怀柔水库西溢洪道混凝土缺陷处理及耐久性防护

2019-01-09刘明杰柴江飞宋兴鹏

大坝与安全 2018年5期

荣倩，李骥，刘明杰，柴江飞，李斌，宋兴鹏

（北京市京密引水管理处，北京，101400）

1 工程概况

怀柔水库西溢洪道位于凤山东侧峰下、水库主坝西端（图1），始建于1963年[1]，为开敞式溢洪道，分两孔，每孔宽12.0 m，各设一扇12 m×6.3 m的弧形钢闸门，闸门启闭能力为2×10 t，最大泄洪能力为1 491 m3/s。堰型为宽顶堰，堰顶高程56 m，消能形式为底流消能。西溢洪道自上游至下游布置有两侧翼墙、引渠、进口段、闸室段、陡坡段、渥奇段、消力池、海漫和尾水段，全长750 m。

西溢洪道上游基础岩石破碎、局部地区夹有粘性土，大多数为风化岩，地质情况较差。西溢洪道初建时，由于施工技术有限、管理水平较低、混凝土浇筑多采取人工方式，施工中存在振捣不密实或过度振捣、水泥用量少、水灰比控制不严、混凝土表面存在模板遗留物、拆模后混凝土错抬严重等现象，混凝土浇筑质量较差，严重威胁西溢洪道运行安全。

图1 怀柔水库西溢洪道位置Fig.1 Location of the west spillway of Huairou reservoir

2 西溢洪道混凝土质量检测

为了保证怀柔水库的安全运行，2015年对怀柔水库西溢洪道混凝土质量进行了全面检测[2]，检测内容包括上游翼墙及铺盖、水闸的闸墩和底板、下游翼墙及溢流面。检测发现西溢洪道主要缺陷如下[3]：

（1）闸墩表面的混凝土防碳化涂层局部有空鼓及脱落现象。

（2）闸门下游翼墙伸缩缝张开，翼墙混凝土发生碳化。

（3）闸门上游左右两侧翼墙存在混凝土剥蚀、开裂，底板全部剥蚀（见图2）。

（4）溢流面混凝土表面龟裂、风化现象严重，原防护涂层脱落（见图3）。

图2 西溢洪道闸门上游混凝土裂缝及碳化Fig.2 Concrete cracks and carbonization on the upper reach of the west spillway gate

图3 西溢洪道闸门下游原防护层脱落Fig.3 Original protection materials fell off on the downstream side of the west spillway gate

3 西溢洪道混凝土缺陷处理方案设计

3.1 2007年补强加固处理方案

怀柔水库西溢洪道曾于2007年进行了补强加固处理[4]，处理方案为：

（1）对混凝土产生的裂缝进行打孔灌浆，并在裂缝的表面粘贴碳纤维布进行补强；

（2）对剥蚀的混凝土面进行凿毛处理，除去松动的混凝土，露出新鲜的原混凝土面，用高压水清洗除去粉尘，涂刷界面剂后，分次回填聚合物水泥砂浆；

（3）溢流面喷涂防冲磨涂层：在溢流面表面喷涂一层2 mm厚的双组分喷涂聚脲防冲磨；

（4）溢洪道闸墩防护处理：溢洪道闸墩混凝土进行表面打磨，采用专用的PCS型抗冲磨防碳化涂料对混凝土面进行防碳化。

通过10多年的运行，闸墩混凝土未出现新的裂缝，闸墩混凝土碳化深度也未进一步发展，溢流面混凝土未出现冻融剥蚀现象，原处理方案基本可行。但在溢流面表面喷涂的双组分聚脲出现了大面积老化、脱落现象，溢流面伸缩缝局部出现挤压破坏，闸墩局部PCS防碳化涂层起皮，上游面边墙水位变化区混凝土冻融剥蚀（未处理过）。

3.2 溢流面混凝土表面抗冲磨防护处理

为提高西溢洪道安全性和耐用性，结合现有条件，在2007年混凝土缺陷处理的基础上，进行了改进和优化，对西溢洪道混凝土的各种缺陷情况做出如下针对性的处理。

针对西溢洪道溢流面混凝土表面聚脲出现的大面积老化、脱落现象，为提高溢流面混凝土抗冲磨能力及整体美观性，对溢流面表面混凝土采用耐久性更好的材料进行防护，防护范围为闸门下游溢流面（下游水位以上）及边墙、边墩两侧向上延长30 cm，涂层厚度为2 mm。

当前，溢流面混凝土表面抗冲磨防护多采用聚脲类材料。聚脲分为双组分喷涂聚脲和单组分聚脲两类，主要技术指标见表1。

单组分聚脲相对于双组分喷涂聚脲，具有以下优点：

（1）材料为脂肪族，耐老化性能好，不变色；

（2）强度高、延伸率大、抗冲磨性能好，与基础混凝土粘接强度大于2.5 MPa；

（3）分层施工，可以增设胎基布，即增加了涂层强度，又保证了涂层厚度的均匀性；

（4）防渗、防碳化、抗冻效果好，零下-45℃仍有50%的延伸率；

（5）施工简单、方便、易于操作，不需要大型专用机器。

表1 双组分喷涂聚脲和单组分聚脲主要技术指标Table 1 Main technical indicators of two-component sprayed polyurea and single component polyuria

