山区多泥沙河流水电站闸室及护坦修复处理技术研究

王瑞瑶，刘彦琦

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

我国的水能资源主要分布在西部和中南部地区，西南地区区域内河流众多，河道坡陡流急，泥沙问题十分突出，尤其是水流中石块来量丰富，粒径级配分布宽，对水电工程充磨破坏更为严重。由于悬移质和推移质含量大，水流速度高，泄水建筑物的冲磨和空蚀问题已经成为山区多泥沙河流水电站运行中的主要病害之一。如何正确认识悬移质和推移质磨损的特点，制定正确的防冲抗磨设计原则，选择经济适用的耐磨材料，较好地解决水工建筑物的防冲抗磨问题，是水工设计的一个重要课题。本文以某水闸为例，分析了过流建筑物发生破坏的原因，介绍了山区多泥沙河流闸室及护坦修复设计的经验。

1 工程概况

某水闸所在河段平均坡降为19.6‰。河流泥沙含量大，推移质活动剧烈。根据工程水文站实测悬移质颗粒级配资料，计算得平均悬移质颗粒级配，其最大粒径3 mm，中数粒径0.062 mm，粒径大于0.1 mm的沙重占34.3%，粒径大于0.25 mm的沙重占20.3%，悬移质泥沙中硬矿物含量占总重量的53.4%。根据工程河段床沙取样分析成果，其该河段床沙最大粒径为340 mm，中数粒径125mm。经推算得坝址河段的推移质年平均输沙量为3.7～5.8 万t。

本工程最大挡水高度为19 m。首部枢纽建筑物由混凝土重力坝、冲沙泄洪闸、取水枢纽、拦沙坎等组成。冲沙闸为平底闸，闸后接坡比为1:10的护坦，护坦长48 m，宽31.52 m，护坦上有分水导墙和闸墩。护坦底板厚度为1.0 m，其中面层为抗冲耐磨混凝土，混凝土强度等级C30HF，厚50 cm，底层混凝土强度等级为C20，厚50 cm，底板上层钢筋布置于抗冲磨混凝土顶面，混凝土保护层厚度为10 cm。

2 闸室及护坦底板现状及成因分析

2.1 闸室及护坦现状

某水闸已运行12年，运行整体平稳，状态良好。然而，工程经过多年投产运行，泄洪时水流裹挟着泥沙，尤其是其中的推移质对泄洪建筑物产生冲蚀、磨损和冲刷等不同程度的破坏。某年汛期过后，清理过水及泄水建筑物内淤积泥沙时，发现闸室底板及护坦存在不同程度的破损情况。闸室工作门槽下游平段底板出现大面积淘刷，但钢筋未出露。护坦段底板顶面部分混凝土被冲蚀，冲刷面积为662 m2，占护坦总面积的65%，破损处平均深度为0.3～0.5 m不等，并伴随有骨料出露、钢筋裸露的现象，部分钢筋被水流冲断后向下游方向弯折。冲沙闸闸室底板及消力池、护坦破坏情况见图1～2。

2.2 成因分析

(1)推移质的冲撞、磨损等综合作用，造成护坦底板的破坏。工程所在河流属山区性河流，河谷狭窄，河床坡降大，工程所在河段平均坡降为19.6‰。流域内植被稀少，岩石风化严重，汛期在降雨作用下，大量的推移质泥沙进入河道，其粒径一般为0.1～0.3 m。由于河道坡降大，推移质在水流中大多以滚动或跳跃运动的方式前进，在这些推移质的冲撞、磨损等综合作用下，造成泄水建筑物产生较大的破坏。当冲蚀发生时，局部较薄弱的混凝土首先发生破坏产生麻面，然后逐渐发展为冲坑，当水流冲刷时间较长后，冲坑面积及深度增大，致使钢筋裸露甚至折断。

图1 冲沙闸闸室底板现状

图2 护坦钢筋出露、折断

(2)闸门小开度运行对消力池底板冲刷不利。冲沙泄洪闸是首部枢纽中主要的过水过沙建筑物，冲砂闸为平板闸门，闸门局部开启高度大多在0.5～4.0 m之间，闸门小开度运行束窄了过水断面，使得挟沙水流的流速增大，增加了推移质泥沙对消力池及护坦底板的磨损。

