二灘水電站表孔裂縫成因分析與處理

楊 銀 輝， 閔 四 海

(二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

1 概 述

二灘水電站位于四川省西南部攀枝花市境內(nèi)的雅礱江下游，距雅礱江與金沙江的交匯口33 km，是我國20世紀建成的最大的以發(fā)電為主的水力發(fā)電樞紐工程，也是我國利用國際招標機制和世界銀行貸款建設的第一座巨型水電站。二灘大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高240 m，壩頂高程1 205 m，壩頂全長774.69 m，壩頂寬11 m，壩底最大寬度55.7 m，為我國20世紀建成竣工的第一高拱壩。壩體設7個泄洪表孔、6個泄洪中孔和4個底孔。

二灘拱壩表孔布置在拱壩中央，孔口沿拱壩中心線對稱布置，主要由閘墩、溢流壩、大梁(上部拱壩基本體型斷面)三部分組成。表孔堰頂高程1 188.5 m，堰上正常水頭11.5 m,每孔寬度11 m，溢流前緣總寬143 m。溢流堰面為WES曲線型，定型設計水頭11.5 m。閘墩頭部為流線型，閘墩最寬處大于11.0 m，尾部寬度2 m。液壓啟閉機油缸支座設在閘墩上，閘門支鉸設在大梁上。表孔末端出口采用自由跌落大差動跌坎加分流齒坎的新型消能工。在中間五孔跌坎上采用兩個分流齒坎并靠出口閘墩兩側(cè)布置，單號孔跌坎俯角為30°，分流齒坎高3.5m；雙號孔跌坎俯角為20°，分流齒坎高4.5 m。在兩個邊孔因靠岸一側(cè)不擴散，各加設一個靠邊墩的分流齒坎，齒高3.5 m。以上各分流齒的挑角均為20°。每個齒側(cè)設置兩個直徑0.3 m的通氣孔，并與齒坎下游兩個直徑0.3 m的通氣孔相連通。[1]

圖2 表孔溢洪道平面布置圖

2 裂縫的成因

2.1 閘墩裂縫

表孔大梁上部是公路，大梁經(jīng)受人行、車輛等荷載的作用，同時大梁也是壩體的一部分，受到壩體整體應力分布的影響。表孔閘門為主橫梁直支臂露頂式弧形閘門，閘門尺寸11 m×13 m(寬×高)，設計水頭12 m，總水壓力8 583 kN，閘門由2×1 000 kN液壓啟閉機操作，液壓缸支承在兩側(cè)閘墩上，閘門支鉸設在大梁上。由于弧門支鉸埋設在大梁上，大梁上還作用了弧門推力，閘墩和大梁之間也相互作用，因此，大梁的受力相當復雜，受到彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切作用。大梁與閘墩結(jié)合處有較大的應力集中。根據(jù)跟蹤檢查，已發(fā)現(xiàn)各孔導墻上的裂縫基本都集中在閘門支鉸和液壓缸支承的部位，所有裂縫均有不同程度的析出物沉積，沉積物的主要成份為CaO-CaCO3類。

液壓桿支承點附近應力復雜，鋼筋布置密集，設計時只考慮鋼筋受力，沒有考慮混凝土受力，因表孔開啟頻繁而導致產(chǎn)生裂縫。該處混凝土系后期澆筑，密實度較差，混凝土開裂后，雨水和潮氣將侵入混凝土內(nèi)，影響鋼筋的強度和耐久性，液壓缸支承點附近存在的裂縫不會對結(jié)構(gòu)造成不利影響。

2.2 溢流面裂縫

表孔在平面上呈圓弧形布置，堰頂處平面半徑為370 m。單孔尺寸11.0 m×11.5 m(寬×高)，堰頂高程1 188.50 m，為開敞式泄洪表孔，表孔溢流前緣總寬143 m。溢流堰面為WES曲線型，設計水頭11.5 m。經(jīng)檢查，溢流面上裂縫主要集中在中部，大部分為表層裂縫，裂縫深度較淺。部分裂縫析出物在泄洪時已被沖走，因裂縫均析出物沉積較少，沉積物的主要成份為CaO-CaCO3類。溢流面混凝土產(chǎn)生裂縫，主要是由于長時間的運行，加上溫度變化、干濕變化等原因造成混凝土開裂。

