RG聚氨脂砂漿在李家峽水電站沖刷修復材料中的對比應用

張曉峰，蘇曉軍，孫玉軍，李貴信

(青海黃河水電開發有限公司，青海 西寧 810001)

1 研究背景

李家峽水電站于1987年7月開工建設，1997年2月首臺機組投產發電。電站大壩為混凝土雙曲拱壩。泄水建筑物分兩層三孔布置，壩身布置有一個底孔和兩個泄洪中孔，且在壩下游依兩岸地形與左右岸泄水道形成銜接，設計最大下泄流量為6 340 m3/s，各孔明渠段槽內最大流速30～40 m/s。

李家峽水電站具有泄洪流量大、流速高、底孔兼顧排沙的特點。從泄水建筑物布置上，由于采用壩體孔口銜接斜坡道明槽形式，明槽內流態復雜，摻氣減蝕困難[1]。電站泄水建筑物的這些特點注定后期維護工作量的增加。自1997年投入運行以來，先后經歷了2006年、2012年、2018年和2019年4次大的維護和維修。

本文結合李家峽水電站泄水道2019年以來的維護維修，尤其是2018年和2019年兩次維護修復，對不同修復材料及其存在的問題與效果進行了對比分析。重點探討分析了2019年采用的RG聚氨酯砂漿進行的維護修復，這種新的抗沖材料與以往水利水電工程常用的環氧砂漿以及聚脲材料相比，材料性能和修復效果均有較大程度地提高，具有很高的推廣應用價值。

2 歷次維護修復方案及出現的問題

2.1 2006年泄洪后泄水道存在的問題及維護修復

李家峽水電站1997年投產，至2006年泄洪道從未進行過泄水。2004年～2007年汛期檢查對泄水建筑物左底孔、右中孔底板進行了檢查，發現其抗沖蝕層表面有不同程度的龜裂、脫空、邊墻混凝土局部掉塊，溢流表面粗糙。

2004年～2007年陸續對右中孔5～9段以及左中孔、左底孔三孔泄水道底板抗沖耐磨層混凝土進行了修復。

圖1 左中孔沖刷破壞情況

2.2 2012年泄洪后泄水道存在的問題及維護修復

2007年修復后到2012年7月間沒有泄水，2012年7月開始到2012年8月底左底孔間斷泄水，泄水后對泄水道再次進行了檢查，發現泄水道邊墻存在嚴重空蝕和磨損破壞，混凝土粗骨料和鋼筋裸露，底板僅個別部位存在表面輕微剝蝕現象，弧形工作閘門密封被破壞，閘門漏水較嚴重現象。而右中孔、左中孔一直沒有參與泄水，在2012年年底檢查發現左中孔泄水道泄洪道底板均存在混凝土龜裂現象(見圖1a)，5段底板裂縫聚脲涂刷層有局部鼓脹、開裂現象(見圖1b)；5段左側邊墻有1處1.5 m×1.2 m的混凝土鼓脹、開裂(見圖1c)。

2013年4月～6月對右中孔泄水道底板抗沖耐磨層混凝土脫空部位鑿除、澆筑特種混凝土，底板裂縫、底板及邊墻伸縮縫、水面線以下邊墻進行了處理，局部破壞區采用M40聚合物水泥砂漿修補，閘室段、10段和挑流鼻坎段涂刮SK手刮聚脲修復，修復后的效果如圖2a所示。對左底孔兩側邊墻閘室段、1～3段邊墻沖蝕破壞區松動混凝土鑿除、打插筋、補焊鋼筋網、澆筑C40硅粉混凝土、結構縫處理、4～8段局部破壞區聚合物砂漿修補，水面線以下邊墻打磨處理，涂刷界面劑，涂刮SK手刮聚脲；邊墻外露鋼筋頭處理；底板混凝土表面裂縫處理，涂刮SK手刮聚脲修復，修復后效果如圖2b所示。

