某水电站溢洪道反弧段渗水施工层面及裂缝补强处理技术浅析

陈演 朱文富 余勋 汪俊

1. 福建水口发电集团有限公司 福建 福州 350004；2. 浙江华东建设工程有限公司 浙江 杭州 310014

1 工程简介

某水电站位于福建省闽江干流上，该电站以发电为主，属一等工程，枢纽工程包括挡水坝、发电厂房、溢流坝、通航建筑物等，坝型为混凝土重力坝，最大坝高101.0m，顶高程74.0m，坝前正常高水位65.0m，汛限水位61.0m，死水位55.0m。

大坝一共分为42个坝段，大坝从左到右依次为：左岸挡水坝段、厂房坝段、溢流坝段和泄水坝段、船闸坝段、升船机坝段及右岸挡水坝段。溢流道为河床式布置，有12个表孔，孔口尺寸（宽×高）15×22m，堰顶高程43m，溢洪道消能形式为挑流消能，挑流鼻坎为连续式鼻坎，总长243m。2个底孔，孔口尺寸（宽×高）5×8m。船闸为3级，每级闸室长160m，宽12m，吃水深3.0m。升船机布置在船闸右边，船厢有效尺寸为长124m、宽12m、水深2.5m。厂房布置在左岸，为坝后式，内安装7台单机容量20万kW的轴流式水输发电机组。

2 溢洪道现状及存在的问题

电站主体工程于1996年12月完工。溢洪道位于大坝23～35#坝段，全长243.0m，为开敞式溢洪道，共12孔，每孔净宽15m，中墩厚5m，边墩厚4m，溢洪道坝段宽20m，坝段间设永久结构缝(横缝)，缝设于溢洪道表孔中部。溢流面采用幂曲线，反弧段后接连续式鼻坎挑流消能，反弧半径为30m，挑角32°。溢洪道汛期泄洪频繁，运行以来经历了1998年特大洪水、2005、2006、2010年等多场大洪水考验。

溢洪道经过多年运行，各孔溢流面混凝土均出现不同程度的冲蚀及磨损，局部骨料裸露，存在不同程度的裂缝，部分裂缝存在渗水现象，表明这些裂缝已非混凝土浅表裂缝；鼻坎以下的下游立面的施工缝处伴有不连续的渗水痕迹[1]。

检查发现待处理的33#～35#坝段溢流堰面混凝土的裂缝总计50条，裂缝形态多样，通长缝和短缝并存，缝宽0.1～0.4mm不等 。

裂缝走向性状：纵向缝约占总裂缝数量1/2；横向缝和不规则斜缝约占1/2，且横向缝多于不规则斜缝；斜直段上多为纵向缝且多连通整个坝段，反弧段的裂缝主要以纵向裂缝为主（宽度较大），与不规则的斜向缝和横向裂缝组成网裂，大部分裂缝位于溢流面的斜直段末尾至反弧段边缘一带；裂缝内部走向大致分为三种情况：①位于溢流面斜直段上的纵缝，内部走向为向上游侧延伸；②位于反弧段上的纵缝，内部走向为向下游侧延伸；③横缝和斜缝走向不规则，以竖直向下为主，徘徊向下发育。

裂缝宽度性状：缝宽小于0.2mm的有40条裂缝，缝宽在0.2～0.5mm的裂缝10条，未测得缝宽大于0.5mm的裂缝。

裂缝产生原因分析如下：

存在于溢流面及挑流鼻坎的裂缝大致可以分为三类，第一类为斜直段的纵向贯穿裂缝；第二类为反弧段的两条通长纵向贯穿裂缝；第三类为大量的无规律浅层裂缝。

通过查阅设计、施工资料，结合裂缝的分布的位置及性状分析，以上三类裂缝产生的原因推断如下：

（1）位于斜直段的裂缝主要与结构的受力有关，该段结构混凝土施工时采用了分台阶浇筑法，台阶的设置尺寸偏大，所以台阶的尖角影响突出，浇筑块体性差，相应地在台阶的尖角处产生了纵向的贯穿裂缝，其裂缝的规律性比较明显。

（2）反弧段存在两条大的通长贯通纵缝（已经过注浆处理），以这两条裂缝为主线，周边分布大量的细小裂缝，反弧段位置混凝土受温度影响较为敏感，该位置裂缝主要与温控措施不力有关，同时，反弧段下游侧的通长贯通纵缝与26m高程处台阶尖角正好对应，深度基本贯穿，所以其开裂受尖角的影响突出。