3 處理方法及材料選擇

目前裂縫處理多采用化學灌漿，裂縫化學灌漿常用方法主要有：無損貼嘴法、鉆孔灌漿法、鉆孔加貼嘴法。考慮到表孔裂縫析出物較多，采用無損貼嘴法灌漿效果可能比較差，因此決定采用鉆孔灌漿。化學灌漿的材料主要有聚氨酯灌漿材料、環(huán)氧樹脂灌漿材料、丙烯酸鹽灌漿材料、水玻璃灌漿材料、以及其他如硫木質(zhì)素灌漿材料等。考慮到聚氨酯材料在存放和配置過程中不得與水接觸，丙烯酸鹽材料主要用于固結(jié)灌漿和防滲過程，水玻璃材料主要用于防滲堵漏，硫木質(zhì)素灌漿材料主要用于基礎防滲堵漏處理。[2]因此，綜合考慮和對比，采用環(huán)氧樹脂灌漿材料對表孔裂縫進行處理。

新型低黏度環(huán)氧灌漿材料就綜合了環(huán)氧樹脂漿材的高強度、高粘接力和聚氨酯槳材的良好韌性等優(yōu)點，具有較高的抗拉、抗壓、粘結(jié)和變形性能。[3]漿材能夠適用于干燥裂縫，也能夠適用于潮濕裂縫，該化灌材料黏度低，可灌性好，能夠灌入0.1～0.2 mm的細微裂縫，已經(jīng)在多個國內(nèi)電站混凝土裂縫修復工程中得到成功應用。經(jīng)多方比較，采用新型低黏度NE-Ⅳ環(huán)氧灌漿材料。低黏度化學灌漿材料的主要技術(shù)指標，見表1。

表1 低黏度環(huán)氧灌漿材料主要技術(shù)指標

4 處理工藝及流程

4.1 縫口打磨

沿裂縫走向用砂輪將結(jié)構(gòu)表面打磨平整，打磨寬度為裂縫兩側(cè)各8 cm，打磨長度應磨至裂縫端部后再延長20 cm。確保無浮塵、水泥漿薄弱層、污垢及其它雜物等。

4.2 鉆孔

根據(jù)裂縫檢查情況，鉆孔工具采用小型電錘鉆，孔徑比灌漿嘴略大。在裂縫的交叉處、較寬處、端部或經(jīng)拓寬處理的縫口部位，鉆騎縫孔或斜孔；當縫寬大于1 mm時采用騎縫孔，小于1 mm時采用斜孔，斜孔傾角45°～60°，孔斜誤差不大于2°。鉆孔直徑12 mm左右，深度為10 cm～30 cm，間距為30 cm～50 cm,深淺孔間隔布置。在孔口埋設灌漿嘴，每條裂縫都必須至少有一個出氣孔和一個進漿孔，鉆孔時必須保證孔向準確。鉆孔過程中可以通過壓水或壓風檢查鉆孔是否已穿過裂縫縫面。

4.3 裂縫清洗

鉆孔完畢，將沖洗槍頭插入孔底采用高壓水和無油高壓風輪換沖洗，吹凈孔內(nèi)粉屑。

4.4 灌漿嘴埋設及縫口封閉

用高壓風將孔內(nèi)灰渣清理干凈后，埋設專用灌漿嘴。將專用灌漿嘴埋入孔內(nèi)，外露長度為7～8 cm，使用專用扳手將灌漿嘴下部的密封膠圈壓緊并固定牢固。采用環(huán)氧膠泥封縫，確保裂縫完全封閉和保護。

4.5 壓水壓風檢查

逐孔進行水、風輪換沖洗，查明管道暢通、縫面外漏情況。若有外漏的灌漿孔，及時將封面摸環(huán)氧膠泥處理。灌漿前用高壓風吹盡孔縫內(nèi)的積水，確保縫內(nèi)干凈。

