某水利樞紐一級消力池底板應急度汛維修設計

孫亮科,李春玲

(中水北方勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司,天津 300222)

1 工程概況

某水利樞紐位于黃河中游,由攔河壩、河床式電站、泄流底孔、表孔、排沙洞、下游消能設施、副廠房、開關站等組成,水庫總庫容1.96億m3,電站總裝機容量為420MW,工程為Ⅱ等工程,工程規(guī)模為大(2)型。

該水利樞紐為混凝土重力壩,壩頂高程900m,壩頂全長408m,最大壩高51m。泄水建筑物由10個4.5m×6.5m泄流底孔和2個12.0m×11.0m的泄流表孔組成,均布置在河床右岸,泄流底孔采用底流消能,底孔一級消力池池長75.00m,池寬95.80～98.80m,池底板厚3.0～4.0m,底板頂面高程為858.00m。消力池底板的縱橫縫之間設置一道SK-651型橡膠止水帶,止水帶位置距消力池頂面0.35m,止水帶寬0.3m。一級消力池底板下騎縫處布設縱、橫向預制混凝土排水半圓管,為防止排水管在施工過程中淤堵,排水管布置沿水流方向采用梳齒形式布置。

2 目前存在的問題

2019年12月,電站管理局對消力池底板進行測量和檢查,發(fā)現(xiàn)底孔一級消力池底板表面破壞嚴重,消力池右側底板沖刷較輕,靠近底孔的底板較為完整,僅橫縫分縫位置存在沖刷,深度為5～10cm;其它位置底板破損嚴重,且面積較大,局部存在沖坑,沖蝕深度平均在10～15cm,最深處達到30cm;沖毀部位有漏筋現(xiàn)象;漏筋和鋼筋被沖斷卷曲變形情況較多,其余底板破損位置主要集中在縱橫縫分縫位置。為保障2020年度汛安全,需對一級消力池底板進行應急度汛維修加固。

3 一級消力池底板檢測結果

2017年5月電站管理局對底孔一級消力池進行了清理檢查,2017年8月對一級消力池底板高程進行了測量,發(fā)現(xiàn)消力池底板局部表面高程相對設計高程最大高出16cm,據(jù)此推測混凝土內(nèi)部或下伏基巖可能存在脫空等缺陷。為查明具體原因,需對消力池底板進行檢測,查明安全隱患,并為后期工程處理提供依據(jù)。

綜合分析物探、鉆探、鉆孔壓水及芯樣試驗等成果,消力池底板混凝土分層澆筑之間膠結良好,底板澆筑混凝土與基巖之間除個別位置膠結稍差外,其余界面膠結良好,澆筑的混凝土自身除部分發(fā)育裂縫、部分質(zhì)量稍差,多數(shù)混凝土質(zhì)量較好,混凝土完整性整體較好。

以上監(jiān)測結果分析可知,消力池底板混凝土澆筑整體相對較好,僅局部存在澆筑高度不均勻現(xiàn)象,混凝土層間結合相對較好。

4 破壞原因及危害

4.1 破壞原因分析

黃河是多泥沙河流,據(jù)1952—2000年實測輸沙量資料統(tǒng)計,多年平均輸沙量為1.13億t,多年平均含沙量5.05kg/m3。

2015年該水庫實施了敞泄排沙,一級消力池內(nèi)淤積了大量的石塊,最大石塊的尺寸約為2m×2m,2018年3～4月對消力池進行抽排、清理工作,共清理石塊約500m3。由此可知,高速水流挾帶著泥沙、礫石、塊石撞擊混凝土表面,引起混凝土表面結構的磨損、沖蝕以及氣蝕是消力池破壞的主要原因。

4.2 危害

原設計消力池底板鋼筋保護層厚度10cm,底板止水帶距消力池頂面35cm。消力池底板存在表面嚴重沖蝕、不平整、局部沖坑、漏筋、伸縮縫混凝土破壞等現(xiàn)象,若不進行處理,泄洪過程中,沖蝕加重會造成止水破壞,脈動壓力向下傳播,出現(xiàn)危及底板混凝土安全的可能。本工程原設計泄流壩段下游消力池底板是作為深層抗滑穩(wěn)定蓋重的一部分,對確保泄流壩段深層抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求至關重要,消力池底板若產(chǎn)生破壞將改變原壩體運行條件,從而降低泄水壩段壩體抗滑穩(wěn)定安全裕度。

