“635”水利枢纽黄钾铁矾蚀变带衬砌混凝土防腐处理探讨

陆云才

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

黄钾铁矾蚀变带会产生酸性侵蚀、硫酸盐侵蚀、镁盐侵蚀、氯盐侵蚀。“635”水利枢纽左坝肩附近的副坝基岩和发电洞竖井围岩，岩性均为石炭系的石英片岩，节理裂隙比较发育。左副坝分布有黄铁矿脉(FeS2)风化形成的黄钾铁矾蚀变带Rm1、Rm2、Rm3。发电洞竖井混凝土受透过黄钾铁钒蚀变矿脉的裂隙水侵蚀造成局部混凝土在短短6个月内产生了严重破坏，如图1—3所示。这在国内水工建筑物中极为罕见[1]，腐蚀点位于黄钾铁矾蚀变带和断层破碎带附近，被腐蚀的混凝土内有明显的孔隙和孔洞，有棕红色腐蚀液侵入，钢筋表面锈蚀，骨料表面有黄色斑点。混凝土变酥，呈泥湖状，混凝土已无水泥胶结料，骨料间充填着棕红色泥湖状腐蚀物，腐蚀严重部位混凝土已成为柔软稀烂的砂石料与棕色泥状物的混合物。在恶劣的侵蚀源作用下，混凝土防腐处理具有较高难度和复杂性。为了解决好这一特殊工程问题，确保工程运行安全性，通过研究，从防腐工程设计、防腐材料选择与试验方案设计、竖井外壁围岩控制爆破开挖、防腐处理技术及施工工艺等多方面成功地解决了这一技术难题，并在防腐材料选择、围岩爆破方法上得到了创新。作为成功的范例，研究成果能为类似地下工程混凝土衬砌结构的混凝土腐蚀防治提供技术支持。

图1 左岸坝肩及发电洞竖井黄钾铁矾蚀变带分布图

图2 开挖后揭示出的蚀变带

图3 竖井混凝土腐蚀现状图

1 防腐工程的方案设计

工程兴建前在探明地质条件后，若发现环境条件对建筑物有侵蚀可能，一则能避则避，二则事先采取必要的防侵蚀措施，包括阻断侵蚀源，采用防腐侵蚀材料浇筑构筑物等。而“635”水利枢纽发电洞竖井的防腐处理是一个已浇筑完成的竖井混凝土，并且竖井本身不耐侵蚀，大部分混凝土完好，腐蚀仅发生在局部几处，且腐蚀源在竖井混凝土的背面。因此防腐方案的设计难度高且复杂。

方案设计时根据上述情况考虑以下几点：一是可靠性。即处理后要能根治侵蚀源，使竖井运行无后顾之忧；二是经济性。即处理方案要尽量节省资金；三是时间性。竖井防腐处理直接影响到整个“635”水利枢纽的投入使用，防腐处理方案实施要在尽可能短的时间内完成[2]；以上情况在国内水电建设史上从未出现过的，方案的确定风险性极大。

本项目设计了多种防腐处理方案，综合比较每种方案的优劣，经过充分反复论证，研究提出“堵、隔、抗、排”等4种防腐措施相结合综合防腐设计方案，以达到“除害务尽、标本兼治”的目的[3]。在国内外水利建设中未曾采用过，具有独创性和新颖性。一堵：对上游围岩进行固结帷幕灌浆，阻断基岩裂隙水及侵蚀源；二隔：表面挖除黄铁矿脉，用防腐蚀材料隔绝，并涂抹防腐材料炳乳砂浆，基岩内灌注改性聚氨酯浆液封堵，使建筑物与侵蚀性环境介质隔离；三抗：采用高性能混凝土，并用抗侵蚀水泥胶凝材料伴和，提高混凝土密实度，增强抗渗透侵入破坏的能力，减少水泥的水化产物，抑制腐蚀破的内因条件；四排：加强发电洞竖井和水平段排水，并在运行中对水质进行检测。

具体防腐方案设计时考虑了是否拆除现有混凝土，以及拆除部分如何设置防腐屏障、处理方案的防腐效果、经济性、工程量、施工难易程度及工期等因素。先后设计了多种方案，经比较，最后确定防腐处理方案：首先在竖井底部开孔，进行水平环向开挖，形成环向通道后，再由下向上采用控制爆破，在竖井混凝土外围形成操作空间后再在岩石上采取堵漏做防腐层，而后再浇筑高性能混凝土以充填空腔[4]。整个防腐处理施工分4个阶段进行，开挖一段修复一段，这样不至于对原竖井混凝土造成影响。

