國內某水電站水下自密實混凝土配比工藝及應用

張志嬌 王寶紅

國內某水電站水下自密實混凝土配比工藝及應用

張志嬌 王寶紅

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023）

在水電站施工中，由于水電站發電運行的限制，各水工建筑物損毀維護加固或重新建造，需要考慮沒有干地施工的條件限制，水下混凝土施工方案是目前的較佳選擇。文章通過金牛坪水電站水下修補真實案例，從工藝、原材料的質量要求及施工注意事項三個方面闡述水下自密實混凝土施工工藝，以期為水下修補施工提供參考。

水下自密實混凝土；配比；施工

引言

金牛坪水電站位于廣西桂江中下游昭平縣馬江鎮上游約7 km處，距昭平縣城約50 km，上接下福水電站，下承京南水電站。工程以發電為主，兼顧航運等綜合效益。總裝機容量為60 MW（3×20 MW）。該水電站工程于2004年10月22日正式開工；2006年8月22日一期工程（右岸重力壩、船閘、河床式廠房和4#～7#壩段）通過驗收；2007年3月30日二期工程（8#～16#壩段、左岸重力壩）通過驗收，同年5月20日第一臺機組投產發電，12月28日全部機組投產發電；2008年6月通過工程蓄水安全鑒定[1]。2019年3月，青島鑫龍達海洋工程有限公司第一次調遣人員對金牛坪水電站泄水閘流道及上游10 m范圍基礎、門槽、消力池、下游河床、導墻進行水下檢查；2019年9月第二次調遣人員對發電進水口檢修門槽、攔污柵槽、尾水門槽及相應流道進行水下檢查[2]。

經過水下檢查后，相關結果顯示：10#～12#泄水閘消力坎末端基巖被掏空，自10#泄水閘下游右側導墻開始，一直延伸至12#泄水閘墩部位；消力池下游左岸護坡底部基巖被沖刷掏空，破損高度為30～700 cm，深度為50～500 cm，長度達50 m；10#泄水閘消力池右側導墻的基巖被沖刷破壞，破壞處長7.5 m，且導墻下游末端3.0 m部位底部左右側已貫通；1#～3#機組尾水渠護坦共有六處受到不同程度的沖刷掏空；大壩上游面有兩處基巖出現被掏空破壞現象，其中一處破壞長達30.5 m，上下游寬2.8 m，深0.9 m。以上的沖刷掏空將逐漸影響水工建筑物的安全。根據金牛坪水電站水下檢查報告及大壩安全管理的相關規定，需要對10#～12#泄水閘消力坎末端基巖、消力池下游左岸護坡底部基巖、10#泄水閘消力池右側導墻基巖、1#～3#機組尾水渠護坦、大壩上游面兩處基巖等被掏空部位進行成因分析，提出加固處理方案，編寫施工方案措施，并依方案編制處理的投資預算，為水下修補施工提供依據。

1 成因分析

1.1 10#～12#泄洪閘消力坎末端基巖被掏空的原因

金牛坪水電站于2004年10月動工興建，2006年12月投入運行，2007年12月竣工。水電站運行至今已將近14年，水下混凝土及基巖因水流沖刷、腐蝕而局部受到破壞。消力池尾坎處底板凹凸起伏，消力池尾坎出來后連接的河床與消力坎有一定的高程差，水流不能平順過度，容易在消力池尾坎后產生旋渦流，水流沖刷基巖。消力池基巖在旋渦水流中不斷被沖刷，基巖會先出現坑窩，之后坑窩會不斷擴大，洪水沖刷會更嚴重，基巖漸漸被掏空。隨著時間推移，掏空程度會越來越嚴重，水下檢查結果顯示，金牛坪水電站消力池尾坎后基巖被掏空最深處達4.5 m，深入底板深度達3.0 m。