（3）其余存在于溢流面上的裂缝，其分布规律性较差，宽度和深度相对较小，除了受施工质量的影响外，混凝土本身的干缩和温度也是造成该类裂缝产生的重要因素。

部分坝段溢流面裂缝现状照及裂缝示意见图1。

这些裂缝对混凝土构建物的稳定性会产生一定的影响，为防止缺陷发展扩大，影响结构整体稳定性，必须对溢洪道反弧段渗水施工层面及裂缝进行补强处理。

图1

图2 33#～35#溢流堰面及反弧段裂缝处理前现状照片

3 补强处理设计方案

水利水电工程建筑中，如大坝的溢洪道、泄洪洞、泄水孔、溢流坝和消力池等在泄洪运行时，高速水流（和含砂水流）直接作用于溢流面，溢流面缺陷在高速水流作用下极易产生冲磨和气蚀破坏。多年来，溢流面抗高速水流冲磨问题一直是确保溢洪道泄流安全需要解决的问题。传统的处理技术有钢板粘贴衬砌、浇筑纤维混凝土、硅粉混凝土及聚合物混凝土，涂抹环氧砂浆和环氧涂层等方法，由于各类材料都存在着各自的性能局限，预期的抗冲磨应用效果也十分有限。

3.1 溢洪道反弧段及溢流面混凝土补强处理

（1）混凝土溢流面裂缝情况

2016年对溢洪道溢流面进行检测，33#～35#坝段溢流面混凝土的裂缝总计50条。裂缝走向：纵向缝约占1/2；横向缝和不规则斜缝约占1/2，且横向缝多于不规则斜缝；裂缝宽度：缝宽小于0.2mm的有40条裂缝，缝宽在0.2～0.5mm的裂缝10条，缝宽较宽的裂缝主要集中在挑流鼻坎Sta.D0+045～Sta.D0+054区域。综合判定，存在于溢流面及挑流鼻坎的裂缝大致可以分为三类，第一类为斜直段的纵向贯通裂缝(以浅表裂缝为主)；第二类为反弧段的两条通长贯通裂缝（深层裂缝），以其中下游侧的该条裂缝局部与26m高程台阶贯穿；第三类为大量的无规律浅表裂缝。溢流面混凝土表面碳化深度都在1.5mm以内，属于A类碳化。

（2）混凝土溢流面裂缝处理

根据溢流面混凝土目前状况，溢流面混凝土尚未发现明显的结构性缺陷，为封闭裂缝，改善溢流面抗冲磨能力，对溢流面混凝土处理分为二个步骤，一为对混凝土溢流面消缺，对发现的裂缝等重点封闭处理，二为对溢流面冲蚀区域进行抗冲磨防护处理。

1）混凝土溢流面裂缝处理

对溢流面混凝土裂缝在处理前先进行检查，并对照历史检查资料分析裂缝发生、发展及处理情况，积累检查数据。对发现存疑的裂缝可进行进一步的检查（包括取芯、强度检测等），确定裂缝状态。

混凝土裂缝处理根据裂缝分类分别处理。①大坝溢流面裂缝处理（缝宽＜0.2mm）

对缝宽＜0.2mm的裂缝处理，采用表面封闭的处理方法，跨缝架涂HK-968弹性环氧涂料封闭缝面，同时阻止侵蚀深入。具体操作步骤如下：

步骤1：清理裂缝

检查溢洪道反弧段溢流面，根据检测报告复核需处理裂缝，编制裂缝分布图。使用磨光机、环氧地坪清除机打磨原961涂层，清理完成后，使用高压清洗机清理裂缝周边混凝土表面，清除混凝土表面的附着物、水泥浮浆、青苔以及其它污物。

步骤2：涂刷底胶

裂缝周边混凝土表面干燥、洁净，涂刷底胶，底胶涂刷饱满均匀、无漏刷。

步骤3：刮涂弹性环氧涂料

裂缝表面按“两胶一布”的方式进行封闭，跨缝架涂HK-968弹性环氧涂料。刮涂HK-968弹性环氧涂料，粘贴网格布，网格布从一侧粘贴至另外一侧，粘贴密实、无空鼓、气泡，网格布粘贴以裂缝为中心左右各10cm，持续刮涂HK-968弹性环氧涂料增厚涂层至1mm。

