山區多泥沙河流水電站閘室及護坦修復處理技術研究

王瑞瑤，劉彥琦

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

我國的水能資源主要分布在西部和中南部地區，西南地區區域內河流眾多，河道坡陡流急，泥沙問題十分突出，尤其是水流中石塊來量豐富，粒徑級配分布寬，對水電工程充磨破壞更為嚴重。由于懸移質和推移質含量大，水流速度高，泄水建筑物的沖磨和空蝕問題已經成為山區多泥沙河流水電站運行中的主要病害之一。如何正確認識懸移質和推移質磨損的特點，制定正確的防沖抗磨設計原則，選擇經濟適用的耐磨材料，較好地解決水工建筑物的防沖抗磨問題，是水工設計的一個重要課題。本文以某水閘為例，分析了過流建筑物發生破壞的原因，介紹了山區多泥沙河流閘室及護坦修復設計的經驗。

1 工程概況

某水閘所在河段平均坡降為19.6‰。河流泥沙含量大，推移質活動劇烈。根據工程水文站實測懸移質顆粒級配資料，計算得平均懸移質顆粒級配，其最大粒徑3 mm，中數粒徑0.062 mm，粒徑大于0.1 mm的沙重占34.3%，粒徑大于0.25 mm的沙重占20.3%，懸移質泥沙中硬礦物含量占總重量的53.4%。根據工程河段床沙取樣分析成果，其該河段床沙最大粒徑為340 mm，中數粒徑125mm。經推算得壩址河段的推移質年平均輸沙量為3.7～5.8 萬t。

本工程最大擋水高度為19 m。首部樞紐建筑物由混凝土重力壩、沖沙泄洪閘、取水樞紐、攔沙坎等組成。沖沙閘為平底閘，閘后接坡比為1:10的護坦，護坦長48 m，寬31.52 m，護坦上有分水導墻和閘墩。護坦底板厚度為1.0 m，其中面層為抗沖耐磨混凝土，混凝土強度等級C30HF，厚50 cm，底層混凝土強度等級為C20，厚50 cm，底板上層鋼筋布置于抗沖磨混凝土頂面，混凝土保護層厚度為10 cm。

2 閘室及護坦底板現狀及成因分析

2.1 閘室及護坦現狀

某水閘已運行12年，運行整體平穩，狀態良好。然而，工程經過多年投產運行，泄洪時水流裹挾著泥沙，尤其是其中的推移質對泄洪建筑物產生沖蝕、磨損和沖刷等不同程度的破壞。某年汛期過后，清理過水及泄水建筑物內淤積泥沙時，發現閘室底板及護坦存在不同程度的破損情況。閘室工作門槽下游平段底板出現大面積淘刷，但鋼筋未出露。護坦段底板頂面部分混凝土被沖蝕，沖刷面積為662 m2，占護坦總面積的65%，破損處平均深度為0.3～0.5 m不等，并伴隨有骨料出露、鋼筋裸露的現象，部分鋼筋被水流沖斷后向下游方向彎折。沖沙閘閘室底板及消力池、護坦破壞情況見圖1～2。

2.2 成因分析

(1)推移質的沖撞、磨損等綜合作用，造成護坦底板的破壞。工程所在河流屬山區性河流，河谷狹窄，河床坡降大，工程所在河段平均坡降為19.6‰。流域內植被稀少，巖石風化嚴重，汛期在降雨作用下，大量的推移質泥沙進入河道，其粒徑一般為0.1～0.3 m。由于河道坡降大，推移質在水流中大多以滾動或跳躍運動的方式前進，在這些推移質的沖撞、磨損等綜合作用下，造成泄水建筑物產生較大的破壞。當沖蝕發生時，局部較薄弱的混凝土首先發生破壞產生麻面，然后逐漸發展為沖坑，當水流沖刷時間較長后，沖坑面積及深度增大，致使鋼筋裸露甚至折斷。

圖1 沖沙閘閘室底板現狀

圖2 護坦鋼筋出露、折斷

(2)閘門小開度運行對消力池底板沖刷不利。沖沙泄洪閘是首部樞紐中主要的過水過沙建筑物，沖砂閘為平板閘門，閘門局部開啟高度大多在0.5～4.0 m之間，閘門小開度運行束窄了過水斷面，使得挾沙水流的流速增大，增加了推移質泥沙對消力池及護坦底板的磨損。