1.2 10#泄水閘消力池右側導墻基巖被沖刷的原因

水電站發電時，出庫流量、泄洪流量大，流速高且會產生水體翻滾。水位頻繁波動甚至劇烈變化會造成建筑物的不穩定，大壩下游出庫水體中還含有砂石，水流沖刷大壩邊墻混凝土，原有基礎結構會遭到不同程度的破壞，大壩邊墻混凝土也會因運行時間的增加而逐漸碳化，從而導致其強度降低，抗沖性能下降。因此，長期受高速水流沖刷，導流墻及其基巖會逐漸破碎而形成掏空。在導流墻的末端，兩股不同流向的水流相交，會形成旋渦類流體。旋渦類流體會導致導流墻基巖不斷被水流沖刷，致使基巖出現小部分坑窩，而后會不斷擴大，高速水流時沖刷會造成更嚴重的破壞，基巖就會被漸漸地掏空。隨著時間推移，掏空會愈發嚴重，導流墻基巖被掏空最深達到4.5 m，深入底板的深度達到3.0 m。

1.3 消力池下游左岸護坡底部基巖被沖刷的原因

基于上述原因，導流墻受出庫流量、泄洪流量、流速及水體翻滾的影響，其基礎會逐漸破碎而形成掏空。例如左側護坡沖刷掏空部位位于消力池尾坎后，尾坎后的高程在24.0 m 左右，但是導墻的末端河床在28.0 m左右，高速水流水體會直接沖刷高程較高的護坡。隨著時間推移，掏空會愈發嚴重，金牛坪水電站導流墻護坡基巖被掏空最深達7.0 m，深入底板的深度達5.0 m。

1.4 1#～3#機組尾水渠護坦被沖刷的原因

同樣，水電站發電尾水流速大且產生翻滾，機組出力會引起水位波動變化形成不穩定流態，而混凝土因逐漸碳化而強度降低，抗沖磨性能下降。因此，長期受發電尾水高速水流沖刷，1#～3#機組尾水護坦局部被沖刷。護坦的底板與水流的方向并不在相同平面上，會形成一定角度的沖刷。而尾水的護坦經過近期的水下檢查，發現一共有六處受到不同程度的沖刷掏空，隨著時間推移，掏空會愈發嚴重，目前最大的掏空尺寸為8.0 m（上下游）×1.0 m（左右岸）×0.5 m。

1.5 大壩上游面兩處基巖被掏空的原因

當大壩泄水閘開閘度不大時，水流在水閘底板處高速流過，大壩上游基巖掏空部位處于泄水閘正上游，此處基巖上的水流流速大，水體沖刷力強，在上游基巖與閘的基礎交接處的基巖出現局部裂縫后，沖刷破壞的速度會更快，水流破壞力更大，會逐步使上游基巖裂縫不斷擴大直至出現成片掏空。

2 水下自密實混凝土加固原則

依據《混凝土壩養護修理規程（SL 230—2015）》，不屬于大壩關鍵基礎和結構部位的水下修補可采用水下自密實混凝土澆筑。澆筑深度適宜水深2.5～12.5 m處的各類修補。在最大限度不影響電站正常發電運行的情況下，減少機組停機次數，不修筑圍堰降低施工難度，計劃選用潛水法水下自密實混凝土對消力池尾坎后巖石及消力池左側導流墻尾部右側基巖等進行處理。具體原則如下：（1）清除覆蓋在缺陷部位的基礎垃圾，即清除損壞的老舊混凝土，澆筑回填能滿足特定耐久性要求的水下自密實修補材料；（2）清除損傷的老舊混凝土時，最大限度不損壞周圍完好的混凝土，鑿除厚度應均勻，不應出現薄弱斷面；（3）選用工藝成熟、配比合理、質量合格的修補材料，并按照規范嚴格把控施工質量。