②大坝溢流面裂缝处理（缝宽≥0.2mm）

缝宽δ≥0.2mm的裂缝，缝内压力灌浆，灌注HK-G-4低黏度改性环氧材料（若裂缝渗水则改用LW堵水型/HW固型水溶性聚氨酯灌浆材料），填充密实，跨缝架涂HK-968弹性环氧涂料封闭缝面，修补裂缝的同时阻止侵蚀深入。具体操作步骤如下：

步骤1：清理裂缝

检查溢洪道反弧段溢流面，根据检测报告复核需处理裂缝，编制裂缝分布图。使用磨光机、环氧地坪清除机打磨原961涂层，清理完成后，使用高压清洗机清理裂缝周边混凝土表面，清除混凝土表面的附着物、水泥浮浆、青苔以及其他污物。

步骤2：灌浆

沿裂缝布设灌浆孔，左右交替布置，埋设灌浆针头、排气管，临时封闭裂缝表面，防止漏浆。灌浆材料根据裂缝是否渗水进行选择，若为渗水裂缝则选择水溶性聚氨酯灌浆材料；若为干裂缝则选择低黏度环氧灌浆材料。灌浆方式采用纯压式灌浆，灌浆压力0.5Mpa，在灌浆压力下，不再有浆液灌入1min后，结束灌浆。

步骤3：清理裂缝

浆液固化后，拆除灌浆针头、排气管，清除缝面临时封闭材料。

步骤4：涂刷底胶

裂缝周边混凝土表面干燥、洁净，涂刷底胶，底胶涂刷饱满均匀、无漏刷。

步骤5：刮涂弹性环氧涂料

裂缝表面按“两胶一布”的方式进行封闭，跨缝架涂HK-968弹性环氧涂料。刮涂HK-968弹性环氧涂料，粘贴网格布，网格布从一侧粘贴至另外一侧，粘贴密实、无空鼓、气泡，网格布粘贴以裂缝为中心左右各10cm，持续刮涂HK-968弹性环氧涂料增厚涂层至1mm。

3.2 混凝土表面抗冲磨处理

（1）抗冲磨保护涂层分析

随着我国水电建设的不断发展，泄水建筑物的抗冲磨保护材料技术也在不断创新，从高强混凝土、聚合物砂浆、环氧砂浆、环氧涂料，再到近几年的喷涂聚脲、慢固化聚脲，各种改性涂层技术层出不穷。HK966、HK968产品为主的混凝土抗冲磨保护防渗体系研究成果，是针对当前抗冲磨材料在工程应用中存在的问题并结合大型高水头电站工程对抗冲磨材料的需求，充分利用材料科学发展的新成果和新技术取得的成果，模拟试验表明，高强弹性聚氨酯涂层具有比刚性环氧砂浆高10倍的抗冲磨性、比C60高强混凝土高100倍以上的抗冲磨性，为水工建筑混凝土抗冲磨保护提供了新方案。

1）抗冲磨保护涂层比较

根据保护材料特点，大致可以分成两种类型：一种是逐渐变薄的牺牲型抗冲磨保护涂层，以高性能混凝土、砂浆等刚性材料为主，需要相对较厚的保护层，另一种以弹韧性消能为主的抗冲磨保护涂层，例如聚脲类涂料、聚氨酯类涂料、超音速喷涂涂料、特种增韧环氧等。

①弹性涂层系列

主要有聚脲及聚氨酯类型弹性抗冲磨保护涂层，典型应用涂层结构有：封闭底漆+HK-966弹性涂料。

适合流速不大于30m/s，且混凝土基础条件较好，裂缝较少的混凝土面抗冲磨保护。HK-966弹性涂料是一种由环氧改性的聚氨酯涂料，其兼具了环氧材料和聚氨酯材料的优点，是较好的抗冲磨保护涂层，缺点是涂料耐黄变性能较一般。

②韧性涂层系列

目前市面能成功解决材料弹韧耐久性问题的材料、工艺有限。现有使用5年以上，且效果良好的材料体系，主体材料是化学增韧改性的环氧树脂，涂层体系主要有：①封闭底漆+HK-968弹性涂料的涂层结构。②封闭底漆+HK-E003弹性环氧砂浆+HK-968弹性涂料的涂层结构。③封闭底漆+HK-E001弹性环氧砂浆的结构。