圖2 手刮聚脲修復效果

2.3 2018年泄洪后泄洪道存在問題及2019年汛前的維護修復

李家峽水電站泄水道2013年修復后，直到2018年7月一直沒有泄水。2018年7月12日～10月11日泄洪，左中孔、左底孔、右中孔三孔泄水道分3個時段進行了泄洪，總歷時1 149 h 28 min，總泄水量33.41億m3。其中，左中孔閘門最大開度9.7 m，最大泄量2 100 m3/s，泄洪歷時744 h 23 min；泄洪水量20.90億m3，汛期平均流量555 m3/s；右中孔閘門最大開度8.7 m，最大泄量1 700 m3/s，汛期平均流量831 m3/s，泄洪歷時316 h 14 min；泄洪水量9.46億m3；左底孔閘門最大開度6.5 m，最大泄量1 007 m3/s，汛期平均流量699 m3/s，泄洪歷時88 h 51 min；泄洪水量3.05億m3。

2018年8月汛期及汛后檢查發現，電站左右中孔邊墻、底板聚脲材料修復部位出現大面積撕裂、脫落；邊墻及底板混凝土出現沖坑(或沖槽)、鋼筋外露，混凝土沖坑深度最大18 cm；邊墻伸縮縫銅止水外露破損；通用底座附近局部混凝土沖蝕破壞，泄洪道底板均存在混凝土龜裂等。

針對2018年汛期和汛后出現的問題，青海黃河水電開發有限公司于2019年汛前組織開展了維護修復，2019年汛前維護修復的基本情況為：

(1)對過流面邊墻、底板永久伸縮縫破壞及較深(鋼筋外露)的沖坑、沖槽，鑿除已破損的混凝土，鑿除至較高強度混凝土面。打插筋并布設加強鋼筋網片、重新澆筑C40W8F300硅粉微膨脹防裂混凝土、采用PTN密封膠處理伸縮縫、新澆筑混凝土面涂刷增強劑及新老混凝土接縫處涂刷接縫劑。

(2)對邊墻、底板聚脲鼓包破壞部位的處理。將以前施工的聚脲材料全部人工鏟除，并根據混凝土面缺陷情況填抹環氧砂漿，或打磨混凝土面并涂刷界面劑填充封閉細小裂縫，或涂刷環氧膠泥填補混凝土表面麻面、氣孔的方法進行表面加固處理。

(3)對過流面混凝土骨料外露，深度5 cm以下局部小沖坑(槽)，采取鑿除破損混凝土、結合面涂刷環氧界面劑、環氧砂漿填補找平、接縫處(環氧砂漿與老混凝土面結合處)涂刷接縫劑等措施。

(4)對于混凝土裂縫裂縫寬度小于2 mm時，清除縫內雜質并在裂縫表面采用涂刷表面接縫劑進行填縫和封閉裂縫；裂縫寬度超過2 mm時，按裂縫軸線走向鑿除一定寬度，然后清基、涂刷環氧底層基液并填抹環氧砂漿進行找平。

另外，2019年汛前還對混凝土麻面蜂窩、邊墻拉桿頭、錯臺及不平整面等進行了修復。

3 泄水道沖刷空蝕破壞特點及原因分析

3.1 2012年以來泄水道維護修復后主要破壞特點分析

李家峽水電站泄水道2012年修復后主要破壞的特點：①閘室、挑流鼻坎邊墻聚脲、環氧砂漿出現較大面積沖蝕，大面積聚脲中反復出現聚脲鼓包引起的破壞。②伸縮縫處采用聚脲處理的部位反復快速破壞，易出現大塊整體剝落結構破壞。③伸縮縫處汛期采用硅粉微膨脹混凝土C40W8F300方案的部位總體表現較好，個別出現表面淺層空蝕破壞。④個別部位邊墻出現大面積深坑淘蝕結構破壞。

