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,發現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,發現消力池底板局部表面高程相對設計高程最大高出16cm,據此推測混凝土內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。

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育裂縫、部分質量稍差,多數混凝土質量較好,混凝土完整性整體較好。

以上監測結果分析可知,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1952—2000年實測輸沙量資料統計,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定蓋重的一部分,對確保泄流壩段深層抗滑穩定滿足規范要求至關重要,消力池底板若產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厚環氧砂漿,頂部抗沖磨性加強,根據歷年沖刷深度分析,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

根據消力池底板存在的問題需采取相應的修補措施,目前國內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,以環氧樹脂類材料最優,環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,國內很早便把環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、優缺點及施工工期等因素,選擇“C25混凝土加環氧砂漿抹面方案”和“環氧混凝土加環氧砂漿抹面方案”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厚的環氧砂漿,環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,如發現表面有松動層、局部裂縫、蜂窩麻面等部位,繼續鑿除至密實、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厚環氧砂漿,環氧砂漿表面應壓實、收光。

錨桿采用全長黏接型環氧樹脂錨桿,采用螺紋鋼筋,直徑為16mm,間、排距80cm,梅花形布置,錨入老混凝土內深度≥50cm,錨桿距離處理邊界的距離≤30cm,且單個沖坑錨桿根數≥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,錨入老混凝土內深度≥50cm,錨桿距離伸縮縫邊緣不應<16cm;伸縮縫內充填2cm厚高壓聚乙烯閉孔板,頂部距離環氧砂漿頂面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厚環氧砂漿,環氧砂漿表面應壓實、收光。

5.2.2 方案二:環氧混凝土加環氧砂漿抹面方案

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,主要區別是混凝土鑿毛待老混凝土表面達到飽和面干狀態后,在老混凝土表面涂刷環氧混凝土底層基液,回填澆筑環氧混凝土,回填頂面應結合周圍混凝土現狀高程,保證維修頂面與周邊的混凝土表面平順連接,環氧混凝土固化后,表面抹1cm厚環氧砂漿。

伸縮縫處理方案與方案一的區別為澆筑的C25混凝土調整為環氧混凝土。

5.3 處理方案選擇

兩方案施工難易程度基本相同,方案二采用環氧混凝土,后期整體維修時鑿除相對困難;常規混凝土強度增長較環氧混凝土慢,常規混凝土一般施工完成28d以后方可進行下道工序,而環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混凝土加環氧砂漿抹面方案。

6 結 語

1)根據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過60d泄洪運行,消力池底板整體運行情況較好,表層環氧砂漿存在磨蝕現象,部分出現環氧砂漿脫落,但未發現底板有沖坑現象,伸縮縫處基本無沖坑等現象,消力池整體運行正常,達到了應急度汛處理的目的。