农村小水电建筑物破损状况及修复技术研究

徐志丹，江 泉，蔡 新,2，郭兴文

(1.河海大学力学与材料学院，南京 211100；2.河海大学水利水电学院，南京 210098)

农村小水电属于非碳清洁环保能源，既不存在资源枯竭的问题，又不会对电站周围的生态环境造成污染。开发农村小水电既能发展农村经济，又能保护环境、促进节能减排，是中国实施可持续发展战略中重要的组成部分[1]。我国小水电资源绝大部分分布在相对贫困人口比较密集的地区，这些地方地势偏远、环境恶劣，小水电资源的合理开发加快了农村电气化的建设，推动了当地经济社会的发展，提高了山区人民的生活水平。因地制宜地开发小水电资源，实现水力资源向电力资源的转变，不仅对于农村地区的脱贫致富具有现实意义，而且对保护山区自然生态环境，促进农村社会、经济、环境三方协调发展也有着十分重要的作用[2]。

然而，只要是水工建筑物都会受到水流的冲蚀、周围环境的腐蚀，甚至人为因素的破坏，进而导致建筑物出现不同形式的破损[3]。目前，尚在运行的农村小水电基本修建于20世纪60年代到80年代，由于受到当时经济和技术条件的限制，小水电建筑物整体结构质量未达到规范标准，后期运行管理水平也相对较低[4,5]。另一方面，出现病害的建筑物往往得不到及时有效的修补，最终造成了建筑物大面积破损，甚至损坏。其中引水建筑物不同于厂房、压力管道等其他建筑物，其常年暴露在外部环境中运行，受到水流的冲刷、腐蚀，甚至山体碎石的撞击。而且，小水电工程中的引水建筑物一般顺势挖建，具有走势冗长、位置偏僻的特点，导致后期维护管理困难，从而积累了较多容易引发结构渗漏、垮塌的安全隐患[6]。在浙江省实地安全状况调查的155座农村水电站中，其中78座电站引水建筑物出现不同程度的渗漏情况，13座电站引水渠道的衬砌表面老化严重，7座电站引水渠道个别地段出现坍塌情况。对于农村小水电而言，引水建筑物安全稳定的运行是电站取得发电效益的关键。如果引水建筑物发生渗漏、垮塌等安全事故，不仅会直接威胁到电站周边地区人民的生命财产安全，而且受到山区自然环境的限制，建筑物修复加固的工期一般较长，从而影响了电站的正常发电，导致的间接经济损失更为严重。

与大型水电站不同，在对小水电工程进行破损修复时，由于山区地势条件的限制，以及后期维护资金的缺乏，大型的修复设备无法进入施工现场、复杂的施工工艺得不到实现、购买昂贵的修复材料也存在困难。因此，如何对农村小水电建筑物的破损进行有针对性的、快速有效的修补，是目前修补领域的一个重大课题，也是一项复杂的系统工程。本文通过现场调研，总结了小水电建筑物常见的破损类型，分析了破损形成的原因，并论述了相应的修复技术。

1 农村小水电建筑物常见的破损类型

我国农村小水电大部分建立在植被茂盛、地域偏远、交通不便的农村山区，建筑物在这样特殊的自然环境中运行，破损现象明显。如电站厂房混凝土墙出现开裂，压力前池的浆砌石挡墙出现勾缝脱落，混凝土压力管道表面出现蜂窝、麻面，引水渠道出现渗漏、坍塌等，这些都是小水电工程中出现较为频繁的破损现象。其中，引水建筑物由于长期受到水流的冲蚀、山体碎石的撞击、周围环境的腐蚀等，未老先衰的现象最为突出，破损形式也最为复杂。本文通过对农村小水电的现场调研，总结了引水建筑物主要存在的破损类型，并分析了不同破损形成的原因。

1.1 引水渡槽的破损

渡槽是水电站引水建筑物应用最为广泛的交叉建筑物形式之一[7]，在农村小水电建设中更占有重要的地位。我国的小水电引水渡槽大部分修建于1960年代前后，许多工程已超过或接近设计使用年限，年久失修，损坏严重。由于渡槽工程结构复杂，形式多种多样，加之小水电所处的山区环境复杂，其病害形式也各不相同。从宏观表现形式上可以分为：槽身产生的裂缝、地基不均匀沉降引起的变形、槽身及进出口处的渗漏以及表层混凝土的剥蚀和内部钢筋的锈蚀等。其中，表层混凝土的剥蚀是农村小水电渡槽老化最基本的形式，也是出现最为频繁的病害形式。如图1所示，随着剥蚀程度的加重，引起表层混凝土裂缝的延伸，进而裂缝发展为凹坑、孔洞，造成内部钢筋发生锈蚀，导致整个渡槽结构强度急剧降低。如果不及时采取有效措施进行修复，将会发生坍塌等安全事故。

