水电站水下建筑物受冲磨蚀破坏修复方案研究与实践

苏 畅，谢宝丰，程科林，赵文龙， 杨利锋

(1.黄河水利水电开发总公司，河南 济源 454681；2.黄河小浪底水资源投资有限公司，河南 郑州 450000)

1 工程概况

某水电站主要建筑物有土石坝、泄洪闸、排沙底孔、河床式电站厂房及左、右排沙洞等。左、右排沙洞单洞长为68.3 m，进口底坎高程为EL.106.0 m，单洞最大泄量为230 m3/s，洞身为矩形断面，尺寸为4.5 m×4.8 m，每条洞共由4道平板闸门控制。排沙底孔单洞长为68.3 m，进口底坎高程为EL.106 m，出口底坎高程为EL.99.48 m，洞身为矩形断面，尺寸为3.0 m×5.0 m，单洞最大泄量为145.7 m3/s，每条洞共由4道平板闸门控制。排沙洞、排沙底孔进口检修门上游为钢筋混凝土面板，面板长为34 m，厚为 0.8 m，面板以下为砂砾石回填基础；出口检修门后为消力池和尾水护坦，长为52.5 m。2019年排沙洞单洞最大过流小时数为1 030.5 h，排沙底孔单洞最大过流小时数为1 888.5 h，2019年汛后检查过程中，发现部分洞内流道进、出口检修门渗水量大，可能存在电站厂房坝段的上游铺盖和下游消力池混凝土水毁及门槽二期混凝土损坏、闸门埋件变形等情况。

2 水下检查方式及结果

2.1 检查方式

本次检查采用水下机器人(ROV)与蛙人潜水相结合的方式进行，具备条件时采用2种方式检查相互对比验证。蛙人潜水检查按照预先制定的行动路线下水，并配备管供式空气潜水装具、水下照明设备、水下摄像机、潜水电话和水下施工工具。水下摄像机和水下电话通过电缆与水上监视器连接，水下录像机对水下施工进行全程录像，并将录像同步传输到水上监控器，保证检查结果直观、准确，为制定修复方案提供可靠依据。水下建筑物检查范围示意见图1。

2.2 检查结果

经潜水员水下检查，发现左排沙洞和上游左导墙整体情况良好，未见明显破坏痕迹，排沙底孔、右排沙洞以及6号排沙洞上游右挡土墙损坏明显，缺陷分类如下：

① 检修门槽附近二期混凝土损坏，存在蜂窝、麻面、掏空等缺陷；

图1 水电站进出口水下建筑物检查范围示意

② 排沙洞、排沙底孔进口检修门上游铺盖水下建筑物混凝土损坏，局部钢筋出露；

③ 排沙洞、排沙底孔进口检修门上游铺盖存在大量推移质堆积；

④ 排沙洞、排沙底孔出口检修门下游消力池及护坦损坏；

⑤ 底坎座板局部变形损伤，局部钢筋出露；门槽底坎座板整体大面积变形或严重损伤；

⑥ 门槽主轨水封不锈钢座板轻微开焊、鼓起，不影响止水，支撑角钢轻微损伤；水封不锈钢座板鼓起、变形、开焊严重，支撑角钢开裂、变形、损伤严重；

⑦ 门槽反轨钢板开裂、变形、损伤。

表1为检查结果较为严重的2号排沙底孔缺陷汇总，图2为水下检查过程中门槽二期混凝土损坏照片，图3为检修门底板磨损照片。

表1 2号排沙底孔缺陷汇总 m

图2 门槽二期混凝土损坏照片

图3 进口检修门底板磨损照片

3 水下建筑物破坏原因分析

3.1 推移质冲击

电站厂房坝段上游引渠原设计高程为EL.120 m，采用无人船+多波束测深仪对厂房坝段上游漏斗区导墙内(重点在水下修复区)进行水下地形测量，根据测量结果(见图4)确定上游漏斗区地形被冲刷深度约10 m。右排沙洞出口消力池下游在2018年汛后并未发现大面积块石淤积，但2019年汛后出现块石组成的滩地，尺寸约179.1 m×143 m，主要集中在右排沙洞出水口左侧，且在泄洪过流过程中，在工作门闸室能清晰听见石块冲击闸门的声音。