4.6 灌 漿

灌漿前，將灌漿孔全部打開，用壓縮空氣盡量將孔內(nèi)、縫內(nèi)的積水盡量吹擠干凈，并爭取達到無水狀態(tài)。采用電動灌漿泵向裂縫內(nèi)灌注環(huán)氧漿材，灌漿壓力一般控制在0.3～0.5 MPa；灌漿順序為從下至上，從深至淺。當進漿順利時應降低灌漿壓力；當鄰孔出現(xiàn)純漿后，暫停壓漿；將注漿嘴移至鄰孔繼續(xù)灌漿，在規(guī)定的壓力下灌漿，直達到灌漿結(jié)束。但在實際操作過程中，施工人員發(fā)現(xiàn)0.3 MPa左右，進漿量較小，后來，將壓力調(diào)節(jié)到1～2 MPa之間，灌注效果良好。一般在設計壓力下，當漿液注入量q≤0.005 L/min 時持續(xù)10 min灌漿即可結(jié)束。從實際灌漿情況分析：閘門支鉸周圍的部位灌注量較多，平均在3～5L左右，比溢流面裂縫的灌注量高出將近10倍。

4.7 表面處理

灌漿完成后，割除外露灌漿嘴(割除部位在結(jié)構(gòu)表面以下1 cm)，灌漿嘴管口涂抹環(huán)氧膠泥封閉，然后將結(jié)構(gòu)表面打磨平整，以滿足相應部位結(jié)構(gòu)平整度要求，同時在表面涂刷一層環(huán)氧涂層，以降低表面糙率。

4.8 灌漿效果檢查

在灌漿完成28天后進行檢查。灌漿效果檢查采用鉆孔取芯和壓水試驗的方法進行，鉆孔孔徑采用φ91 mm。對芯樣進行外觀檢查，確認裂縫是否已灌填密實；壓水孔可結(jié)合取芯孔進行，壓水檢查壓力0.2 MPa,合格標準為：透水率不大于0.1 Lu。現(xiàn)場抽檢環(huán)氧灌漿材料抗壓試件1組(3個)，28天抗壓強度最大值為64.6 MPa，最小值為61.3 MPa，平均值為62.9 MPa。抗拉試件1組(6個)，28天抗拉強度最大值為12.7 MPa，最小值為11.0 MPa，平均值為11.7 MPa。環(huán)氧砂漿抗拉試件1組(3個)，28天抗壓強度平均值為93.1 MPa。現(xiàn)場壓水試驗檢測域隨機抽樣共3個測點，經(jīng)檢測裂縫透水率最大值為0.6 ml/min，最小值為0.35 ml/min，平均值為0.45 ml/min，施工質(zhì)量良好。取芯檢測現(xiàn)場隨機抽樣3個測點，經(jīng)檢測環(huán)氧樹脂化學灌漿注漿飽滿率平均值為98.9%。

二灘水電站表孔雷鋒環(huán)氧灌漿項目于2010年4月下旬完成，共計完成裂縫灌漿工程量719.94 m。2014年上半年汛前檢查，經(jīng)過4個汛期的運行，表孔閘墩裂縫處理部位完好。

5 結(jié) 語

表孔閘門液壓桿支承點等應力復雜、鋼筋布置密集等區(qū)域大體積混凝土若出現(xiàn)裂縫，應重點關(guān)注，及早處理。分期澆筑混凝土之間密實度較差，一般容易產(chǎn)生裂縫，雨水和潮氣將侵入后會影響鋼筋的強度和耐久性。

新型低黏度環(huán)氧灌漿材料就綜合了環(huán)氧樹脂漿材的高強度、高粘接力和聚氨酯槳材的良好韌性等優(yōu)點，具有較高的抗拉、抗壓、粘結(jié)和變形性能，關(guān)鍵在于可灌性好，能夠灌入0.1～0.2 mm的細微裂縫，提高了裂縫封閉、補強加固的可靠性。

關(guān)于灌漿壓力的控制，筆者參考國內(nèi)眾多施工建議，灌漿壓力一般控制在0.3～0.5 MPa。但裂縫有不同程度的析出物沉積時，一般需要將灌漿初始壓力提高到1～2 MPa，方能保證灌漿飽滿。

表孔溢流面等過水部位裂縫處理后，應將結(jié)構(gòu)表面打磨平整，同時在表面涂刷一層環(huán)氧涂層，以降低表面糙率。

參考文獻：

[1] 中國水利水電出版社；《二灘水電站工程總結(jié)》2005年

[2] 《水工建筑物化學灌漿施工規(guī)范》(DL/T 5406-2010)

[3] 《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》(JC/T 1041-2007)