复处理提供了参考意见。

冲蚀破坏：硅粉混凝土：单组分聚脲

1 工程概况

在水利水电工程挡水、泄水和发电三大建筑物布置中，泄水建筑物布置及泄流消能结构选择尤为重要。因为筑坝壅高水库水位，泄水建筑物泄流时，携带巨大能量，必须在坝下河床较短距离内集中消能，如果处理不慎，会造成泄水建筑物破坏，从而影响水电工程的安全运行［1］。

某水电站位于青海省尖扎县与化隆县交界处，距青海省会西宁市112 km。枢纽是以发电为主，兼顾灌溉、供水等综合利用的一座大型水利水电工程，主要建筑物由混凝土双曲拱坝、坝后式双排机发电厂房及泄水建筑物等组成。大坝坝高150.0 m，装机5台，总装机容量2 000 MW。泄水建筑物由左底孔、左中孔及右中孔共3孔泄水道组成，3孔泄水道设计最大下泄流量为5 640 m3/s，泄流消能方式均采用挑流消能。其水电站左底孔泄水道进口底板高程2100.0 m，工作门孔口尺寸5 m×7 m（宽×高），最大运行水头82.6 m，正常运行水头80.0 m。底孔泄水道从进口到出口由有压段、明渠泄槽段和鼻坎段组成。在平面布置上，有压段设转弯半径为40 m、转角为22.7°的弯道，有压弯道末端通过25 m直线段至有压段末后接明渠泄槽，泄槽宽度为5m。立面布置上，有压段底板为水平段，有压段出口接渥奇段，渥奇段为抛物线曲面，方程为x2=650y，渥奇段下游接陡槽段，坡度为i=0.3。在有压段出口弧门底坎下游9 m附近设第一道掺气坎，在渥奇段末端桩号104 m附近和反弧鼻坎段上游20 m处分别设第二道和第三道掺气坎。运行期泄槽内流速为30～40 m/s。

2 底孔泄水道冲蚀破坏情况

该水电站左底孔于2012年7月25日至8月29日共计泄水33 d（7月31日至8月3日闸门关闭），其中：闸门最大开度6 m，最大下泄流量878 m3/s；最小开度1.5 m，最小下泄流量234 m3/s。8月29日左底孔停止泄水后，检查时发现闸门室第一道掺气槽至第3段侧墙冲蚀淘空严重，部分钢筋被冲断、裸露，见图1。

左侧侧墙自掺气槽至第3段被冲蚀长度约32 m、最大冲蚀深度1.3 m、平均冲蚀高度约2.9 m，冲蚀底面距离泄水道底板0.65～0.90 m。右侧侧墙从掺气槽至第3段被冲蚀、淘蚀长度约29.5 m，最大冲蚀深度1.5 m、平均冲蚀高度约3.0 m，冲蚀底面距离泄水道底板0.18～1.00 m。

图1 某水电站边墙混凝土剥蚀情况

3 冲蚀破坏原因分析

3.1 混凝土表面不平整该水电站底孔在有压段设平面转弯（转角22.7度，转弯半径40.0 m），立面设计上紧接有压段出口设渥奇段。这种复杂的体型使有压段后形成三向明流流态，渥奇段开始至渥奇段末压力较小。减压模型试验表明，压力弯道的影响在渥奇段产生次生环流，弧门后第一道掺气坎下游两侧边墙清水区压力很小，空化数较小，如果混凝土表面不平整，此段有空化的可能。原设计要求表面不平整度控制标准为：垂直水流方向的突体不得大于3 mm，凡大于3 mm的突体按1/50的坡度磨平；顺水流方向的突体不得大于4 mm，凡超过者按1/30的坡度磨平。

本次现场采用2 m长靠尺对第1-9段以及闸室段左、右边墙进行了平整度检测，检测结果如表1所示［2-3］。

表1 左底孔泄水道边墙平整度检测结果

由表1可知，左底孔边墙平整度偏差值的最大值均已超过设计值，且多个部位最大偏差值将近20 mm。

3.2 混凝土浇筑质量现场检查发现：（1）左底孔泄水道边墙混凝土存在较多裂缝，主要为竖向裂缝，缝宽在0.1～0.5 mm；（2）边墙混凝土水平浇筑层缝隙很宽，层面明显；（3）钢筋焊接质量较差；（4）局部部位混凝土浇筑质量不是很好。

局部质量差是产生后期气蚀破坏的诱因之一。

3.3 侧墙混凝土发生气蚀利用短暂停止泄洪期间对左底孔进行了检查，发现左底孔3、4段左侧混凝土边墙有2个冲坑，约0.2 m3，钢筋和混凝土骨料裸露。经过后13 d的连续泄洪，混凝土边墙气蚀发展很快，这是局部破坏引起严重气蚀破坏的实例。

该水电站底孔在有压段设平面转弯，转角22.7°，转弯半径40.0 m，运行期泄槽内流速达30～40 m/s。虽然转角及转弯半径满足规范［4］要求，且水工模型试验结果表明，水流经压力弯道直线过度到明渠泄槽流态基本稳定，但由于压力弯道次生环流的影响，在泄槽明渠段产生折冲水流，折冲波在一定范围引起侧墙两边压力差，有压段出口边墙凸出一侧压力较低。压力弯道出口紧接渥奇段，水流处于三向状态，流态复杂，水流紊动强烈。减压试验表明，底孔若在正常水位2 180.0 m至校核水位2 182.6 m之间运行，此段压力低，有些工况下，渥奇段已接近脱空现象。校核水位2 182.6 m时，底表面空化数为：当闸门全开时0.15，闸门3/4开时0.12，闸门1/2开时0.11。虽然设了掺气措施，但由于掺气只能在泄槽底部形成空腔保护底表面，两侧边墙清水区压力仍很小，空化数也很小。试验表明，当突体高度为4 mm时，此部位对应泄水道体型的初生空化数约为0.17。以此说明，即使施工时边墙平整度满足小于4 mm的要求，渥奇段的空化也已处于临界值。况且，由于模型光滑，虽然模型上未空化，但实际工程中，表面不平整度达不到设计要求，施工质量较差等原因，造成初生空化数增大，实际运行就有可能产生空化破坏。