5 維修應急加固設計

5.1 維修應急加固頂高程選擇

1)汛期磨蝕深度分析:2017—2019年,電站管理局對一級消力池底板同一測點的多次進行測量,2017年消力池頂面高程最低為857.898m,平均高程857.99m,說明消力池底板表面平均磨蝕深度為1cm,最大沖坑深度10.2cm;2018年消力池頂面高程最低為857.887m,平均高程857.98m,說明消力池底板表面平均磨蝕深度為2cm,最大沖坑深度11.3cm;2019年5月消力池頂面高程最低為857.79m,平均高程857.95m,說明消力池底板表面平均磨蝕深度為5cm,最大沖坑深度21cm;2019年12月消力池頂面最低高程為857.771m,平均高程857.924m,原消力池設計頂面高程為858.00m,說明消力池底板表面磨蝕嚴重,表面平均磨蝕深度為7.6cm,局部最大沖坑深度22.9cm。綜合考慮2017年至2019年平均磨蝕深度,最大增幅約3cm,為保障2020年安全度汛,確定底孔一級消力池底板維修頂高程≥857.93m。

2)汛后永久維修分析:2020年汛后,一級消力池底板即進行徹底永久維修,應急維修頂高程越高,鑿除混凝土工程量越大,考慮鑿除工程量,底孔一級消力池底板維修頂高程取857.93m。

3)鋼筋保護層分析:原設計底孔一級消力池底板頂高程858.00m,鋼筋保護層厚度10cm,應急維修頂高程取857.93m,鋼筋保護層最小為3cm,考慮表層抹1cm厚環(huán)氧砂漿,頂部抗沖磨性加強,根據(jù)歷年沖刷深度分析,最大增幅約3cm,維修高程取857.93m可保證未進行應急處理的部位,汛后不漏鋼筋。

5.2 消力池底板應急處理方案選擇

根據(jù)消力池底板存在的問題需采取相應的修補措施,目前國內(nèi)常用的抗沖磨材料主要分為有機類與無機類兩種類型。有機類抗沖材料中,以環(huán)氧樹脂類材料最優(yōu),環(huán)氧樹脂抗沖磨材料既具有良好的抗磨蝕能力,又具有良好的抗沖擊能力,國內(nèi)很早便把環(huán)氧抗沖磨材料用于水利工程,是目前應用最多的有機抗沖磨材料,在紫坪鋪泄洪洞混凝土表層沖坑處理、瀑布溝泄洪洞混凝土沖坑處理等工程中均有使用,并且其應用仍在不斷擴大[1-2]。

結合消力池底板沖刷磨損深度檢測資料,考慮各抗沖磨材料的特性、優(yōu)缺點及施工工期等因素,選擇“C25混凝土加環(huán)氧砂漿抹面方案”和“環(huán)氧混凝土加環(huán)氧砂漿抹面方案”兩種方案進行比選[3-4]。

5.2.1 方案一:C25混凝土加環(huán)氧砂漿抹面方案

1)深度<7cm的沖坑處理方案:沖坑深度<7cm,即高程857.93m以上的部位不做應急處理。

2)深度≥7cm且<10cm且鋼筋未出露的沖坑處理方案:7cm≤沖坑深度<10cm,即高程在857.93～857.90m之間的沖坑在混凝土表面鑿毛后抹一層1cm厚的環(huán)氧砂漿,環(huán)氧砂漿頂面應與周圍消力池底板表面平順連接。

3)深度≥10cm或鋼筋局部露出的沖坑處理方案:沖坑部位損壞的混凝土應全部鑿除,鑿至鋼筋網(wǎng)以下5cm。沖坑周邊鑿除要盡量垂直,輪廓線宜構成凸多邊形,鑿除厚度應均勻,沖坑周圍損壞的混凝土應全部鑿除,在達到損壞部位邊緣后,再向邊緣外延伸一段不<10cm的長度,鑿除過程中不得損傷鋼筋及周圍完好的混凝土。混凝土鑿除后,如發(fā)現(xiàn)表面有松動層、局部裂縫、蜂窩麻面等部位,繼續(xù)鑿除至密實、堅硬的混凝土,混凝土鑿除后的表面,必須露出堅固的石子。