图1 农村小水电引水渡槽底部混凝土剥蚀现象Fig.1 Scaling phenomenon of concrete at the bottom of the aqueduct of the rural small hydropower station

造成此类现象的主要原因是：建设时期的设计理论不完善，设计假定太粗略，对水文、气象及地震强度等情况缺乏深入调查，致使设计应力值偏低，导致混凝土保护层厚度及配筋尺寸偏小。其次，由于山区人力财力的缺乏，导致施工质量低于规范标准，加快了渡槽的老化。而且，山区地质、地形条件复杂，在后期运行过程中，渡槽容易受到水、气、温度、酸性介质侵蚀等影响，从而引起混凝土的碳化[8]。当碳化深度超过钢筋的保护层厚度时，钢筋会发生锈蚀，引起钢筋体积的膨胀，使得混凝土保护层发生开裂。而混凝土保护层的开裂又加快了内部钢筋的锈蚀，最终造成了混凝土保护层发生大面积剥蚀的现象，使得构件截面有效面积减小，钢筋与混凝土直接的黏接性能退化，进而导致整个结构承载力下降。这类破损情况频繁地出现在引水渡槽中，也是小水电工程缺乏先进的设计理念、施工工艺，缺少规范的后期管理这些特点所决定的。

1.2 浆砌石渠道的破损

浆砌石结构的渠道是农村小水电枢纽中最为常见的输水、泄水建筑物。在浙江省小水电工程中，浆砌石结构的渠道约占71.71%，高于其他结构形式的渠道。渗漏是浆砌石渠道破损最为普遍的表现形式。渠道除了会由于水流冲蚀、基础不均匀沉降、冻胀变形等引起渗漏以外，渠水中含有的碎砂、碎石会随着水流的流动撞击渠道表面，这是造成渠道渗漏的主要原因。因此，针对小水电浆砌石渠道的运行环境，分析渠道渗漏的原因，研究相应的修复技术是非常必要的。

建于山区中的浆砌石渠道一般都是顺势挖沟而建，具有走势不规则、弯道多的特点，渠道内侧会有杂草、青苔附着于表面，外侧植被也比较茂盛，如图2所示。夏季时，在靠近农田的渠段发生渗漏，会导致渠道两侧的农田有局部内涝的现象，而且地边的沟坎中会有渗水流出，这直接导致农田种植面积减少，影响农民庄稼收成。

图2 农村小水电浆砌石引水渠道渗漏现象Fig.2 Leakage phenomenon of slurry masonry channel of the rural small hydropower station

在建设时期，由于各方面条件的限制，造成渠道自身结构设计和施工质量存在问题，这是浆砌石渠道渗漏的根本原因。例如：砌筑砂浆标号低、坐浆不饱满、砂浆插捣不密实、勾缝技术达不到标准质量要求、养护不到位等，直接导致建成后的砌体稳定性、抗冻性、耐磨性、防渗性能以及抗盐、碱腐蚀性较差。在后期运行时，渠道受到水流冲蚀、磨损，以及碎砂、碎石的撞击，引起混凝土勾缝脱落，进而导致砌石损坏、脱落、鼓胀现象的发生。若不及时采取修复措施，渠水将会沿施工接缝、止水缝、伸缩缝以及脱落的混凝土勾缝等向外渗漏[9]。另外，如果是填方渠段，渠道渗水将会带走填土中的黏性细颗粒，形成渗流通道，最终发生坍塌等安全事故。

1.3 土渠的破损

土渠是小水电工程中常用的引水建筑物之一。虽然土渠的防渗效果相比于浆砌石渠道较低，但是土渠的建造更为方便快捷，而且经济成本也比较低。在一些水资源丰富，但是经济相对落后的地区，输水建筑物常采用土渠与浆砌石渠道相结合的方式。

