白鹤滩水电站泄洪洞流道混凝土质量缺陷防治及修补措施

2019-10-29黄纪村王孝海

中国水利 2019年18期

黄纪村，王孝海，罗刚

（中国三峡建设管理有限公司，615421，宁南）

随着我国水电工程的发展，高坝大库已是常态，虽然对水资源的利用越来越充分，但库容越大对泄洪能力的要求越高，流量大、流速高已成为大型水电工程泄洪建筑物的基本特点。例如已建成的溪洛渡、二滩、锦屏等水电站泄洪洞最高流速均超过45 m/s，在高流速工况下，流道混凝土施工质量是确保泄洪建筑物运行期安全稳定泄洪的前提，关系着枢纽建筑物和下游亿万人民生命财产的安全。然而混凝土作为脆性材料，存在施工不可逆、易破损、缺陷修补效果差等难题，国内外水电工程泄洪建筑物因施工缺陷而导致的冲毁、破坏案例屡见不鲜，因此确保泄洪建筑物流道混凝土施工质量至关重要。

混凝土质量缺陷主要包括麻面、漏筋、蜂窝、孔洞、裂缝、错台、漏浆、缝面缺损、气泡等，其中在麻面、漏筋、蜂窝、孔洞等混凝土质量缺陷方面相关学者已有较深入的研究，例如许慧、任亚莉等人均对上述混凝土质量缺陷成因进行了深入剖析，并提出了防治和补救措施。缝面缺损、错台、漏浆、裂缝等混凝土缺陷在低流速水流工况下对建筑物正常使用影响较小，但上述混凝土质量缺陷在高速水流工况下会造成泄洪建筑物严重破坏。笔者在调研国内多个大型水电工程泄洪建筑物运行后混凝土破坏和修补的基础上，结合白鹤滩水电站泄洪洞混凝土衬砌施工，对上述混凝土质量缺陷产生的原因进行深入分析，并提出了防治和处理措施。

一、概况

泄洪洞是白鹤滩水电站工程主要泄洪建筑物之一，3条泄洪洞均布置于左岸，呈直线布置，全洞无压，断面采用城门洞形，主要包括进水塔、上平段、龙落尾、补气系统、挑坎等主体结构，平均洞长2.4 km，具有流量大（最大泄洪能力1.2万m3/s）、流速高（最高流速 47 m/s）、断面大（15 m×18 m）、水头高（水头 189 m）、混凝土标号高（C9060）等特点。

为确保在高速水流工况下泄洪洞运行安全，白鹤滩泄洪洞施工提出了“体型精准、平整光滑、抗冲耐磨”的质量目标，以及“体型偏差＜2 cm、过流面不平整度≤3 mm/2 m靠尺、无裂缝、施工缝无缝衔接、并呈镜面效果”的质量标准。

二、混凝土质量顽疾防治及处理措施

1.施工缝面缺损

混凝土浇筑成型后因拆模、碰撞等原因易造成边角破损，后续仓位混凝土施工完成后在施工缝面处形成缝间缺陷，在高速水流下容易产生冲蚀破坏。根据调研，缝面缺损多采用环氧、聚脲等化学材料盖缝处理，施工时，处理面干净以及干燥程度难以保证，导致盖缝材料与混凝土黏结强度不足，并受施工缝热胀冷缩等影响，盖缝易产生翘曲、拉裂等情况，经高速水流冲刷盖缝基本被破坏。个别电站采用施工缝面刻槽、槽内填充环氧砂浆的方案，但在高速水流冲刷下，槽内充填材料极易脱落，形成更大缺陷。经实践证明，施工缝缺陷采用盖缝进行表面处理或刻槽处理等“后处理”效果不佳，目前无可靠的处理方案。