图4 2020年3月12日电站漏斗区冲刷区域水下地形测量

3.2 高含沙水流磨蚀

电站2019年泄洪排沙运用实测最大含沙量为 266 kg/m3，最大过流小时数为1 888.5 h，长历时高含沙水流磨蚀是流道混凝土破坏主要因素之一。

3.3 流态影响

上游引水渠水流进入泄洪排沙流道存在一定倾角，不均匀流态影响可能造成右排沙洞相较左排沙洞冲磨更为严重，流道内右侧底板比左侧底板冲磨更为严重；

总之，电站水下建筑物混凝土不仅受高含沙水流磨蚀，流态不均影响，还受推移质冲、砸、磨影响造成破坏。

4 修复加固方案研究

原则上对于损坏部位和结构进行恢复性修复，未损坏部位尽量不破坏原结构。为保证在汛期前完成水下修复作业，采用多作业面施工，尽量确保单条排沙底孔、排沙洞上下游同时完工，为洞内干地施工创造条件。

4.1 环氧混凝土加固

修复措施主要运用环氧砂浆和环氧混凝土进行不同部位水蚀破坏的修复及补强加固[8]，其中环氧混凝土主要用于深度大于5 cm的缺陷，环氧混凝土具有力学性能优良，与混凝土黏结牢固，不易在黏结面处发生开裂，抗冲磨强度高，施工简便、快捷，无毒、无污染等特点。环氧混凝土施工采用模板支护，可以进行环氧混凝土的浇筑和振捣，适合大面积、大体积施工，施工速度快,单位造价比环氧砂浆低。环氧混凝土主要技术指标见表2。

表2 环氧混凝土主要技术指标 MPa

4.2 针对不同类型缺陷修复方案

4.2.1排沙洞、排沙底孔进口检修门以上铺盖和出口检修门以下消力池混凝土底板水毁修复方案

修复方案以6号排沙洞出口检修门为例，施工示意见图5。

图5 6号排沙洞出口检修门混凝土底板修复施工示意(单位：mm)

1)水下清理

对于缺陷内的老混凝土面，潜水员使用高压水或液压镐进行凿毛处理；凿出坚固、新鲜的混凝土面，凿毛结束后对缺陷进行清理。

2)水下切割凿除

潜水员根据缺陷的尺寸沿破碎边缘线切割出修补边缘线，冲刷缺陷边缘深度小于60 mm，需开凿达到60 mm，侧壁应尽量保证垂直，切割边线必须封闭，用液压镐凿除待清理的混凝土。同时需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。

3)水下钢筋布设

为了增强缺陷内新浇筑混凝土与老混凝土的结合强度，并成为一个整体，需在缺陷修补区域内布设锚固筋。

4)布设钢筋网

破坏深度>10 cm部位布设钢筋网，待锚固剂硬化后，将已经加工好的Φ12@150 mm钢筋网下放至修补位置并进行固定，钢筋网距混凝土浇筑面50 mm，以增强混凝土的强度，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。

5)支立模板

对于立面及斜面上的缺陷，在修复部位架立模板。模板由3 mm钢板制作而成，内部粘贴塑料膜以方便后期拆模。模板通过膨胀螺栓固定在结构面上，模板周边必须与墙面贴合紧密，不允许出现漏浆。

6)水下浇筑作业

在进行浇筑前，将浇筑仓面使用高压水进行再一次的清洗，局部破损面积深度为5 cm以下采用环氧砂浆浇筑，5 cm以上则采用环氧混凝土。

7)拆除模板

待立面浇筑混凝土达到足够的强度后，将模板进行拆除，并对新浇筑混凝土进行水下检查和录像。

4.2.2立面侧墙混凝土缺陷修复方案

修复方案以2号排沙底孔检修门为例，施工示意见图6。

图6 2号排沙底孔检修门修复施工示意(单位:mm)

1)水下切割、凿除混凝土

由潜水员在水下用液压锯沿已划出的切割线切割出补强边缘线，深度不少于6 cm，切割边线必须封闭，用液压镐凿除待清理的混凝土，同时保证浇筑各部位的深度不低于6 cm，用以增加环氧混凝土的嵌固强度和新老混凝土的粘结力，使修补面抗冲、耐磨。

2)钢筋的水下布设

布设锚固筋同底板水毁缺陷，架设抗冲、抗裂、限裂钢筋网，钢筋网规格为Φ12@150。

3)模板安装

浇筑模板由3 mm钢板和∟50×5角钢制作而成，内部粘贴塑料膜以方便后期拆模。模板通过膨胀螺栓和锚筋固定坝面上。在模板的适当位置预留混凝土进料口和溢出口。进料口设在模板顶部，溢出口设在模板四角，溢出口设活页盖板，并可封牢。

4)水下混凝土的制备和浇筑

将已配制好的水下环氧混凝土装入料斗中，吊放于水下修补位置。由潜水员把料斗中的混凝土送到浇筑仓内，待模板四角预留的溢出口中溢出混凝土后，把溢出口封堵，直到最后一个溢出口中溢出混凝土，并把溢出口封堵为止。新浇筑混凝土要求表面平整，内部密实,新老混凝土粘接良好。