3 水下修補材料以及配合比

目前，用于水電站大壩等水工建筑物的水下混凝土缺陷修補材料主要為水泥基類的水下不分散混凝土和聚合物混凝土。水下不分散混凝土是在普通混凝土中加入絮凝劑，在水泥顆粒之間形成聯結成型結構，增大吸附力，提高混凝土的耐久性與粘連性，抑制骨料的沉降和離析，從而使混凝土具有水下不分散性。水下不分散混凝土應用在水電站大壩水下大體積混凝土的快速澆筑和修補。聚合物混凝土是以高分子脂類化合物為粘結劑，其與骨料（石子、砂）、水固結而形成的混凝土膠狀物具有高分子和無機材料的綜合性能。通過選擇不同類型的樹脂品種可以得到具有不同性能的混凝土，同時還可以通過加減一定比例的固化劑及減水劑的用量，來改變它在水中的固化速度，從而達到快速固化的目的。凝結時間可在十幾分鐘至數小時內調節，水下不分散混凝土可以在數個小時內達到30 MPa以上的抗壓強度和10 MPa以上的抗折強度[3]。聚合物混凝土與常規混凝土相比有極高的粘結性，粘結強度較高，通過調整樹脂的粘度，可以做到膠料和骨料在水中流動不離析，可以保證在水中直接通過水層進行澆筑，再配合倉內機械振搗，可以確保澆筑強度更高的同時避免裂縫出現。聚合物混凝土初始粘度不高，在水中即可自流平、自密實，并可以進行薄層分層澆筑。水下聚合物混凝土基本性能強度見表1。

表1 水下聚合物混凝土基本性能強度表 單位：MPa

設計單位及高校科研單位都在進行自密實混凝土配合比的研究，通過不斷實驗調整單方石子用量及外加劑用量[4]，得到自密實混凝土的不同基準配合比。通過配合比優化實驗，最終得到更經濟的優化配合比。

自密實混凝土實驗首先將攪拌機注水濕潤，然后把外觀良好的石子、砂、水泥、粉煤灰依次放入攪拌機中，攪拌30 s停機。啟動攪拌機后，把稱量好的水及外加劑混合后均勻倒入攪拌機中，攪拌完成后立即開展擴展度、V形漏斗等實驗數據的測量和記錄。

按照上述流程得到專用C30自密實混凝土配合比，如表2所示。

表2 專用自密實混凝土配合比

綜合分析，金牛坪水電站1#～3#機組尾水護坦混凝土掏空缺陷采用水下自密實混凝土（混凝土強度等級為C30）修補，并增設錨筋加固。泄水閘消力坎尾端基巖掏空、導流墻基巖掏空以及大壩上游基巖掏空采用水下自密實混凝土澆筑修復，并增設錨筋、鋼筋網予以加固。

4 施工方案

1#～3#機組尾水護坦混凝土掏空共6處，采用水下C30自密實混凝土修補。對于沖刷深度小于50 mm的，開鑿深度要達到50 mm。另外新澆筑的這層水下混凝土如果太薄，其抗沖刷能力也會隨之降低，考慮到這個部位的重要性和形式的特殊性，適宜把開鑿深度加大到50 mm，但最好不超過70 mm，以確保安全。掏坑底部布設錨筋，錨筋直徑為14 mm，錨固深度為300 mm，間距為300 mm。澆筑后需保持與原護坦一樣的平整度。尾水護坦混凝土修補加固圖如圖1所示。

圖1 尾水護坦混凝土修補加固圖（單位：mm）

4.1 消力池尾坎基礎修復

10#～12#泄洪閘消力坎末端基礎淘刷比較嚴重，掏空至高程19.0 m。從消力坎末端結構線往下游側起寬度2.0 m范圍，進行鋼筋混凝土護底至頂部高程22.0 m。鑒于消力坎下游流態紊亂，為保證護底混凝土長期穩定，護底混凝土布設系統錨筋，錨筋形式為：布置2排錨筋，=1.5 m，直徑為25 mm，間距為1.5 m，入巖1.0 m，梅花形布置。此外，增設一層Φ20@200（mm）雙向面層鋼筋網，錨筋與鋼筋網在水下焊接成一體。

