萬(wàn)家寨水利樞紐5號(hào)機(jī)組尾水中墩凍融破壞修復(fù)處理

侯爭(zhēng)光

（黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司，山西省偏關(guān)縣 036412）

1 工程概況

黃河萬(wàn)家寨水利樞紐位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內(nèi)，是中游規(guī)劃開(kāi)發(fā)的8個(gè)梯級(jí)中的第一個(gè)工程，也是山西省引黃入晉工程的龍頭工程。其左岸為山西省偏關(guān)縣，右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗。

樞紐的主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，同時(shí)兼有防洪、防凌作用。樞紐年供水量可達(dá)l4億m3，其中向內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗供水2.0億m3，向山西省供水12.0億m3。樞紐電站裝有6臺(tái)單機(jī)容量l80MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為l080MW，多年平均年發(fā)電量為27.5億kWh，年利用小時(shí)數(shù)2546h。

樞紐工程由攔河壩、泄水建筑物、壩后式電站廠房、GIS開(kāi)關(guān)站、引黃取水口等組成。攔河壩為半整體式混凝土直線重力壩，壩頂高程982.00m，壩頂長(zhǎng)度443m，最大壩高105m。水庫(kù)最高蓄水位980.00m，正常蓄水位977.00m。水庫(kù)采用“蓄清排渾”運(yùn)用方式，排沙期運(yùn)用水位952.00～957.00m。

萬(wàn)家寨樞紐尾水平臺(tái)寬18.45m，平臺(tái)高程同發(fā)電機(jī)層高程909.00m。尾水平臺(tái)設(shè)有一臺(tái)2×800kN尾水門機(jī)。尾水墩墻在平面上呈“山”字形布置，胸墻厚2.0～2.2m。尾水中墩分布在壩下0+112.20～壩下0+122.95，881.03～909.00m高程的位置。閘墩上設(shè)有機(jī)組尾水檢修門門槽，每臺(tái)機(jī)組尾水管由中墩分隔成2個(gè)出口，每個(gè)出口設(shè)置尾水閘門門槽一道。

2 存在問(wèn)題

萬(wàn)家寨水利樞紐運(yùn)行十多年來(lái)，由于受發(fā)電機(jī)組開(kāi)停機(jī)影響，尾水位變化頻繁，電站所處地區(qū)每年有長(zhǎng)達(dá)4～5個(gè)月左右溫度處于0℃以下，記錄最低氣溫為-31℃，導(dǎo)致尾水閘墩在水位變化區(qū)域凍融破壞比較嚴(yán)重。檢查5號(hào)機(jī)組尾水中墩凍融破壞高程范圍為896.80～901.00m，缺陷長(zhǎng)度3m，高度2m，最大深度可達(dá)15cm，混凝土剝離脫落嚴(yán)重，局部鋼筋外露。

3 破壞原因及現(xiàn)狀分析

3.1 混凝土凍融破壞原因

混凝土凍融破壞是高寒地區(qū)混凝土工程較常見(jiàn)的病害之一，是混凝土受到的物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）產(chǎn)生的損傷。引起混凝土凍融剝蝕的主要原因是混凝土空隙中的水，在干濕交替、凍融循環(huán)作用下，形成冰漲壓力和滲透壓力聯(lián)合作用的疲勞應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生由表及里的剝蝕破壞，從而降低混凝土強(qiáng)度。

當(dāng)經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴(kuò)大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐步降低，較后甚至完全喪失。從實(shí)際中不難看出，處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問(wèn)題，所以飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件之一，另一必要條件是外界氣溫正負(fù)變化，使混凝土孔隙中的水反復(fù)發(fā)生凍融循環(huán)，這兩個(gè)必要條件，決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開(kāi)始的層層剝蝕破壞[1]。

3.2 現(xiàn)狀分析

4 修復(fù)處理

4.1 修復(fù)方式確定

由于機(jī)組每日不定期配合電網(wǎng)調(diào)峰開(kāi)機(jī)引水發(fā)電，機(jī)組尾水水位隨機(jī)組過(guò)流變化較大，根據(jù)2013～2015年尾水水位水情數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，尾水水位變化區(qū)域處于897.09～902.58m，且機(jī)組全停，水位處于897.09m的時(shí)間很少，故決定采用水下和水上兩部分分開(kāi)施工，高程896.80～900.00m范圍屬于水下施工，高程900.00～901.00m范圍屬于水上施工[4]。