农村小水电工程中的土渠大多数是用膨胀土修建的。膨胀土是一种高塑性黏土，承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩、反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性[10]。膨胀土渠的破坏类型主要有：浅表性蠕动变形破坏、受结构面控制的较深层或深层滑动破坏、坡脚软化引起的坍滑型破坏。其中，小水电土渠发生的破损以坍滑型破坏为主，这是因为土体长期裸露于复杂的山区自然环境中，极易发生干湿循环，地表水浸泡，以及降水入渗或地表水(包括渠水)的入渗。一方面，入渗水不但会软化结构面，引起结构面端部的应力集中[11]，还会在后缘拉裂面直接产生静水推力。另一方面，由于膨胀土力学强度会随着含水量的升高急剧下降，被入渗水长时间浸泡后的膨胀土强度几乎丧失殆尽，最终导致土渠边坡极易产生坍滑型破坏。这类破坏没有明显的滑移面，边界不规则，一般表现为坡脚因浸泡而丧失强度，然后其上部的土体因失去支撑进而产生拉裂下挫。

2 农村小水电建筑物破损修复技术

不同于大型水电站，农村小水电具有自身的特殊性，其大部分建立在地势偏远的农村山区，并且电站效益远不及大型水电站。所以，在对小水电建筑物进行破损修复时，不能完全依照大型水电站的修复技术。首先，由于山区地势条件的限制，大型水电站使用的修复设备体积较大，运输操作复杂，通常不能在小水电破损修复工程中使用。其次，在后期维护管理方面，小水电缺乏资金投入，受到经济条件、人力物力等方面的限制。因此，小水电建筑物的破损修复应尽可能地满足施工方便，工程造价低的修复原则。另外，在修复施工时，必须注意对山区自然生态环境的保护，不能在施工过程中对周围环境造成污染。下面针对小水电引水建筑物常见的破损类型，给出了有针对性的修复技术，这些破损修复技术同样适用于其他建筑物类似破损情况的修复。

2.1 钢筋锈蚀引起混凝土剥蚀的修复

此类破损主要发生在水工钢筋混凝土结构中，尤其是一些混凝土保护层较薄的结构，如引水渡槽。在对此类病害进行修复之前，应该对渡槽结构的整体安全可靠度作出评估。如果钢筋锈蚀程度严重，已经不能保证结构安全稳定的运行，就必须对锈蚀严重的钢筋进行加固处理后[12]，才能进行剥蚀混凝土的修复。

剥蚀混凝土的修复一般包含如下几个基本步骤：①对剥蚀的混凝土进行清除，包括已经炭化或氯离子含量超过临界值的混凝土；②对锈蚀严重的钢筋进行更换或补焊，保证加固后的钢筋满足强度要求；③进行钢筋和老混凝土表面的清洗，并在钢筋表面涂抹防锈剂；④浇筑新的混凝土保护层，保护层厚度要达到规范要求。另外，为了使修补体与老混凝土能够牢固结合、整体工作、共同承载，浇筑修补体时最好涂刷一层高强水泥砂浆，这是一种高黏结性界面处理剂[13]，而且经济成本较低。

2.2 浆砌石渠道渗漏水的修复

对农村小水电浆砌石渠道的破损修复，若采用大型水电站渠道的修复方案进行施工，就会存在工作量大、费用高、施工难度大、工艺复杂、工期长等问题。因此，对于不影响渠道整体稳定性和防渗效果的小型裂缝来说，为了达到施工方便、节约成本的目的，一般采用直接涂抹水泥砂浆的方式进行修补。如果开裂处位于水下，则可采用快凝水泥砂浆进行涂抹，这样的修补方法快捷、有效，往往一个人就可以完成，不用耗费大量的人力物力，符合小水电工程的破损修复原则。但如果渠道的渗漏严重，影响了渠道整体防渗效果，那就必须进行基础加固处理。小水电渠道的基础处理一般有两种：①对渠底起伏较大，排水不畅，渠底板凹凸不平，大面积积水的渠段，需要将原浆砌石拆除，更换新的浆砌石块；②对基础面松散，衬砌结构易产生变形的湿陷性土层，需进行翻夯和灰土垫层处理，加强防渗衬砌，并铺设砂砾石垫层。