上述方案防腐效果可靠，将腐蚀源阻断在竖井以外。与拆除方案相比造价较低，施工工期较短。经过多年运行考验，竖井丝毫无损，竖井防腐处理是成功的。针对该工程所设计的防腐处理方案科学合理，技术上为国内首创。

2 防腐材料选择与试验方案设计

2.1 外防腐材料的选择

外防腐材料既要有良好的防渗防腐性能，又要能满足潮湿条件下的施工[4]。首先是堵漏材料，在开挖成环形洞后的围岩上进行化学灌浆堵漏，选择了耐化学侵蚀的PU4改性聚氨酯灌浆料；其次对于外防腐的主材要考虑能耐酸性腐蚀、硫酸盐侵蚀和镁盐侵蚀的多重作用。根据GB 50064—2014《工业建筑防腐设计规范》所列常用材料的耐腐蚀性能以及南京水科院的研究成果，丙烯酸酯共聚乳液水泥砂浆(简称丙乳砂浆)符合耐腐蚀要求，同时又能在潮湿基面上施工。为此进行了丙乳砂浆与常用的氯丁乳胶砂浆、PCC-84砂浆的侵蚀对比试验以得出实际依据。但由于防腐处理施工要尽快进行，需要短时间内选择出合适的材料，因此试验设计考虑了与竖井侵蚀介质相对应的标准侵蚀溶液试验，同时用加重侵蚀溶液进行加速腐蚀试验，达到缩短试验周期，尽快得出试验结果的目的，在竖井防腐处理后有同步试验依据予以跟踪。经过试验研究，最终采用丙乳砂浆作为外防腐材料的主材。对围岩上进行堵漏并涂抹丙乳砂浆后，为加强防腐效果，采用了耐强化学侵蚀的PU3耐磨防腐涂料在丙乳砂浆上进行涂刷。外防腐材料选择从国家规范着手，选择最优材料。混凝土试验上既参照原有试验基础，又有不同对比试验依据和同步跟踪试验，外防腐材料的选择先进，试验方案设计科学合理。

2.2 内防腐材料的选择

竖井外围已开挖成环形洞，在原竖井混凝土与防腐处理后的围岩间，必须填充合适的防腐材料既要满足结构力学性能要求，又要承受运行后的内水压力，须具有较好的防渗性和抗侵蚀性。开挖后的空腔具有一定体积，采用有机材料成本较高，围岩上已经形成了聚合物砂浆和涂料的防腐屏障，故采用了无机材料。根据防腐材料的特点，分别选择高抗硫酸盐水泥混凝土、高抗硫酸盐水泥硅灰矿渣微粉混凝土、高抗硫酸盐水泥硅灰粉煤灰混凝土、高性能混凝土进行耐腐蚀试验，设计了标准溶液侵蚀和加重侵蚀溶液的加速腐蚀试验，筛选出高抗硫酸盐水泥矿渣微粉高性能混凝土作为内防腐材料。

3 竖井外壁围岩控制爆破开挖

发电洞竖井防腐处理方案，竖井外壁围岩开挖是防腐工程的难点之一。在竖井外壁围岩爆破开挖时，既要开凿出较为规则的断面，又要确保竖井混凝土的质量[5]和新浇高性能混凝土质量不受影响，沿着混凝土外壁开挖，施工场地狭小，增大了爆破开挖的难度，在这样的条件下进行控制爆破石方开挖，在水利工程中前所未有。项目通过试验确定爆破参数，控制质点振动速度，采取相应的监控措施，使得“635”水利枢纽发电洞竖井外壁围岩在不影响衬砌混凝土质量的前提下成功挖除，不仅为水工建筑物缺陷处理提供了一个可以借鉴的成功实例，而且开创了控制爆破应用的新领域。

3.1 结合实际，科学分析，大胆创新

“635”水利枢纽发电洞竖井混凝土侵蚀破坏，其腐蚀破坏的程度，侵蚀性介质的多样性以及破坏机理的复杂性都是以往水利工程建设中未遇到的，通过多方案分析比较，防腐处理方案采取保留原井壁混凝土，沿竖井外壁围岩分4段开凿1m宽的环形天井，并在岩石面涂抹了3～4cm厚的丙乳砂浆堵漏防腐层和PU3防腐涂料[5]。环形天井用高性能混凝土回填。在竖井混凝土外壁围岩开挖这一难题上，结合工程实际、现场试验、科学分析，提出了适用于本工程的控制爆破的控制指标，为“635”水利枢纽发电洞竖井混凝土防腐工程顺利进行打下良好基础。

3.2 确定爆破参数，保证新老混凝土质量

通过爆破试验确定爆破参数，严格控制质点振动速度，根据工程特点，提出了更严格，更符合实际的爆破控制指标，保证了新老混凝土的质量，同时通过爆破前后混凝土井壁外观质量描述对比分析和混凝土井壁波速率化率的对比分析，对爆破方案和爆破效果进行了科学评价[5]。