為了檢驗2018年修復效果，并保證汛期泄水安全，2019年汛期泄水期間，通過交替泄洪，對李家峽水電站泄水道進行了抗沖耐磨檢查和搶險修復，從檢查結果來看，經歷了2019年汛前的歷次維護修復，李家峽水電站泄水流道總體表現良好，但也出現了一些水毀部位，這些水毀部位有汛前修復的部位，也有原混凝土新增的破壞部位。其特點可歸結為：①伸縮縫硅粉微膨脹混凝土C40W8F300表面局部水毀沖蝕，粗骨料外露、伸縮縫表面增強劑局部水毀脫落，上次泄洪未出現破壞的C40混凝土又出現新的破壞，但沒有出現結構性深層破壞。②汛期采用環氧砂漿修補后的部位，再過水后環氧砂漿完好。③部分段墻面出現大面積環氧膠泥沖蝕脫落。④伸縮縫修復后仍有少量表面沖蝕，以摻氣坎下游第一道縫較為典型。⑤2018年未出現破壞的底板在伸縮縫下游發生了3處小面積破壞。

3.2 泄水道破壞原因分析

泄洪建筑物沖刷、空蝕破壞是目前水利工程界普遍存在且未徹底解決的難題。總體而言，泄洪道破壞程度、部位以及發生概率與泄洪道的水流特征、泄洪道材料的抗沖耐磨特性以及抗沖耐磨部位施工質量等有關。針對李家峽水電站泄洪道而言，總結歷次維護維修后出現沖刷、空蝕等破壞情況，其原因可以歸結為：

(1)李家峽水電站泄水道結構布置上的特點決定了該泄水道泄洪期間流態復雜，加之流道摻氣坎的補氣效果達不到要求，極易造成摻氣坎附近墻面及邊墻伸縮縫破壞。

(2)李家峽水電站投產后到2019年底前，幾次泄洪間隔時間均較長，加之工程位于高寒地區，建筑物經受較為惡劣的自然環境后，抗沖耐磨材料出現一定程度老化，也是泄洪過程中發生某些類型破壞的原因之一；尤其是界面混凝土，材料性能弱化后，受強水流沖刷易產生裂縫或導致裂縫發展迅速[2-3]。

(3)泄水道的施工質量也是影響泄水道破壞的重要因素之一，泄水道流態越復雜，它對過流面的抗沖耐磨和耐久性、平整度、糙率等要求越高，李家峽水電站泄洪道由于受到當時電站建設時施工質量和技術水平的限制，混凝土平整度、錯臺和混凝土密實度均存在一定的問題，這也是造成局部沖蝕、空蝕破壞的主要原因之一，經過歷次維護維修后這種狀況得到一定程度的改善。

(4)能保持結構的完整和耐久性的抗沖耐磨修復材料是混凝土修復技術的關鍵環節[4]。抗沖磨問題不能一味追求高強度，而應提高材料韌性，提高對溫度、濕度變化的調節能力，提高其對基層混凝土的粘接力等[5]。在這方面，李家峽泄水道2012年采用涂刮聚脲材料修復，截至2018年汛后檢查來看，出現大面積起鼓、剝落，導致最后鏟除。長時間縫內口水凍融作用下，聚脲材料不可避免會出現局部與基面粘接不牢等現象，在泄水運行時容易出現鼓包造成聚脲材料脫落、撕裂，而聚脲具有一定的柔韌性，破壞后張裂或粘接拉壞原混凝土后易造成該處形成空蝕，從而進一步引起混凝土的空蝕破壞；至于環氧砂漿，是水工建筑物修復常用材料。從李家峽泄水道歷次維護修復情況來看，施工質量好的情況下，環氧砂漿修復部位一般不會出現太大問題，但由于其對施工面的濕度和環境溫度比較敏感，基面潮濕和外界溫度較低會影響粘結面和砂漿的強度增長速度。尤其在汛期搶修時，在雨霧區作業時存在一定的問題。這也是李家峽泄水道部分環氧砂漿修復出現破壞的重要原因。

