某大型電站泄水洞箱涵底板修復技術研究

郭昊旻，史雙芹

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某大型電站泄水洞由進口明渠段、隧洞段、箱涵段和出口明渠段組成，泄水洞軸線走向為由西向東，其主要作用是將上游溪水排至三峽大壩下游流入長江。其結構設計標準按30 年一遇洪水設計，流量為854 m3/s，校核標準為200 年一遇洪水，流量1 220 m3/s[1]。

箱涵段長1 169.52 m，箱涵為3 孔4 m×8 m（寬×高）的鋼筋混凝土結構，底板由高程81.21 m 降至高程68.81 m，坡比為1.06%。箱涵段結構分為兩種型式，即：前段長408 m（樁號：1～36 號）箱涵頂承受30 m的土壓力荷載，斷面尺寸為：頂板、底板及兩側墻厚為1.2 m 鋼筋混凝土，兩中墩為厚0.8 m 鋼筋混凝土；后段長773.5 m（樁號：36～39 號）承受10 m 土壓力荷載，斷面尺寸為：頂板、底板及兩側墻厚為1.0 m 鋼筋混凝土，兩中墩為厚0.8 m 鋼筋混凝土，此段箱涵剖面圖見圖1。

圖1 箱涵剖面示意圖（單位：m）

1 汛后檢查情況

該泄水洞自竣工以來運行近 28 年，近3 年來箱涵段過水流量最大達到687.11 m3/s，流速最大達到7.47 m/s，泥砂含量達到1.29 kg/m3。為檢查箱涵段的水毀情況，對箱涵段南側孔進行外觀檢查，并根據沖刷嚴重程度將其分成4 個沖刷等級。

（1）一級：沖刷破損嚴重。底板鋼筋大面積外露或可見底板鋼筋磨斷，鋼筋隆起。

（2）二級：沖刷破損較為嚴重。可見多處底板鋼筋外露或倒角鋼筋外露。

（3）三級：沖刷破損一般。可見底板混凝土磨損少量鋼筋外露。

（4）四級：沖刷破損較輕。底板混凝土磨損，未見鋼筋外露。

檢查發現：箱涵底板整體沖刷嚴重，底板鋼筋沖刷外漏，多倉底板可見大面積露筋、鋼筋磨斷、鋼筋隆起，南北側箱涵擋土側墻體部分部位可見白色析鈣，箱涵兩側倒角整體較為完好，局部可見倒角底部露筋、混凝土破損缺陷；茅坪溪泄水洞箱涵段南側孔靠近出口位置（樁號：83～94 號）轉彎處（樁號：34～47 號）沖刷較為嚴重；箱涵段入口處（樁號：1～16號）、中間段（樁號：52～73 號）沖刷程度相對較小。具體實物和沖刷等級分布圖如圖2 和圖3 所示。

圖2 南側孔底板沖刷等級實物圖

圖3 南側孔底板沖刷等級分布圖

2 沖刷部位修復措施

2.1 修復方案

根據底板磨損程度的不同，采取不同的修復方案[2-4]：

（1）對于磨損厚度小于2 cm 的底板（樁號：1～3號），清除表層受損的疏松混凝土后，采用環氧砂漿修補，修補厚度為1～2 cm。

（2）對于磨損厚度大于2 cm 的底板（樁號：4～99號），清除表層受損的疏松混凝土，對沖坑的位置鑿成矩形槽，槽底深度至少鑿至底板表面以下6 cm，對于受損鋼筋截斷，采用原設計直徑的鋼筋進行替換。同時，在底板設置層Φ6@100 的鋼筋網與錨固深度22 cm 的12 擴孔自鎖錨桿，錨桿間排距0.6 m，交錯布置，以增強新老混凝土的結合，錨桿的上部與原鋼筋綁扎搭接。然后采用C30W6F2250 細石混凝土回填至底板表面以下1 cm 深處，養護21 d 后，采用改性環氧砂漿均厚1 cm 涂抹防護，如圖4 所示。