白鹤滩泄洪洞工程在借鉴已有工程经验的基础上，制定了“施工缝无缝衔接”施工工艺，通过“前处理”达到免修补效果。首先沿已浇仓施工缝进行环向切割、打磨，切割深度为3～5 mm，以不留缺损为宜，确保处理后缝面棱角分明、平直光滑；通过切割、打磨（见图 1），同时可解决施工缝浮浆层低强、易破损问题，防止台车模板搭接时造成缝面压裂（还需控制台车搭接时间，不宜过早，以保证混凝土有一定强度）。其次为减少施工缝面先天缺陷，减少缝面处理工程量，在混凝土备仓时，施工缝部位堵头模板应“高强、光滑、平整”，可通过采用型钢或高强复合板材与台车面板侧面紧密贴合，实现拆模后施工缝面棱角分明、无缺陷。防止人为破坏，在施工过程中需对施工缝进行保护，尤其是底板施工缝，须有专项保护装置。

图1 施工缝处理示意图

2.漏浆、错台

漏浆、错台是混凝土施工中最为常见的质量顽疾，主要受模板与已浇混凝土面搭接、模板与模板搭接质量影响，特别是大洞室混凝土衬砌对模板搭接精度要求高、控制难度大。

为规避此类质量缺陷，白鹤滩泄洪洞工程对边墙施工缝搭接工艺进行了改进。由于台车面板制作精度较高，平整度可达到1 mm/6 m靠尺，已浇混凝土竖向搭接面平整度约4～5 mm/6 m靠尺，在台车面板与已浇混凝土搭接面贴合时会出现5 mm以上间隙，故对边墙竖向施工缝提出通过反复挂线圈出搭接面凸出部位并进行打磨，利用光照、靠尺进行复核检查，实现已浇仓搭接面不平整度达到1～2 mm/6 m靠尺，然后在搭接处黏贴可压缩双面胶（单层），通过控制台车面板背部顶丝力度，使双面胶厚度压缩至≤1 mm，从而实现施工缝无漏浆，并最终实现错台高度＜2 mm，控制精准时可实现错台＜1 mm，同时在台车面板与已浇混凝土面搭接时混凝土强度应不低于2.5 MPa，防止搭接面压裂。确有错台时，划线打磨平顺即可，划线范围为 1∶15（错台厚度∶打磨宽度）。边墙底部横向施工缝若出现质量缺陷，其范围不能超过底板过流面，以确保边墙过流面以上无缺陷。同时为减少底部施工缝缺陷，对底部搭接模板增加内、外双支撑，实现搭接板在混凝土浇筑过程中不移位、不漏浆；同时在对过流面以下边墙凿毛时，凿毛控制线（需弹线标示）控制在过流面以下2 cm，防止人为控制不当导致凿毛范围扩大而在底板与边墙交接处产生人为缺陷。

3.气泡

混凝土气泡是混凝土材料的固有特性，受原材料、施工工艺等因素影响较大，多个已运行电站泄洪建筑物采用反复涂刷环氧胶泥的方式处理气泡密集区，但是由于气泡腔体过小采用涂刷方式难以将修补材料充填于气泡空腔，经高速水流冲刷后表层涂刷层均脱落，气泡重新出露。经详细观察未发现高速水流冲刷后气泡面积扩大或破坏情况，且气泡边缘基本保持原状，说明气泡对高流速流道混凝土影响较小，但对于大气泡及大气泡密集区仍存在冲蚀风险。

针对白鹤滩泄洪洞流速高、流量大的特点，为减少过流面气泡，创造性实施了“可视化”振捣试验，利用钢化玻璃作为模板制作试验仓，通过直观对比不同脱模剂、振捣参数下气泡产生、排出状态等情况，确定了复振工艺和适应白鹤滩泄洪工程混凝土性能的施工参数（如表1），使过流面混凝土2 mm以上气泡数量由最初的平均120个/m2减少至平均25个/m2，减少约80%，且无5 mm以上大气泡密集区。根据类似工程经验，结合白鹤滩泄洪洞气泡控制情况，提出了对直径≥5 mm的椭圆形或最长边≥8 mm的狭长形单个气泡采用腔体内注修补材料的方式修补，对直径≥3 mm气泡数量超过30个/m2的气泡密集区采用环氧基液进行涂刷。