4 2019年汛期搶修及RG聚氨酯砂漿的應用

4.1 2019年汛期搶修

李家峽水電站2019年汛期經歷了比2018年泄水歷時更長、閘門開度更大的泄水檢驗，對比結果見表1。從表1可以看出，2018年以來的修復工作效果顯著，工藝選擇基本合理，有針對性；但汛期修復的部分部位又出現了破壞點，汛前未處理的部位也出現了新的破壞，說明2018年汛期泄水道存在的問題沒有完全暴露，選用的技術方案、工藝和材料還有不足。

表1 2018年和2019年破壞面積、具體情況對比

2019年汛期利用短暫的停止泄洪時機，對中孔進行了三次搶修，2019年6月對整個右中孔用環氧砂漿修復，泄水后發現有沖毀，2019年7月進行了第二次修復，其中4個壩段采用RG聚氨脂砂漿，其他壩段仍采用環氧砂漿修復，后經過泄水檢查，RG聚氨酯砂漿修復壩段未出現沖刷破壞，而其他壩段仍有一定的沖刷破壞；對這些壩段繼續采用環氧砂漿修復，汛后檢查RG聚氨酯砂漿修復壩段仍未出現沖刷破壞，而其他壩段仍有一定的沖刷破壞。

4.2 小 結

李家峽汛期搶修及修復情況表明：

(1)聚脲彈性體強度高、韌性好、耐化學腐蝕、耐老化、抗沖磨性能優良，新一代聚脲彈性體施工性能優異，既可以噴涂施工，也可以手刮施工[6-7]。但無論是手刮施工工藝還是噴涂施工工藝都需要復雜的基面處理和性能優良的界面劑。

(2)環氧砂漿是目前水工建筑物抗沖磨中應用最廣泛的有機材料，其具有抗壓強度高，與基層的粘結強度強，抗沖磨性能好等特點，但本身并沒有很高的抗沖磨能力，但因其粘結力極強，因此當環氧樹脂與耐磨沙粒結合后，含砂水流便很難剝離耐磨沙粒[6]。由于高性能混凝土常常有干縮大、裂縫多等問題，其后期在水工建筑物中的耐久性往往不盡如人意。

(3)RG聚氨酯砂漿與基層的粘結強度高于混凝土本身的抗拉強度，不易脫層；施工48 h即完全固化，可快速交付使用，節省工期；國際HACCP認證其可與飲用水及食品接觸，芬蘭M1環境認證其環保無毒，不影響水源質量。缺點為抗壓強度略低。

5 結 語

本文結合李家峽水電站泄洪道抗沖耐磨維護修復，在深入分析2006年以來的歷次維護修復破壞情況以及原因基礎上，重點對2018年、2019年兩次修復狀況進行了對比分析，探討了環氧砂漿、RG聚氨酯砂漿在泄水道維護修復中性能、效果方面的差異。

從李家峽嘗修復試驗結果看，經RG聚氨酯砂漿修復過的工程部位經兩次較長時段泄水后沒有出現空鼓和脫落現象。RG修復部位外觀堅實、致密、完整，固化時間、粘結性能、抗沖磨性能以及施工性能等控制指標符合項目要求。與環氧砂漿相比，RG聚氨酯砂漿具有以下優勢：①施工環境適應性好，環氧砂漿須在混凝土面干燥無水情況下施工，而該材料在一定濕度情況下就能施工；②在施工環境溫度要求方面，環氧砂漿低溫施工時材料需加熱，并另行加工配比，而該材料不需加溫，只需保證施工環境處于正常溫度即可；③固定配比，可以減少工人現場稱重配制的誤差，確保材料質量穩定、均一；④抗沖耐磨性能高，該材料72 h試驗抗沖強度達到1 908.5 h/(kg/m2)，而環氧砂漿為80 h/(kg/m2)；⑤抵抗變形能力方面，環氧砂漿彈性模量約為2 000 N/mm2，RG聚氨酯砂漿彈性模量不小于50 000 N/mm2。⑥綠色環保方面也具有優勢。

RG聚氨酯砂漿首次在李家峽泄水建筑物中應用，其耐久性、穩定性仍需要大量長期應用及試驗檢驗和驗證。