清理鑿除面,增設錨桿,斷裂、沖毀和局部出露的鋼筋按原設計的直徑與間距重新恢復,銹蝕的鋼筋進行除銹處理;沖洗混凝土鑿毛面,待老混凝土表面達到飽和面干狀態(tài)后,在老混凝土表面涂刷界面膠,澆筑C25一級配混凝土(同原設計標號),待新澆混凝土達到設計齡期滿足強度要求后,表面進行鑿毛,抹1cm厚環(huán)氧砂漿,環(huán)氧砂漿表面應壓實、收光。

錨桿采用全長黏接型環(huán)氧樹脂錨桿,采用螺紋鋼筋,直徑為16mm,間、排距80cm,梅花形布置,錨入老混凝土內(nèi)深度≥50cm,錨桿距離處理邊界的距離≤30cm,且單個沖坑錨桿根數(shù)≥4根,彎折后與頂部鋼筋焊接。

4)伸縮縫處理:原設計底孔一級消力池底板伸縮縫縫寬2cm,縫內(nèi)充填高壓聚乙烯閉孔板,止水帶距離頂面距離35cm,止水帶寬0.3m。

伸縮縫混凝土損壞部位處理方案如下:鑿除結構縫兩側混凝土至密實堅硬的混凝土,單側鑿除寬度20cm,底部鑿除至密實混凝土,且鑿至下層鋼筋網(wǎng)以下至少5cm,露出堅硬的混凝土面;清除鑿除物及表層松動的混凝土,增設全長黏接型環(huán)氧樹脂錨桿,直徑為16mm,間、排距50cm,梅花形布置,錨入老混凝土內(nèi)深度≥50cm,錨桿距離伸縮縫邊緣不應<16cm;伸縮縫內(nèi)充填2cm厚高壓聚乙烯閉孔板,頂部距離環(huán)氧砂漿頂面5cm;沖洗混凝土鑿毛面,待老混凝土表面達到飽和面干狀態(tài)后,在老混凝土表面涂刷界面膠,澆筑C25一級配混凝土,澆筑頂面應結合周圍混凝土現(xiàn)狀高程進行,以保證維修頂面與周邊的混凝土表面平順連接,新澆混凝土達到設計齡期,滿足強度要求后,表面進行鑿毛處理,抹1cm厚環(huán)氧砂漿,環(huán)氧砂漿表面應壓實、收光。

5.2.2 方案二:環(huán)氧混凝土加環(huán)氧砂漿抹面方案

沖坑深度<7cm、7cm≤沖坑深度<10cm的處理方案同方案一;沖坑深度>10cm處理方案的損壞混凝土鑿除、鋼筋恢復、錨桿加固措施等也同方案一,主要區(qū)別是混凝土鑿毛待老混凝土表面達到飽和面干狀態(tài)后,在老混凝土表面涂刷環(huán)氧混凝土底層基液,回填澆筑環(huán)氧混凝土,回填頂面應結合周圍混凝土現(xiàn)狀高程,保證維修頂面與周邊的混凝土表面平順連接,環(huán)氧混凝土固化后,表面抹1cm厚環(huán)氧砂漿。

伸縮縫處理方案與方案一的區(qū)別為澆筑的C25混凝土調(diào)整為環(huán)氧混凝土。

5.3 處理方案選擇

兩方案施工難易程度基本相同,方案二采用環(huán)氧混凝土,后期整體維修時鑿除相對困難;常規(guī)混凝土強度增長較環(huán)氧混凝土慢,常規(guī)混凝土一般施工完成28d以后方可進行下道工序,而環(huán)氧混凝土施工完成固化以后,可施工下道工序,方案二維修施工工期較短,但兩方案均滿足汛前完工的要求;方案一工程部分投資較方案二少1124萬元。經(jīng)過綜合分析,考慮應急維修工程投資及后期整體維修時混凝土鑿除的難易程度,應急維修方案選擇方案一:C25混凝土加環(huán)氧砂漿抹面方案。

6 結 語

1)根據(jù)消力池底板沖刷磨損深度檢測資料分析,針對不同深度的沖坑采用不同的應急處理方案,在多方案的比較基礎上提出合理的、可行的、經(jīng)濟的應急度汛維修方案,達到了預期的加固效果。

2)該工程泄流底孔一級消力池經(jīng)過60d泄洪運行,消力池底板整體運行情況較好,表層環(huán)氧砂漿存在磨蝕現(xiàn)象,部分出現(xiàn)環(huán)氧砂漿脫落,但未發(fā)現(xiàn)底板有沖坑現(xiàn)象,伸縮縫處基本無沖坑等現(xiàn)象,消力池整體運行正常,達到了應急度汛處理的目的。