4.2 水下修復(fù)材料確定

鑒于尾水中邊墩高程891.29m以上部分原混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為R28200D250S8，要求本次修復(fù)混凝土標(biāo)號(hào)高于原設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)，考慮到尾水水位變化頻繁，普通混凝土不易施工等因素，水下施工部位決定澆筑UWB-Ⅱ水下不分散混凝土，并考慮到混凝土凍融頻繁，本次修復(fù)決定提高混凝土強(qiáng)度、抗凍等性能等級(jí)，確定混凝土標(biāo)號(hào)為C35F300W8[3]（見(jiàn)表1）。

表1 UWB-Ⅱ型水下不分散混凝土性能指標(biāo)Table1 UWB-II underwater non-dispersible concrete performance index

4.3 修復(fù)施工關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

4.3.1 老混凝土處理

凍融破壞部位周邊的混凝土很可能也受凍融影響而強(qiáng)度降低，為了處理徹底，增強(qiáng)處理效果，需用液壓鏈鋸垂直于閘墩面進(jìn)行切割。整個(gè)破壞區(qū)域采用液壓鎬鑿除，要求露出新鮮、密實(shí)的混凝土面。

4.3.2 閘墩表面弧形模板制作

支立模板恢復(fù)到原混凝土設(shè)計(jì)面，本工程閘墩表面存在弧形面，制作要求精度高，支立模板需分層支立固定。

閘墩混凝土澆筑后可對(duì)模板保留一段時(shí)間后進(jìn)行拆除，鋼模板不但能最大程度地加強(qiáng)水下不分散混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也能提高混凝土的抗凍融性能。同時(shí)鋼模板的保留，避免了混凝土在機(jī)組開(kāi)啟時(shí)的急流狀態(tài)下被沖刷，也免去了水下不分散混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水下拆模時(shí)間，從而進(jìn)一步提高了施工效率（見(jiàn)表2）。

我把自己調(diào)整到最佳狀態(tài)，忘情地讀著，希望用自己的聲音和情感去感染同學(xué)們，讓大家走進(jìn)文章所描繪的意境，嗅聞那青草的芳香，呼吸那甘甜的空氣，諦聽(tīng)那嗒嗒的馬蹄聲……

4.3.3 做好配合比試驗(yàn)，保證混凝土抗凍性能達(dá)標(biāo)

UWB-Ⅱ水下不分散混凝土應(yīng)根據(jù)標(biāo)號(hào)、性能要求、現(xiàn)場(chǎng)溫度、初凝時(shí)間要求等，做配合比試驗(yàn)，確定配合比，配置時(shí)必須嚴(yán)格按此配合比配置，確保混凝土抗凍等級(jí)達(dá)到F300。

4.4 修復(fù)工藝

4.4.1 切邊鑿除砼

凍融破壞部位周邊的混凝土很可能也受凍融影響而強(qiáng)度降低，為了處理徹底，增強(qiáng)處理效果，在破壞邊緣線外擴(kuò)10cm位置劃出切割邊線，用液壓鏈鋸垂直于閘墩面切割邊線，切割深度10cm，切割邊線必須封閉，齊整。切割邊緣上下高程為897.10m和900.50m，左右至兩期混凝土交接處。

4.4.2 鑿毛

整個(gè)破壞區(qū)域，采用液壓鎬鑿毛，鑿除表層10～20cm松動(dòng)的混凝土，要求露出新鮮、密實(shí)的混凝土面，如鑿除后混凝土質(zhì)量依然較差，則繼續(xù)鑿除，須鑿至堅(jiān)實(shí)的混凝土為止。

表2 UWB-II水下不分散混凝土配比單Table 2 UWB-II underwater non-dispersive concrete proportioning list設(shè)計(jì)等級(jí)：C35F300

