万家寨水利枢纽尾水门槽水下缺陷及处理

吴凌丞，张大鹏，郝 楠，傅 迪

（1.黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西太原030002；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程概况

万家寨水利枢纽位于属温带大陆性季风气候的西北黄土高原区。库区两岸为干旱、半干旱的黄土高原丘陵区，沟壑纵横，右岸间有小块沙丘。植被稀少、水土流失严重。

2 尾水门槽混凝土及埋件破损

2015年12月对万家寨尾水闸墩进行水检时，发现5号机组尾水右侧闸门闸墩在▽892.3 m—▽890.3 m范围内，存在钢筋外露、锈蚀，混凝土粗骨料外露，门槽轨道钢衬破损等情况。闸门门槽外下游面高程890.5～892.5 m，右门槽下游滑轨向下游约1.5 m存在混凝土冲坑，冲坑内发现有钢筋网裸露及反轨预埋件裸露。闸门右侧门槽高程890.5～892.5 m，右侧门槽内混凝土冲刷破坏，破坏最大深度10 cm，钢筋粗骨料裸露。闸门门槽内下游面高程892 m处，钢衬板破损。

3 破损缺陷原因分析

万家寨水利枢纽由于常常工作在携带有大量的悬浮泥沙颗粒的水流环境下，水流使得悬浮泥沙具有较大的动能，冲撞过流表面，造成过流部件表面严重的沙粒冲蚀磨损。万家寨电站尾水闸墩破损部位位于机组尾水流道两个出口门槽中的右侧门槽，处在机组对应排沙洞的出口附近，冲蚀破坏程度明显高于机组出口门槽其他部位。

尤其是当万家寨水库达到设计淤积平衡后，水库低水位排沙运行日趋常态，低水位排沙运行期间，排沙钢管承担重要的泄水排沙工作，排沙钢管运行时出口段处流速由9.86 m/s陡增到25.23 m/s，在高流速、高含沙水流作用下，先是混凝土表面砂浆被冲蚀，原光滑的泄流表面出现冲坑，形成局部损坏，并逐渐扩展，由于碳素钢的抗冲磨性能低于混凝土，金属结构冲蚀损坏程度比混凝土更为严重。

4 修复方案制定及材料选取

尾水闸墩位于机组过流泄水建筑物的末端，也是水工建筑物的重要组成部分，其稳定性和完好性对水工建筑物而言至关重要，为保证水工建筑物安全，需要对该冲蚀破坏缺陷进行修补。由于冲蚀缺陷位于水下，临近机组流道出口，创造干地施工存在先期工程量大、造价高、工期长等缺点，故选取潜水员在水下作业的方式进行修复。

由于确定了修复方式为水下施工，普通混凝土浇筑时会受到周围环境水的强烈影响，混凝土拌合物穿过厚水层时，骨料易和水泥分离，较快沉落到水底，被水冲刷下来的水泥颗粒，部分被水带走，部分长期处于悬浮状态，当水泥再下沉时，有时已呈凝固状态，失去胶结骨料的能力。因此浇筑的混凝土拌合物会分成一层砂砾骨料，一层薄而强度很低的水泥絮凝体或水泥渣，不能满足工程要求。经过对修复材料的性能对比以及参考其他大型水利工程修补施工中的应用实例，决定采用UWB型水下不分散混凝土进行修补浇筑。

UWB型水下不分散混凝土具备抗分散性，即使受到水的冲刷作用仍具有很强的抗分散性，可有效抑制水下混凝土施工时产生的PH及浊度上升，砂浆富于粘稠和塑性，具有优良的自流平性及填充性，可在密布的钢筋之间、骨架及模板的缝隙靠自重填充，具有较好的保水性，不会出现泌水或浮浆。UWB型水下不分散混凝土与普通混凝土相比凝结时间略有延长，可用泵送、导管、吊罐和溜槽等不同的施工方法，进行浇筑并可通过各种外加剂的复配，满足不同施工性能的要求。