圖4 底板修復示意圖

2.2 材料選擇

混凝土的線性熱膨脹系數一般在8×10-6/℃與12×10-6/℃之間，如果環氧砂漿與混凝土的線性熱膨脹系數不一致，在混凝土脹縮變形時，環氧砂漿修復層的變形不能和混凝土同步變化，將在基礎混凝土與環氧砂漿結合面處形成巨大的剪應力，并且此剪切力在外界環境溫度變化時不斷增大形成兩層皮、脫空、掉塊。

本工程采用的NE-Ⅱ型環氧砂漿是以改性環氧樹脂、新型固化劑及其特種添加料等為基料而制成的高強度、抗沖蝕耐磨損的新型修補材料，最關鍵的是其線性熱膨脹系數和混凝土基本一致，解決了與混凝土變形不一致的問題，不會在結合面上因溫度變化形成的剪應力造成粘接強度降低，NE-Ⅱ型環氧砂漿的主要技術指標見表1[5]。

表1 NE-Ⅱ型環氧砂漿主要技術指標表

3 修復施工

底板修復施工工藝流程圖如圖5 所示。

圖5 南側孔修復施工工藝流程圖

3.1 施工準備

施工準備工作主要包括箱涵段出口處盤梯架設，施工材料運輸，施工電纜和洞內照明設施架設，各項安全用品（救生衣、安全帶、安全繩和安全帽）準備。

3.2 修筑圍堰

圍堰搭設采用磚混圍堰，圍堰高2 m，厚度0.6 m，圍堰迎水面附兩塊3 mm 厚的鋼板（防止水流直接沖刷磚混圍堰），鋼板跟圍堰采用拉桿連接。由于隧洞為過流隧洞，為了保證圍堰的穩定性，在圍堰背側采用搭設鋼管腳手架斜支撐進行圍堰加固。示意圖如圖6 所示。

圖6 磚混圍堰示意圖

3.3 底板鑿除

將箱涵段底板疏松的混凝土進行鑿除，特別嚴重部位適當加深，表面鑿毛并沖洗干凈混凝土基面，對破壞掉的表層鋼筋進行替換，并與為破壞的表層鋼筋進行替換，對已經銹蝕的鋼筋進行除銹處理。

3.4 擴孔自鎖錨桿埋設

擴孔自鎖錨桿是將基材混凝土上所鉆的直孔底部，用特制的擴孔鉆頭擴成倒錐面或正錐面，然后將一端安裝有未張開錨頭的錨桿插至孔底，軸向加壓使錨頭張開與孔底錐面貼緊，利用錨頭與孔壁的機械咬合力和錨桿錨固段注膠漿后的沿程摩阻力來提供錨固力，提升混凝土修復層抗剪強度。

擴孔自鎖錨桿的施工工藝流程如圖7 所示。

圖7 擴孔自鎖錨桿施工工藝流程圖

（1）鉆直孔：在底板根據設計要求進行鉆孔定位，使用電錘鉆直孔至設計深度，過程中應校準鉆孔角度，如圖8a 所示。

（2）底部擴孔：用高壓水清孔后用特制的擴孔鉆頭擴成倒錐面或正錐面，擴孔后再次清孔，如圖8b 所示。

（3）測量擴孔：用測孔儀器測量擴孔直徑并記錄。若不滿足要求繼續擴孔，如圖8c 所示。

（4）注漿： 嚴格按照產品使用說明書或設計要求進行配制和攪拌；錨桿注漿采用水泥基注漿材料，灌注漿料至約三分之二孔深。

（5）安裝錨桿：錨桿采用JCZ-ZS-MG-12 型號錨桿，如圖8d 所示，注漿完成后立即插入錨桿。插入錨桿時緩慢地旋轉錨桿體，直至錨桿插入設計深度，使錨桿表面完全被水泥砂漿充分包裹，然后在錨桿外露端錘擊加壓，使錨桿行程達到要求。