4 处理措施

根据现场破坏的程度，查阅国内外类似工程混凝土遭受冲蚀破坏后修补经验，并依据DL/ T5207——2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》，处理主要采取以下措施。

（1）清除冲蚀破坏范围的松动混凝土至完整、结实的混凝土面，边墙底部及上、下游侧面的混凝土面凿成与迎水面基本垂直状，顶层与迎水面呈45°的顺坡面。四边凿除深度最小30 cm，四边与冲蚀最深处要求平顺过渡，清除松动混凝土后体型平顺，无尖角。

（2）补打ϕ22，间、排距80 cm的插筋，两排之间错开布置，插筋长度2.5 m，外端头距迎水面保护层15 cm。

（3）用同原设计的钢筋规格修复被破坏的钢筋网。

（4）修复伸缩缝的铜止水和橡胶止水带。

（5）在冲蚀破坏处理区浇筑C40W4F200二级配抗冲耐磨混凝土，抗冲耐磨混凝土采用硅粉混凝土。

（6）修补后的体型平整光滑，局部突体高度小于3 mm，且突体上、下游处理坡度分别为1/50和1/20，侧向坡为1/10。

（7）伸缩缝止水带破坏部分采用单组分聚脲修复［5-6］。

（8）在外表面涂刷抗冲磨型单组分手刮聚脲，厚度3 mm，要求涂刷聚脲涂层为处理范围周边外延不小于10 cm。SK手刮聚脲（抗冲磨型）主要技术指标见表2［7］。

表2 SK手刮聚脲（抗冲磨型）主要技术指标

5 结论与建议

高水头、大流速泄水建筑物设计，除在混凝土过水表面设计必要的抗冲耐磨材料以外，选择合适的轴线及良好的体型是保证流态稳定、防止气蚀破坏的最基本前提。根据大多数类似工程运行、破坏经验，溢洪道设计规范及水工隧洞设计规范中，明确规定溢洪道、水工隧洞轴线宜取直线，如须转弯时，对转弯半径要求大于5倍洞径及转角小于60°［8］，并且，转弯应设在流速较小和水流比较平稳的地段。

由此笔者认为，高水头的泄水建筑物布置轴线尽量为直线，避免弯道。有时设计虽然弯道满足规范要求，且经过水工模型试验研究，但对于高速水流，设计还是要避免因弯道形成折冲水流。

在修补过程中，材料选择至关重要，要求修补材料本体抗冲耐磨性能好，同时要与老混凝土之间粘接良好。作为一种新型的柔性抗冲磨防护涂料，SK手刮聚脲具有柔性好、强度高、耐低温及耐老化性能好、防渗、与基础混凝土粘接强度高，抗冲磨性能好，无毒等特点，该材料适用于处理混凝土建筑物伸缩缝、混凝土裂缝、混凝土大面积防渗及有抗冲磨要求的泄洪建筑物等水利水电工程，已经在多个水利水电工程泄洪建筑物中得到了应用，取得了良好的效果。本工程已于2013年汛前按设计要求完成了处理施工，经过近两年的运行考验，处理效果良好。

［1］练继建，杨敏.高坝泄流工程［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［2］中国水利水电科学研究院.李家峡水电站左岸底孔减压模型试验报告［R］.北京：中国水利水电科学研究院，1993.

［3］西北勘测设计研究院.李家峡水电站左岸底孔泄水道明渠段掺气减蚀试验报告［R］.西安：西北勘测设计研究院，1994.

［4］DL/T5166-2002，溢洪道设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2003.

［5］孙志恒，夏世法，付颖千.单组分聚脲在水利工程中的应用［J］.水利水电技术，2009（1）：71-72.

［6］孙志恒，李萌，倪燕，等.SK柔性防护涂料在伸缩缝及裂缝快速修复中的应用［J］.大坝与安全，2011（1）：48-51.

［7］DB11/T851-2011，聚脲弹性体防水涂层施工工艺技术规程［S］.2012.

［8］孙志恒，朱德康，王健平，等.富春江水电站溢流面表面抗冲磨防护试验［J］.水利水电技术，2013（9）：90-92.

Analysis on causes of scouring failure and repair measure of one hydropower station’s bottom outlet

FU Qian1，WANG Binwei2
（1.Hydrochina Xibei Engineering Corporation，Xi'an710065，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China)

Through the detailed investigation into the failed location of the left bottom outlet and the analy⁃sis on its original design of one hydropower station，it is found that the failure of the bottom outlet is caused by the incompacted concrete placement and uneven concrete surface because the outlet passage is complicated in structure and its cavitation coefficient is lower.The failed outlet is repaired by the following measures.The incompacted concrete in the failed area by scouring is removed so that the integrated and completed concrete surface can be seen.Then the C40W4F200 silicon-powder concrete with good scouring and abrasion resistance is bank-filled.Finally，the SK one-component polyurea is coated on the concrete surface.This method can providc a good reference for design and rehabilitation of outlet structures in the fu⁃ture.

scouring failure；silicon-powder concrete；one-component polyurea

TV698.2

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.02.012

1672-3031（2015）02-0157-04

（责任编辑：王冰伟）

2014-07-21

付倩（1963-），女，陕西西安人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计研究。