3.3 合理的施工方案，保证工程顺利进行

竖井段围岩开挖从591m至618m高程，高27m，考虑到发电洞竖井各段设伸缩缝结构以及控制爆破开挖对整个竖井结构稳定的安全要求，采取开挖一段，防腐处理一段的方案，自下而上分四段进行[5]。在围岩开挖中成功地运用了有色采矿中广泛应用的“留矿采矿法”，使工程顺利进行。

发电洞竖井四阶段开挖防腐处理剖面图及现场爆破试验如图4所示，开挖成形的竖井围岩环形天井如图5所示。

图4 发电洞竖井四阶段开挖防腐处理剖面图及现场爆破试验图

图5 开挖成形的竖井围岩环形天井

4 防腐处理技术及施工工艺

(1)通过试验，选择了能抵御综合强腐蚀介质的耐蚀材料。如丙乳砂浆、HLC—VⅡ防水堵漏剂、PU4改性聚氨酯灌浆料、PU3耐磨防腐涂料、高性能防腐混凝土等，包含有机材料、无机材料、还有有机与无机复合材料。

(2)根据材料特性及防腐处理方案，将每种材料合理使用，筑成了多道防腐屏障。如在围岩上用HLC—VⅡ堵漏剂及PU4灌浆料堵漏，堵漏后抹丙乳砂浆，在丙乳砂浆上刷涂PU3耐磨防腐涂料，再浇筑高性能混凝土填充环形空腔等，这样防腐处理后的竖井混凝土可以做到与腐蚀源隔绝，做到万无一失。“635”水利枢纽发电洞竖井混凝土防腐处理没有现成的范例可以借鉴，其处理方法是综合多种防腐材料的性能并科学、合理地运用，从而形成一道道防腐屏障，具有技术上的独创性。

(3)“635”水利枢纽发电洞竖井混凝土防腐有其特殊性，所采用的防腐材料均为特种材料，而其使用方法及场合与以往均有所不同。如通常防水堵漏只是在混凝土基面上进行，而竖井防腐要求将腐蚀水源堵住，操作的基面是围岩。围岩裂隙多、软硬不一，难以形成封闭的灌浆系统，这里堵住裂隙水，又从其它地方冒出，难度较大，以至整个防腐施工堵漏就有上千处。对于水源丰富区没能完全根治的漏水采用预先在表面布管，用防渗薄膜与后浇的填充混凝土隔离，在浇筑完填充高性能防腐混凝土后，再二次化灌PU4改性聚氨酯进行堵漏加强处理[4]。这些操作在竖井防腐处理上的成功实践积累了很多宝贵经验。丙乳砂浆通常应用在混凝土结构的防渗防腐中，基面是混凝土。在岩石上进行抹丙乳砂浆存在凸凹不平，受松动的岩石影响等因素，在施工过程中从基面处理开始，抹砂浆，砂浆间结合面处理，养护等都需要非常细致，做到无脱空、无裂缝出现，开辟了丙乳砂浆使用的新领域及施工的新方法。

(4)填充环形空腔所用的高性能防腐混凝土，采用高掺量(40%)磨细矿渣粉及高抗硫酸盐水泥配制，不仅在强度上满足竖井结构的要求，而且防腐蚀性能大大提高[7-11]。在狭窄的环形洞内进行泵送混凝土施工，克服了泵送距离远，不易振捣密实，操作条件差等不利因素，使浇筑的混凝土性能远远超出设计指标，加大了防腐效果。

(5)在整个防腐处理施工过程中，从第二阶段开始，气候转入负温，为保证施工进度，满足防腐材料施工要求，确保施工质量，采用了冬季施工措施，搭暖棚加热，提高施工环境温度，在-20～-40℃的外界环境温度下，始终保持施工环境温度在10℃以上。

5 结语

“635”水利枢纽发电洞竖井混凝土出现的腐蚀情况是罕见的，防腐处理无先例可循。本项目采用有效防腐材料将竖井混凝土与侵蚀介质隔离开来，同时在防腐的材料实验及选择、方案设计，爆破控制及施工工艺上创新使用了多项关键技术，圆满地解决了黄钾铁矾蚀变带衬砌混凝土防腐问题。为黄钾铁矾蚀变带的衬砌及其它水工建筑物的防腐处理积累了大量经验，作为典型范例为类似工程的处理提供借鉴，意义显著。可在此基础上建立黄钾铁矾蚀变带侵蚀环境因素与衬砌混凝土劣化速率的对应量化关系，对衬砌混凝土结构的寿命评估提供有力的支撑。