一般来说，浆砌石渠道的破损在不影响电站基本运行的条件下，考虑到山区施工不便、经济条件有限的情况，对破损部位进行基本处理，更换浆砌石块后，就可以继续运行使用。但如果浆砌石结构破损严重，整个渠道存在坍塌的安全隐患，就不能这样简单的进行处理，这种情况可以采用现浇素混凝土套衬技术进行加固修复。

现浇素混凝土套衬的修复步骤一般包括：①浆砌石基面清理。包括对原浆砌石衬砌面以及渠底长期形成的淤积(石料表面的泥、水土、残留的水泥浆等)进行清理，然后拆除鼓胀、脱落的勾缝混凝土，并用清水冲洗附着在勾缝处的尘土和其他杂物；②模具安装。施工前根据混凝土需要浇筑的厚度，确定钢模板立模位置，利用钢架进行模板的支撑固定。其中，安装时要求使用的钢模板单块面积小、重量轻、安装简易，人工即可进行模板的支撑固定工作；③混凝土制备和运输。由于山区现场施工环境特殊，不能采用混凝土泵车进行浇筑，而是在需要防渗加固的渠段旁用小型搅拌机进行混凝土的拌和，然后采用手推车进行混凝土的运输；④浇筑。按从下至上的顺序进行素混凝土的浇筑，混凝土坍落度控制在5～7 cm，采用振捣棒进行振捣，浇筑深度达40 cm时，先用振捣棒自下而上振捣一遍，再进行浇筑，如此反复进行，直至浇筑结束；⑤伸缩缝和排水孔。为了节省工程造价，用木板在沿渠道方向上每隔6 m设置伸缩缝一道，在渠道内边坡底部，每隔5 m用塑料胶管设置排水孔一个；⑥养护。在12 h内对浇筑后的混凝土进行浇水，浇水次数应能保持混凝土有足够的润湿状态，养护期一般不少于7个昼夜。

采用现浇素混凝土的方法对渠道进行防渗加固，工艺简单、节省工期、节约投资、克服了山区劳动力匮乏、施工条件恶劣等因素，既能保持原渠道的稳定结构不受破坏，又能保证修复加固后的渠道能够达到安全运行标准。

2.3 土渠坍塌型破坏的修复

大型土渠采用的土工膜防渗修复技术，造价高、施工工艺复杂，不适用于小水电土渠的破损修复。为了满足修复工艺简单、经济实用的原则，对小水电土渠坍塌型破坏的修复通常采用换填处理。换填材料一般与膨胀土力学性质和渗透性相近的非膨胀性黏性土或改性处理后的膨胀土[11,14]。换填后，可减少膨胀土与外界的水分交换，使土体含水量始终处于一个基本稳定值，从而限制浅表土体的反复胀缩作用，防止外部水渗入土体裂隙，进而避免了膨胀土力学强度的下降，可以有效地防止坍滑型破坏的发生。

另外，采用的非膨胀性黏性土和改性处理后的膨胀土均具有较好的变形协调性，不会阻碍毛细水的运动，不会在处理界面引起含水量升高。而且，换填材料成本低，施工方便快捷，施工后也不会对土渠周围环境造成污染，既达到了修复加固的目的，又保护了山区生态环境，符合农村小水电的破损修复原则。

3 结 语

农村小水电作为一种清洁的可再生能源，长期以来，得到国家的积极扶持和开发。经过若干年的运行，建筑物普遍存在老化失修、水能损失严重、安全隐患较多等问题。为保障小水电工程安全稳定的运行，本文通过现场调研和总结分析，得出以下几点结论与建议。

(1)对农村小水电破损建筑物进行系统性的分析，总结破损类型，研究破损原因，并提出有针对性的修复措施。这不仅能消除破损建筑物存在的安全隐患，保障周边人民生命财产安全，又能提高发电效益。这对我国农村小水电资源的合理开发利用具有重要的实际意义。

(2)本文结合农村小水电工程的特殊性，以保证建筑物安全稳定的运行为目的，提出了有针对性的、施工方便快捷的，并且施工工期短、工程投资低、绿色环保的修复技术。提出的修复技术不仅适用于引水建筑物的破损修复，也可用于其他建筑物类似破损情况的修复。

(3)目前，对农村小水电建筑物的破损修复尚没有一套完整的施工规范，也缺乏专门的施工设备。今后应针对小水电工程的特殊性，进行新材料、新工艺、新技术方面的研究，开发更适合小水电建筑物破损快速修复的实用技术。

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