4.4.3 鉆孔、植錨筋

鑿除后用高壓水沖洗清理鑿除面，垂直于混凝土面鉆設(shè)橫縱間距50cm，深度30cm，直徑22mm錨筋孔，并用高壓水清除孔內(nèi)屑渣。再向錨孔內(nèi)注入環(huán)氧錨固劑，植入長(zhǎng)度為45cm的φ16錨筋，錨固劑須飽滿，保證錨筋插入后，錨固劑能夠填滿錨筋和錨孔之間的環(huán)形空間，確保錨固強(qiáng)度。

4.4.4 布設(shè)鋼筋網(wǎng)、倉(cāng)面清洗

在施工平臺(tái)上支立φ12@150雙向鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)外部預(yù)留5cm厚混凝土保護(hù)層，鋼筋網(wǎng)與錨筋之間用焊接的方式連接，鋼筋網(wǎng)固定好之后，澆筑混凝土之前，用高壓水對(duì)倉(cāng)面進(jìn)行徹底沖洗。

4.4.5 支立模板

模板采用3mm厚鋼板，尺寸為4m×1.8m，3塊模板支立而成，分層支立固定，支立過(guò)程使用5t手拉葫蘆將模板臨時(shí)固定和定型，之后采用M16膨脹螺栓（四周部位）固定，植入膨脹螺栓區(qū)域的混凝土堅(jiān)實(shí)，能保證模板的固定。

4.4.6 混凝土澆筑

水下修復(fù)部位澆筑UWB-Ⅱ水下不分散混凝土，混凝土標(biāo)號(hào)C35F300W8。現(xiàn)場(chǎng)澆筑時(shí)為保證混凝土澆筑質(zhì)量和人員工作不受開(kāi)機(jī)水流影響，澆筑時(shí)選擇在機(jī)組全停的時(shí)候進(jìn)行，最低水位高程897.30m，此時(shí)水下部分約20cm。直接使用料斗將混凝土灌注進(jìn)模板內(nèi)的方式澆筑，澆筑過(guò)程對(duì)模板進(jìn)行適當(dāng)?shù)那脫簦ＷC混凝土中的大氣泡逸出，混凝土密實(shí)。

4.4.7 拆模及驗(yàn)收

待混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa以上，混凝土澆筑完畢60h后，對(duì)模板進(jìn)行水下拆除，拆模后進(jìn)行水下錄像，檢查混凝土澆筑效果。模板拆除后將膨脹螺栓和錨筋切除，切除的螺栓和錨筋部位應(yīng)與新澆混凝土面齊平，之后以其為中心向四周擴(kuò)出10cm范圍內(nèi)涂刷HSL-301無(wú)溶劑水下環(huán)氧防腐涂料，并以切割邊線為中心，在其兩側(cè)各20cm范圍內(nèi)也涂刷環(huán)氧涂料[5]（見(jiàn)表3）。

表3 HSL-301無(wú)溶劑水下環(huán)氧防腐涂料特性表Table 3 HSL-301 solvent-free underwater epoxy anticorrosive coating characteristics table

5 結(jié)束語(yǔ)

萬(wàn)家寨水利樞紐5號(hào)機(jī)組尾水中墩混凝土缺凍融破壞陷處理為后續(xù)其他尾水支墩的缺陷處理提供了可靠的修復(fù)標(biāo)本，為大壩后期維護(hù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，水下高標(biāo)號(hào)不分散混凝土的澆筑修復(fù)施工，極大地提高了修復(fù)效率，保證了閘墩的可靠度和耐久性，為大壩長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行等發(fā)揮了重要的作用。5號(hào)機(jī)組尾水中墩于2016年11月修復(fù)完成，運(yùn)行至今，經(jīng)歷兩個(gè)冬季，檢查閘墩修復(fù)部位混凝土無(wú)裂縫、脫落等現(xiàn)象，效果良好。2017年相繼修復(fù)了5號(hào)機(jī)組尾水邊墩，4號(hào)、6號(hào)機(jī)組尾水全部閘墩，計(jì)劃2019年對(duì)1～3號(hào)機(jī)組尾水閘墩進(jìn)行修復(fù)處理。