(3)閘室、護坦底板抗沖層混凝土與基礎混凝土施工上可能存在缺陷，存在層間結合不好的問題。

3 閘室及護坦底板修復方案設計

3.1 閘室工作門槽下游平段底板修復

(1)為保證修復材料與老混凝土黏結牢固，將閘室工作門槽下游平段底板部位的混凝土表面進行鑿毛清理(最小厚度保證在2～3 cm)，出露新鮮混凝土基面，確保基礎面干凈、無沙粒、粉塵、油污等雜質。

(2)待混凝土基面干燥后，先用毛刷在混凝土基面上均勻地涂刷底層界面處理劑，要求薄而均勻、不流淌、不漏刷。待處理劑表面不流動，指觸拉絲時，將拌好的環氧砂漿涂抹至修復面上(環氧砂漿要涂抹至原結構面高程)，涂抹時要邊壓實邊抹光。

(3)環氧砂漿材料主要性能指標詳見表1。

表1 環氧砂漿材料主要性能指標

3.2 護坦段底板修復

(1)將沖蝕部分已外露彎曲的鋼筋切除，對護坦底板部位混凝土進行鑿除處理，鑿除厚度為30 cm以確保硅粉混凝土厚度不小于30 cm，出露新鮮混凝土基面，確保基礎面干凈、無沙粒、粉塵、油污等雜質。

(2)為增強新老混凝土的連接，在鑿除后的護坦混凝土面布置20插筋，插筋為“L”型，間排距為1.5 m，插筋應插入老混凝土中80 cm，外露20 cm，外露鋼筋應進行彎折10 cm以增強其混凝土的握裹力，彎折鋼筋與新增縱橫向鋼筋盡量焊接牢固，鋼筋保護層厚度20 cm。

(3)為增強新澆筑混凝土的整體性，滿足護坦的結構設計。在鑿除后的護坦混凝土面重新布置16的縱橫向鋼筋，間排距為20 cm，鋼筋保護層厚度20 cm，新布置的縱橫向鋼筋應與原鋼筋、插筋焊接，鋼筋接頭應滿足《水工鋼筋混凝土結構設計規范》要求。

(4)在鑿毛后的老混凝土面上澆筑30 cm的C40硅粉混凝土，并按原混凝土結構分縫，縫寬1.0 cm。護坦新澆C40硅粉混凝土排水孔布置及直徑(10 cm)設置均保證與原護坦排水孔一致，并確保排水孔暢通。

護坦底板鋼筋布置原則見圖3，C40硅粉混凝土配合比應通過實驗確定，參考配合比見表2。

表2 C40抗沖磨混凝土參考配合比

圖3 護坦底板鋼筋布置示意

4 結 語

(1)山區水閘常年受泥沙沖磨作用，閘室和護坦的沖刷破壞是常見病害，應及時開展汛后安全檢查，發現問題及時處理。

(2)從本工程及其他工程的運行結果看，護坦配筋時，將鋼筋置于結構頂層其抗沖耐磨的效果并不明顯。當混凝土保護層被沖刷使鋼筋裸露脫離混凝土時，鋼筋會被沖斷或彎折。鑒于此原因，建議護坦鋼筋應布置于抗沖耐磨混凝土的下部或常態混凝土頂部，此種布置方式不但有利于保證結構安全而且便于后期維修。

(3)泄洪閘和沖沙閘是首部樞紐建筑物的主要過水過沙建筑物。由于閘室過水斷面較窄，過閘水流流速較高，推移質泥沙對閘底板和閘墩下部的磨損最嚴重。在工作閘門以前的部位，常年處于水下，檢修時需停機放空庫水，影響發電，基于以上原因，可在工作閘門前閘室底板和邊墻設置鋼襯襯護防沖刷。

(4)近年來我國新型抗沖耐磨材料在水電站修復中已大量使用。除了本文所述的材料外，還包括鋼纖維混凝土、聚合物混凝土等。可根據需修復建筑物的功能和特點，選用不同類型的新型材料，以達到投資少、工期短、效果好的目的。