4.2 10#泄水閘下游導流墻基礎修復

導流墻基礎淘刷嚴重，從導墻結構線往兩側寬度2.0 m范圍，進行澆筑水下不分散混凝土。為保證護底混凝土長期穩定，護底混凝土布設系統錨筋，錨筋形式為：布置2排錨筋，=1.5 m，直徑為25 mm，間距為1.5 m，入巖1.0 m，梅花形布置。此外，增設一層Φ20@200（mm）雙向面層鋼筋網，錨筋與鋼筋網在水下焊接成一體。

4.3 消力池左側導墻（護坡）基礎修復

消力池左側護坡基礎淘刷嚴重，從樁號下0+048.5至下0+098.5的基礎均被沖刷，沖刷面積巨大，本次進行澆筑水下不分散混凝土，為保證護底混凝土長期穩定，護底混凝土布設系統錨筋，錨筋形式為：布置2排錨筋，=1.5 m，直徑為25 mm，間距為1.5 m，入巖1.0 m，梅花形布置。此外，增設一層Φ20@200（mm）雙向面層鋼筋網，錨筋與鋼筋網在水下焊接成一體。

4.4 大壩上游基礎修復

壩體上游共有兩處基巖被掏空，其中一處左右岸長5.0 m，上下游寬1.2 m，深2.7 m。破損下游面緊靠閘室上游底檻；另一處左右岸長30.5 m，上下游寬2.8 m，深0.9 m，也緊靠閘室上游底檻。緊靠閘室，對大壩穩定尤為不利，有危及大壩安全的風險。從運行的長遠考慮，為保證大壩的安全，本次基礎淘刷進行回填處理。回填C30水下不分散混凝土，為保證護底混凝土長期穩定，布置1排錨筋，=1.5 m，直徑為25 mm，入巖1.0 m，間距為2.0 m。閘室上游基礎修補加固圖如圖2所示。

圖2 閘室上游基礎修補加固圖（單位：mm）

5 結束語

目前水電站大壩的除險加固經常受到水電站發電運行的制約，不能及時創造干地施工條件。因此水下自密實混凝土不需要修建圍堰、不需要機組停機配合的優勢便彰顯出來。水下施工屬于特種施工，要有相關工程資質及技術能力的單位才能實施。施工過程的質量控制及竣工質量驗收應該參照《水工混凝土施工規范（DL/T 5144—2015）》執行。在施工過程中，應對水下倉面的清理、錨筋的布置、混凝土的澆筑等隱蔽工程或關鍵節點進行水下錄像驗收見證，便于施工質量控制。施工完成后，應委托第三方單位對修補部分進行復核和檢測，以確保施工質量。

[1] 郭紅軍，陳志偉，李前進，等. 廣西金牛坪水電站第二次大壩定檢報告[R]. 南寧: 國家能源局大壩中心，2020.

[2] 陳鳳柱，郭亮，陳紅標，等. 金牛坪水下檢查報告[R]. 青島: 青島鑫龍達海洋工程有限公司，2019.

[3] 中國水利水電科學研究院. 水下不分散混凝土試驗規程: DL/T 5117—2000[S]. 北京: 中國電力出版社，2000.

[4] 中國電力企業聯合會. 水工混凝土外加劑規程: DL/ T5100—2014[S]. 北京: 中國電力出版社，2014.

Technology and Application of Proportion of Underwater Self-Compacting Concrete in a Hydropower Station in China

In the construction of hydropower stations, due to the limitations of power generation and operation, various hydraulic structures are damaged, maintained, reinforced, or rebuilt. It is necessary to consider the lack of dry land construction conditions, and the underwater concrete construction plan is currently the preferred choice. The construction of underwater self-compacting concrete has always been a hot topic of attention in hydropower engineering construction. This article elaborates on the real case of underwater repair in Jinniuping Hydropower Station from three aspects: process, quality requirements of raw materials, and construction precautions in order to provide reference for underwater repair construction.

underwater self-compacting concrete; proportion; construction

TV528

A

1008-1151(2023)11-0035-04

2023-02-13

2019年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2019KY1333）。

張志嬌（1986－），女，河北石家莊人，廣西水利電力職業技術學院工程師，碩士，從事水利水電工程管理設計與教學工作。