实践证明，双组分喷涂聚脲在迎水面或流速较小的泄洪建筑物表面应用的效果较好，在流速较大的泄洪建筑物表面应用的效果较差；单组分聚脲适用于处理混凝土伸缩缝或裂缝、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[5]。

通过对比，本次溢流面混凝土表面抗冲磨防护材料采用了单组分聚脲，为了保证涂层的均匀性，单组分聚脲涂层中间复合了一层胎基布，处理方案见图4。

图4 溢洪面抗冲磨涂层防护示意图Fig.4 Sketch of the abrasion resistant coating on the overflow surface

溢流面混凝土表面抗冲磨防护施工工艺如下：

（1）底面处理。首先用角磨机对混凝土表面进行打磨（见图5），清除原剥蚀的双组分聚脲及破损的混凝土，再用高压水枪冲洗表面的灰尘、浮渣。待水分完全挥发后，对混凝土表面局部孔洞用高强找平腻子填补。找平材料固化后，再使用角磨机对混凝土表面进行打磨、清洗，要求混凝土表面平整、坚固、无孔洞。

（2）涂刷界面剂。底面处理后，在混凝土表面涂刷BE界面剂（一种100%固含量的环氧界面剂，可在饱和水或干表面施工）。

（3）涂刷单组分聚脲。界面剂表面干燥后（粘手不拉丝），开始大面积涂刷单组分聚脲（见图6）。大面积涂刷第一遍聚脲后，粘贴一层胎基布，表干后再涂刷第二遍聚脲，直到聚脲的涂刷总厚度达到2 mm且完全覆盖胎基布。

图5 清除溢流面剥离的双组分聚脲Fig.5 Removing the original two-component sprayed polyuria on the overflow surface

图6 界面剂表干后涂刷单组分聚脲Fig.6 Brushing the single component polyuria on the overflow surface

3.3 伸缩缝修复

伸缩缝是泄洪建筑物容易出现破坏的薄弱部位。本次处理方案是：首先剔除伸缩缝内杂物，缝内部嵌填聚苯板圆棒，伸缩缝表面预留1～2 cm厚的槽，槽内嵌填高弹性砂浆，混凝土伸缩缝表面涂刷单组分聚脲（抗冲磨型）封闭，使伸缩缝部位聚脲厚度达4 mm、两边2 mm厚，宽度25 cm，伸缩缝施工现场见图7。

图7 混凝土伸缩缝抗冲磨防护处理现场Fig.7 Treatment of abrasion resistant protection of the concrete expansion joints

3.4 混凝土裂缝处理

混凝土中存在的裂缝会严重破坏混凝土结构的整体性，降低闸墩的安全性与耐久性[6]。为保证西溢洪道闸墩安全耐久，对闸墩裂缝采取内部灌浆、表面柔性防护的综合处理方案。内部灌浆的目的是充填混凝土裂缝空隙，补强加固混凝土结构。灌浆后涂刷单组分聚脲进行表面柔性防护，涂刷宽20 cm、厚3 mm，并覆合10 cm宽的胎基布。

用于裂缝内部化学灌浆的材料为高强聚氨酯，具有遇水固结及膨胀的特性，其主要性能指标见表2。

表2 高强聚氨酯灌浆材料性能指标Table2Indicatorsofhighstrengthpolyurethanegroutingmaterial

3.5 溢洪道闸墩及下游边墙防碳化处理

为延长西溢洪道的安全使用年限，需要对溢洪道闸墩及下游边墙混凝土表面进行防碳化处理。西溢洪道闸墩在2007年已经采用PCS柔性防碳化涂料进行防护，目前整体防碳化效果较好，但有局部出现空鼓及脱落现象。

实践证明，PCS柔性防碳化涂料厚度为1 mm时，可以提高混凝土的抗渗能力，并且延缓碳化，提高耐久性。本次防碳化处理对局部脱落的PCS涂料进行清除，对未剥落的涂层表面进行冲洗，重新涂刷PCS柔性防碳化涂料，同时也采用同样方案对下游边墙混凝土进行防碳化处理。

3.6 上游边墙混凝土剥蚀面处理

在前次处理方案的基础上，继续优化和改进，制定混凝土剥蚀面处理方案为：

冻融剥蚀深度小于0.5 cm的混凝土缺陷基面应打磨至新鲜坚硬的混凝土面，并清洗干净。基面干燥后，采用修补腻子将剥蚀面找平，涂刷专用界面剂，界面剂表面干燥后涂刷单组分聚脲进行防护。

当冻融剥蚀深度大于0.5 cm时，采用电锤凿除冻融损坏的基层混凝土，直至露出新鲜坚硬的混凝土面，凿除深度应大于1 cm。在凿除面涂刷混凝土界面剂，在其上分层涂抹聚合物水泥砂浆，一次涂抹厚度为1.5 cm左右，聚合物砂浆厚度宜小于3 cm，保证修补面平顺即可。养护14 d后涂刷专用界面剂，界面剂表面干燥后涂刷2 mm厚的单组分聚脲（防渗型）进行防护。

聚合物水泥砂浆是通过向水泥砂浆掺加聚合物乳胶改性而制成的一种复合材料[7]，其主要性能指标见表3。