圖8 自鎖錨桿

錨桿安裝完成后，鋪設Φ6@100 的鋼筋網，底部鋼筋垂直于水流方向，靠近表面鋼筋平行于水流方向，并與錨桿上部綁扎連接。

3.5 混凝土澆筑施工

3.5.1 混凝土運輸方案

本工程項目施工期間泄水洞隧洞段持續過水，且受當地降雨及上游水庫影響上游隧洞段無法進行混凝土的運輸。

為了保證底板回填C30W6F2250 混凝土正常施工，在箱涵84 號樁號頂部通氣廊道鉆孔，埋設Φ200 mm 鋼溜管，下部采用適合在2 m 寬箱涵內通行的3 m3小型罐車接力混凝土攪拌運輸，將C30W6F250 混凝土運輸至55 kW 電動小型地泵，通過長度150 m、Φ200 mm 泵管泵送入倉分段澆筑，運輸路線如圖9 所示。根據現場情況，本箱涵底板分成8 個倉號，每個倉號包含12 個樁段，長度為144 m。

圖9 混凝土運輸路線

3.5.2 混凝土澆筑

混凝土澆筑根據“一次性澆筑，由遠及近，邊澆邊拆”原則，首先將Φ200 mm 泵管架設至最遠澆筑面。混凝土澆筑前用水潤滑管壁，然后用相同配合比的水泥砂漿試泵，確保澆筑的順利進行[6]。澆筑時將混凝土從中間斜向推平至長邊，使用振搗器振搗密實，振搗時間以混凝土不再顯著下沉、不出現氣泡、開始泛漿為準，然后使用磨光機按標高進行找平。當振搗至泵管下方時，利用水平泵管澆筑架空位置混凝土，邊振搗邊拆除，直至混凝土澆筑完畢，將拆除下來的泵管用水清洗干凈。

3.6 環氧砂漿施工

3.6.1 基面處理

環氧砂漿施工之前，混凝土基面需保持干燥狀態，對局部滲漏水部位，應采取化學灌漿的方式進行止水堵漏，對局部潮濕的基面使用噴燈烘干或自然風干。然后采用角磨機和鋼絲球對混凝土表面進行打磨。

3.6.2 底層基液拌制和涂刷

按配合比計量拌制基液（見表2），為避免浪費，基液每次不宜拌和太多，原則上一次拌和不能超過5.0 kg，具體情況視施工速度以及施工溫度而定。基液拌制后，用毛刷均勻地涂在基面上，要求基液涂刷盡可能薄而均勻、不流淌、不漏刷。

表2 環氧基液質量配合比

3.6.3 環氧砂漿的拌制和涂抹

基液涂刷后靜停至手觸有拉絲現象，方可涂抹環氧砂漿。先把稱量好的環氧砂漿A 組份放入環氧砂漿專用拌和機，再把按給定的配比稱量出的B組份也倒入拌和機（見表3），混合攪拌均勻（顏色均勻一致）。將環氧砂漿涂抹到刷好基液的基面上，并用力壓實，尤其是邊角接縫處要反復壓實，避免出現空洞或縫隙。壓實后可用抹刀輕輕拍打砂漿面，以提出漿液使砂漿表面有光澤。環氧砂漿的涂抹厚度一般每層不超過30 mm，分層施工時，層與層施工時間間隔超過12 h，再次涂抹環氧砂漿之前還需要涂刷基液。環氧砂漿修復的邊緣采用切割埋入混凝土的方式，當表面不平整度超過20 mm 時，采用1∶30的斜坡平順連接。

表3 環氧砂漿質量配合比

4 結語

某大型電站泄水洞運行多年導致底板露筋、破損等缺陷嚴重，威脅結構安全。為保證后期運行的結構安全，對導流隧洞進行檢查修復極有必要。根據沖蝕深度的不同，沖蝕深度較小區域采用改性環氧砂漿直接抹面的方法進行修復，針對沖蝕程度較大的區域，采用細石混凝土和改性環氧砂漿抹面的方法進行修復，并在底板埋入擴孔自鎖錨桿和鋪設鋼筋網提升混凝土修復層抗剪和抗裂強度。為增強環氧砂漿和混凝土之間的粘結力，采用與混凝土線性熱膨脹系數基本一致的NE-Ⅱ型環氧砂漿，修復效果良好。南側孔的修復措施可直接應用到中孔和北孔的修復中，也可為其他工程的水工隧洞修復提供參考。