该体系黏结性能优良的、弹性模量较低，具有抗冲磨强度高的特点，适合于流速超过40m/s，水中推移质较少的抗冲磨保护；其施工操作便利，施工质量容易保证。

③刚性涂层系列

与高强抗冲磨混凝土比较，相对来说也是韧性涂层，主要有HK-EQ环氧胶泥和HK-UW-3环氧砂浆等。

其黏结性能优良，抗冲磨强度高，已经经受数年的运行考验。其潜在不足方面是，由于环氧材料与混凝土材料材质差异性问题以及环氧材料强度相对较高，环境温度变化过大时，容易引起黏结面应力集中，导致涂层局部发生开裂或起鼓，但是局部维修还是比较便利。

2）溢流面涂层抗冲磨对比

作为表面抗冲磨保护涂层，高速水流条件下的黏结可靠性尤为重要。分析及结合电站溢流面的实际情况，选择966及968涂层结构都较为恰当，但由于溢流面上存在一些渗水裂缝，即便进行了有效处理，也难免存在再次开裂的风险，而966涂层结构由于有一定延展性，而不易断裂，导致缝表形成鼓包现象，破坏涂层的有效保护作用，且966弹性涂料不耐黄变，在相同条件下，选择968涂层相对更加可靠。

3）溢流面涂层选择

根据电站溢洪道反弧段渗水施工层面及裂缝的实际情况，对溢流面涂层抗冲磨材料性能进行综合比选，从可靠性、耐久性、抗冲击性、经济性等方面考虑，电站溢洪道反弧段渗水施工层面抗冲磨材料采用“封闭底漆+HK-E003弹性环氧砂浆+HK-968弹性涂料”的涂层结构。

（2）混凝土表面抗冲磨处理

打磨、清除原961涂层，清理混凝土表面，溢洪道反弧段溢流面整体采用封闭底胶+HK-E003弹性环氧砂浆+HK-968弹性环氧涂料的涂层结构进行防护。该涂层结构能够在溢流面混凝土表面形成完整的混凝土表面抗冲磨层，修复和提升溢流面抗冲磨性能。

步骤1：清理基面

使用磨光机、环氧地坪清除机打磨、清除原961涂层，清理完成后，使用高压清洗机，冲洗混凝土基面，清除混凝土表面浮渣、风化层、青苔等杂物，完全露出新鲜混凝土。

步骤2：中涂层弹性环氧砂浆刮涂

混凝土表面清理干净后，涂刷底胶，底胶涂刷饱满均匀、无漏刷。若混凝土表面存在明显凹凸不平、气孔等缺陷部位，进行找平处理。本次工程施工时，溢洪道反弧段未见明显凹凸不平、气孔等缺陷部位。整体刮涂HK-E003弹性环氧砂浆找平溢流面表面，确保溢洪道表面混凝土平顺。

步骤3：第二遍涂刷底胶

待弹性环氧砂浆固化后，第二遍涂刷底胶，底胶涂刷饱满均匀、无漏刷。

步骤4：刮涂面涂层弹性环氧涂料

底胶表干后，满刮HK-968弹性环氧涂料，直至厚度达到1.5mm，涂料完全覆盖混凝土基面，刮涂均匀、无遗漏。

HK-968弹性环氧涂料满刮施工结束后，常温下干燥养护即可。

4 结束语

按照前述方法对某电站溢洪道溢流面进行消缺及抗冲磨防护处理，消缺及抗冲磨防护以不改变原溢洪道泄流曲线为原则，同时修复后的溢流面平整度满足规范要求。溢流面抗冲耐磨保护涂层应用封闭底漆+HK-E003弹性环氧砂浆+HK-968弹性涂料的涂层结构的抗冲磨防护体系。

工程处理完成后的次年，即经历多次泄洪冲刷，从泄洪后对溢流面检查可见，溢流面补强处理所采用的封闭底漆+HKE003弹性环氧砂浆+HK-968弹性涂料的涂层结构的抗冲磨防护结构整体完好，未见表面冲磨损失，对溢流面混凝土形成有效防护。该处理方法为以后类似工程提供了成功案例。

图3

图4 溢洪道溢流面、反弧面抗冲磨防护处理汛期泄洪冲刷后图