4.2.3门槽底板(底坎)缺陷修复方案

修复方案以6号排沙洞出口检修门底坎为例，施工示意见图7。

图7 6号排沙洞出口检修门底坎破损修复施工示意(单位：mm)

1)水下切割及凿除

用水下切割工具将原止水钢板损坏段切除，切割时，切割面应尽量保证平顺，以便与新止水钢板更好的焊接在一起。

2)开挖混凝土

潜水员采用液压锯对止水钢板原混凝土进行切割，然后用液压镐进行凿除。混凝土的开挖宽度上下游为35 cm，深度为10 cm，满足安装和浇筑要求即可。

3)钻孔植筋

综上所述，氨氯地平、硝苯地平对妊娠合并高血压均有良好的治疗效果，在治疗时需要根据患者的病情进行科学选择。

原工字钢两侧安装辅助钢板，钢板一侧与原工字钢进行焊接，另一侧打孔穿锚筋，通过焊接与锚筋固定。锚筋采用二级Φ20钢筋，间隔30 cm，钻孔底端应接近原工字钢下部钢板，入岩深度为25 cm。

4)辅助钢板安装

植筋完成后，将辅助钢板一侧与原工字钢进行焊接，锚固筋与辅助钢板焊接连接。

5)更换新止水钢板

经测量确认后，在陆地上按实际测量长度下料。新止水钢板沿中心打孔，孔径为 4 cm，间隔50 cm。

6)混凝土浇筑

止水钢板安装完成后，再次测量止水板安装公差，确认符合技术要求后，沿辅助钢板与开槽之间的空隙浇筑环氧混凝土，浇筑完成后根据水下混凝土特性要求进行养护。

4.2.4门槽立面主反轨缺陷修复方案

使用电氧割将变形脱焊不锈钢板、角钢割除。

2)凿除打磨

为保证新浇筑混凝土和原混凝土的结合强度，应使用高压水枪对原混凝土面进行凿毛清理，同时将门槽中的杂物清理干净。

3)破损尺寸测量

使用钢板尺、水平尺对破损部位进行测量。

4)钢结构水下恢复

本次修复作业为实现较好止水性能，修复精度的实现依赖水平、垂直方向校准辅助件的布置，尤其应注意关键受力部件的恢复顺序，原来混凝土的锚筋要和角铁进行焊接加固。门槽反轨竖向不锈钢板变形脱焊施工示意见图8所示。

图8 门槽反轨竖向不锈钢板变形脱焊施工示意

5)水下高强度环氧混凝土浇筑

在进行浇筑前，将浇筑仓面使用高压水进行再一次的清洗，破损面浇筑环氧混凝土。

6)拆除浇筑口混凝土和钢板

待立面浇筑混凝土达到足够的强度后，将模板进行拆除，拆除过程中不得破坏新浇筑混凝土结构，并对新浇筑混凝土进行水下检查和录像。

5 修复效果

如此规模的混凝土和闸门埋件水下修复是该工程投入运用以来的第一次，没有成熟的方案，也没有感性的经验。在修复过程中，对水下施工涉及的环氧浇筑、植筋锚固、水下焊接等工作，先进行抗压实验、拉拔试验和水下焊接质量检测，每一处缺陷制定修复工艺卡，施工时坚持视频旁站，确保施工质量。2020年6月17日顺利完成水毁工程修复，共修补混凝土缺陷509 m2，水下环氧混凝土用量27 t,完成6条排沙洞及3条排沙底孔进出口检修闸门底坎和主反轨修复。2020年汛期该电站再次经历大流量、高含沙运用，通过优化调度运用方式，抬高汛期运用库水位以及优化孔洞组合运用，汛后水下检查确认推移质通过排沙洞及排沙底孔的数量明显减少，复查汛前水毁修复缺陷质量较好。

6 结语

1)水下检查结果以及监测结果表明：推移质冲击是水下建筑物混凝土破坏主要因素之一，引水渠水流流态的不均匀性及泄洪过流过程中的高含沙水流磨蚀均会对水电站水下建筑物造成破坏。

2)针对排沙洞、排沙底孔进口检修门以上铺盖和出口检修门以下消力池混凝土底板缺陷、立面侧墙混凝土缺陷、门槽底板(底坎)缺陷、门槽立面主反轨缺陷，分别制定不同的修复方案，采用环氧砂浆和环氧混凝土进行不同部位水蚀破坏的修复，其方案设计具有应用效果较好、潜水员施工较为成熟，并可针对不同的缺陷部位灵活制定方案的特点。

3)考虑到电站水下建筑物的重要性，在日常的水下检查过程中，针对容易发生破坏的部位采取必要的预防措施，本工程案例可为水电站水下建筑物冲磨蚀破坏修复提供参考。