表1 白鹤滩泄洪洞可视化振捣试验成果参数

4.裂缝

受建筑物结构和混凝土材料特性影响，大体积薄壁混凝土裂缝控制是大洞室衬砌混凝土的技术瓶颈，裂缝按产生原因可分为结构性裂缝、温度裂缝、干缩龟裂等。为防止结构性裂缝，白鹤滩泄洪洞采用先边墙、后顶拱、最后底板的施工顺序，边墙分仓长度9～12 m，衬砌块体长宽比约1∶1.3，采用边顶拱分开浇筑可改善结构受力，防止裂缝产生效果明显。为防止温度裂缝，通过研制“高边墙低坍落度混凝土上料系统”“龙落尾大坡度重载上料系统”等施工装备，解决了大洞室高边墙常态混凝土入仓和龙落尾27°大坡度工况下常态混凝土送料难题，首次实现全过流面采用“低热水泥、低坍落度混凝土（坍落度7～9 cm）、掺 25%粉煤灰”配合比，结合通水冷却使混凝土最高温度控制在36℃以下，并通过智能通水，使降温速率不大于1℃/d，同时采用洞口封闭、冬季保温等措施确保洞内温度基本稳定和混凝土内表温差不大于25℃，实现了白鹤滩泄洪洞混凝土衬砌无温度裂缝。根据段亚辉等人研究，延长养护时间可有效降低混凝土表面龟裂风险，白鹤滩泄洪洞工程采用延长养护时间至90天、施工洞口增加防风帘等措施，取得了良好效果。

根据多个电站泄洪建筑物运行情况，无错台的混凝土裂缝在高速水流冲刷下基本无影响，个别电站因采用刻槽的方式进行裂缝处理却因槽内充填材料黏结力不足导致大面积破坏，因此本文建议对非贯穿性裂缝可不做处理，对贯穿性裂缝为防止外水侵蚀混凝土内钢筋等问题可采用贴嘴、斜孔（针孔）化学灌浆的方式，在处理过程中应遵循尽量不破坏本体混凝土为基本原则。

5.不平整度和体型偏差

对于高速水流流道混凝土，过流面不平整和体型偏差较大，运行时，易出现水力脉动现象，进而引发混凝土空蚀破坏。白鹤滩泄洪洞提出了“不平整度≤3 mm/2 m靠尺、体型偏差≤2 cm”的质量标准。对于边墙混凝土衬砌，主要以控制衬砌台车面板不平整度和台车变形为主，在台车制作和安装后，要求面板不平整度≤2 mm/2 m靠尺，增加台车面板厚度至12 mm，在模板底部增加根底口斜支撑，加强模板底口的支撑强度，防止弹性变形造成漏浆，在台车横梁高度增设可拆卸横梁，防止左右上料不均匀产生模板位移（见图2），并制定了“测量定位、挂线控制、分层调校、专人施工”的台车校模方法，确保台车精准就位。对于底板混凝土，采用隐轨与大跨度三滚轴整平装置（混凝土整平后需拆除隐轨）的施工工艺，隐轨采用可微调（精度0.5 mm）的顶托装置（见图3）确保隐轨高程精准控制，通过探索不同整平设备投入时机和混凝土可塑性关系，建立“三辊轴整平→抹面机圆盘抹面→抹面机刀片收光→人工压抹”的标准化工艺，实现底板不平整度＜3 mm/2 m靠尺。在此基础上，白鹤滩泄洪洞工程首次提出并实现了高速水流流道“镜面混凝土”标准：不平整度≤2 mm/2 m靠尺、体型偏差≤1 cm、零温度裂缝、免修补，并呈镜面效果。实际施工效果见图4。