(3)闸室、护坦底板抗冲层混凝土与基础混凝土施工上可能存在缺陷，存在层间结合不好的问题。

3 闸室及护坦底板修复方案设计

3.1 闸室工作门槽下游平段底板修复

(1)为保证修复材料与老混凝土黏结牢固，将闸室工作门槽下游平段底板部位的混凝土表面进行凿毛清理(最小厚度保证在2～3 cm)，出露新鲜混凝土基面，确保基础面干净、无沙粒、粉尘、油污等杂质。

(2)待混凝土基面干燥后，先用毛刷在混凝土基面上均匀地涂刷底层界面处理剂，要求薄而均匀、不流淌、不漏刷。待处理剂表面不流动，指触拉丝时，将拌好的环氧砂浆涂抹至修复面上(环氧砂浆要涂抹至原结构面高程)，涂抹时要边压实边抹光。

(3)环氧砂浆材料主要性能指标详见表1。

表1 环氧砂浆材料主要性能指标

3.2 护坦段底板修复

(1)将冲蚀部分已外露弯曲的钢筋切除，对护坦底板部位混凝土进行凿除处理，凿除厚度为30 cm以确保硅粉混凝土厚度不小于30 cm，出露新鲜混凝土基面，确保基础面干净、无沙粒、粉尘、油污等杂质。

(2)为增强新老混凝土的连接，在凿除后的护坦混凝土面布置20插筋，插筋为“L”型，间排距为1.5 m，插筋应插入老混凝土中80 cm，外露20 cm，外露钢筋应进行弯折10 cm以增强其混凝土的握裹力，弯折钢筋与新增纵横向钢筋尽量焊接牢固，钢筋保护层厚度20 cm。

(3)为增强新浇筑混凝土的整体性，满足护坦的结构设计。在凿除后的护坦混凝土面重新布置16的纵横向钢筋，间排距为20 cm，钢筋保护层厚度20 cm，新布置的纵横向钢筋应与原钢筋、插筋焊接，钢筋接头应满足《水工钢筋混凝土结构设计规范》要求。

(4)在凿毛后的老混凝土面上浇筑30 cm的C40硅粉混凝土，并按原混凝土结构分缝，缝宽1.0 cm。护坦新浇C40硅粉混凝土排水孔布置及直径(10 cm)设置均保证与原护坦排水孔一致，并确保排水孔畅通。

护坦底板钢筋布置原则见图3，C40硅粉混凝土配合比应通过实验确定，参考配合比见表2。

表2 C40抗冲磨混凝土参考配合比

图3 护坦底板钢筋布置示意

4 结 语

(1)山区水闸常年受泥沙冲磨作用，闸室和护坦的冲刷破坏是常见病害，应及时开展汛后安全检查，发现问题及时处理。

(2)从本工程及其他工程的运行结果看，护坦配筋时，将钢筋置于结构顶层其抗冲耐磨的效果并不明显。当混凝土保护层被冲刷使钢筋裸露脱离混凝土时，钢筋会被冲断或弯折。鉴于此原因，建议护坦钢筋应布置于抗冲耐磨混凝土的下部或常态混凝土顶部，此种布置方式不但有利于保证结构安全而且便于后期维修。

(3)泄洪闸和冲沙闸是首部枢纽建筑物的主要过水过沙建筑物。由于闸室过水断面较窄，过闸水流流速较高，推移质泥沙对闸底板和闸墩下部的磨损最严重。在工作闸门以前的部位，常年处于水下，检修时需停机放空库水，影响发电，基于以上原因，可在工作闸门前闸室底板和边墙设置钢衬衬护防冲刷。

(4)近年来我国新型抗冲耐磨材料在水电站修复中已大量使用。除了本文所述的材料外，还包括钢纤维混凝土、聚合物混凝土等。可根据需修复建筑物的功能和特点，选用不同类型的新型材料，以达到投资少、工期短、效果好的目的。