5 水下混凝土及埋件修补

5.1 水下混凝土破损部位修补

采用液压锯等工具在距离破损边缘线10 cm位置切割出修补边缘线，侧壁尽量垂直，切割边线封闭。凿除修补范围内局部过高的混凝土，使修补混凝土有效地嵌固在老混凝土中，以提高修补面抗冲刷性能；对冲坑内的老混凝土进行凿毛，凿出新鲜、坚实的混凝土面，增加浇筑面的糙度。潜水员采用高压水枪、风动工具对冲坑底部及边缘进行处理，对有青苔等粘结物处则采用水下风动砂轮进行扫刷，以消除新老混凝土结合面的隔离层，确保新老混凝土的有效粘结面积和粘结强度。

在水下采用风钻垂直于混凝土面钻直径20 mm锚筋孔，锚孔间距为15 cm，锚孔深度30 cm，梅花型布置，用高压水把孔内屑渣冲除干净。之后向锚孔内注入HSL环氧材料作为锚固剂，植入φ16锚筋。向锚孔内注入锚固剂时，锚固剂充填量应满足锚杆插到孔底后，锚固剂能填满锚筋周围的环形空间。锚筋插入后，转动几次，使锚固剂充分与锚杆和孔壁粘紧，增加锚固力。

经水下检查，原钢筋网未发现严重破损，仅为轻微磨蚀，为了增强混凝土的强度，将锚筋与原混凝土及补强混凝土连接成为一个整体，提高其抗冲刷能力，在原钢筋网的基础上再焊接一层φ12@150双向钢筋网，待锚固剂硬化后，钢筋网与锚筋之间用水下电焊连接，钢筋网保护层厚度为10 cm。

由于作业区域水质条件较好，水下能见度高，在钢筋网固定完成后，在混凝土浇筑之前用风动工具对仓面进行彻底打磨，打磨过程中形成压缩空气气泡对混凝土仓面进行冲洗，消除冲蚀坑内的渣屑、浮淤、青苔皮、锚固剂等杂物，以免在浇筑过程中形成明显的分层，降低新老混凝土的粘结牢度和抗冲击力。

模板采用4 mm厚钢板和L5×5角钢制作而成，采用M16膨胀螺栓固定钢模板，模板四周采用L5×5角钢包边，模板和模板之间通过M16螺栓连接。由于模板面积较大，需浇筑混凝土质量较大，在模板上焊接L5×5角钢以加强模板强度，防止模板鼓出变形，浇筑后混凝土表面形成突起。为了拆模方便，模板表面涂抹黄油，模板根据冲坑的尺寸设计,在陆上制作好后吊放入水。

制备C35UWB型水下不分散混凝土，采用吊罐法进行浇筑。混凝土采用人工拌制，将拌制好的混凝土装入吊罐中，吊放至水下修补位置，由潜水员把吊罐中的混凝土送到浇筑仓内，当发现模板四角预留的孔洞中溢出混凝土后，把预留洞封堵，直到最后一个预留孔洞中溢出混凝土并将预留洞封堵为止。UWB型水下不分散混凝土具有自流平、自密实的特性，无需振捣即可保证新老混凝土密切结合。

5.2 钢衬破损部位的修补

在使用水下电焊对钢衬板缺陷处进行补焊前，为防止钢衬板处锈蚀影响补焊强度，先用风磨对钢衬板缺陷处进行的除锈处理，除锈处理后钢衬板缺陷处表面光洁、明亮。

由于钢衬板缺陷处锈蚀面积较大，且缺陷处钢衬板背面混凝土脱落形成空腔，采用在钢衬板背面加焊5 mm钢板将破损处封堵，然后使用水下电焊在5 mm钢板上进行水下堆焊和补焊，补焊、堆焊分段、分层、多道实施，补焊和堆焊高度高于完好钢衬板1～2 mm。

潜水员使用风动打磨机，对补焊区域进行平面打磨、抛光，直至打磨区域与完好钢衬板平顺、无高差。

6 结语

高含沙河流上泄水建筑物的冲蚀磨损破坏已引起人们高度重视。对该问题的处理，在进行泄流结构设计时，要兼顾满足混凝土强度指标和耐久性相关的设计参数，分析水流流速、含沙量、泥沙粒径及组成、水库及泄水建筑物运行方式等可能造成结构冲蚀破坏的主要影响因素，研究合理的冲蚀修补方案和材料，并通过实践来检验其适宜性。此次万家寨水利枢纽尾水门槽水下缺陷处理的实施，也为枢纽其他相似部位的冲蚀缺陷处理提供了宝贵的经验。