尼日利亞凱恩吉水電站溢洪道水下環氧快速修復技術

關鍵詞：溢洪道；水下環氧砂漿（混凝土）；水下環氧快速修復；凱恩吉水電站；尼日利亞

中圖法分類號：TV46 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki. slsdkb.2025.08.010 文章編號：1006-0081（2025）08-0061-06

0 引言

在水流長期沖刷作用下，水電站過流建筑物（如溢洪道、泄水閘、導流底孔等）常會出現裂縫、滲漏、沖坑、剝落等混凝土缺陷，尤其當高速水流含有推移質或懸移質時，所造成的破壞更為嚴重，對水電站過流建筑物正常運行和使用壽命造成影響。

國內外部分水利水電工程的過流建筑物混凝土結構曾遭沖擊磨蝕破壞，如中國太平哨水電站[1]，蒞窩水電站[2]，豐滿水電站[3]，水豐水電站[4]，云峰水電站[5]，因建成年代較早、施工技術水平有限，以及長期的沖刷、干濕循環、凍融循環等因素影響，發生了大面積的溢流面混凝土破損，降低了混凝土表面抗沖能力，影響建筑物的安全運行。國外如尼日利亞凱恩吉水電站，經過60余年的運行，溢流面下游護坦、消力齒墩和消力池混凝土結構均存在不同程度的裂縫、破損及沖坑，威脅了溢洪道的運行安全。

對于處于水位線以下的混凝土結構，其缺陷等級難以采用常規的技術手段如水下機器人[6-7]評估，其修復難度與材料的選用、水下修復工藝[8-9]有關。同時，針對部分過流建筑物采取先放空再修補的措施成本也較高，因此對新型水下快速修復技術的研究與應用迫在眉睫。

根據調查研究[10]，環氧材料在大壩修復領域的應用已經較成熟。環氧材料具有優異的抗壓強度與黏結性能、固化時間可調、耐久性好等特點。目前，環氧材料已經有多個研究方向[11-12]，如用于混凝土缺陷修復的環氧混凝土、用于混凝土裂縫修復的環氧化學灌漿材料、用于混凝土表面防滲抗沖磨的環氧涂層等。環氧材料在水位線以上的混凝土結構缺陷修復中發揮著重要的作用，但其在水下缺陷快速修復應用較少。

本文以尼日利亞凱恩吉水電站溢洪道水下修復項目為例，通過優化環氧樹脂砂漿的級配比例，形成了適用于不同區域修復的環氧砂漿，配合水下潛水技術，提出了一套優化的溢洪道水下環氧快速修復施工工藝，為工程實踐提供參考。

1 工程概況

凱恩吉水電站是尼日利亞目前總裝機容量最大的水電站，位于尼日爾州的尼日爾河干流，距離首都阿布賈約 600km 。水電站裝機容量 760MW ，其中，5號和6號機組各 120MW?7～10 號機組各80MW、11號和12號機組各 100MW 。目前已完成5，6，12號機組的改造工作，現在正增設3，4號機組及9號機組的改造工作。

大壩由土石壩、混凝土重力壩、廠房和船閘等組成，最大壩高 66m 。水庫正常高水位 141.7m ，相應庫長 137km ，最大寬度約 24km ，面積 1 243km² ，總庫容150億 m³ ，最低運行水位 132.5m ，有效庫容115億m³ ，以發電為主，兼顧航運、防洪、漁業等。溢洪道設4扇液壓控制弧形閘門，尺寸為 15.2m×15.2m （寬 × 高），末端設挑流鼻坎。正常高水位時，溢洪道總泄流量為 7900m³/s 。溢洪道內設齒墩、護坦、消力池，寬約 74m ，設有22個消能齒墩，從左岸導墻到右岸導墻依次布置。齒墩長 11m ，高 3.6m ，上游側寬 1.8m 下游側寬 2.6m ，相鄰齒墩間距 0.76m ，齒墩下游設護坦與消力池，護坦上下游全長 11m 。護坦尾部為消力池，與護坦尾部高程差約 3m ，消力池由基巖開挖而成，尾部是高度不一的基巖，消力池長度 14～18m 。

2水下缺陷檢查及原因分析

凱恩吉水電站運行約 60a ，期間經多次檢查，溢洪道內混凝土缺陷逐年惡化。2023年6月對溢洪道進行水下檢查，發現齒墩、護坦、消力池部位均呈現不同程度的混凝土破損。檢查結果表明，齒墩混凝土剝落16處，長度最長 1.5m ，寬度 50cm ，深度 20cm ，對比2017年的水下檢查結果，新增混凝土剝蝕脫落6處，經過6a的運行，齒墩混凝土破損狀況進一步惡化；護坦表面混凝土共發現混凝土沖坑22個，最長 7m ，最寬 5m ，最大深度為鋼筋層以下 60cm ，大部分沖坑存在鋼筋裸露，部分鋼筋出現彎曲甚至斷裂等現象。溢洪道內混凝土的缺陷，已嚴重威脅溢洪道的安全運行。結合水電站相關資料與溢洪道使用環境，對溢洪道水下混凝土缺陷原因分析如下。

（1）材料老化及腐蝕。溢洪道長時間暴露在水下環境中，化學物質的腐蝕，水生生物的附著，混凝土材料表面會發生自然老化，強度及耐久性下降。根據調查研究[13]，凱恩吉水電站水質中含 Mg²⁺?SO₄^2- ，會引起混凝土膨脹，導致混凝土開裂，影響混凝土的強度和耐久性。

（2）高速水流的沖刷及侵蝕。相關研究表明[14]，閘門開啟順序和開度，可有效消除或減緩閘下水流不對稱擴散影響。根據凱恩吉水電站泄洪情況，4個閘門經常不對稱或單一開啟，導致水流消能不充分，在溢洪道內形成強烈的渦流，增加對溢洪道內混凝土的沖刷及侵蝕。同時，消力池底部部分區域存在卵石，在發電尾水及泄洪的影響下，卵石在混凝土表面產生沖擊磨損，逐漸破壞混凝土材料的完整性。

（3）設計缺陷。根據凱恩吉大壩材料研究與勘察結果，溢洪道在建設初期，材料取自當地，骨料粒徑較大，施工過程中表面易出現蜂窩、麻面等問題，造成局部混凝土密實度不足。由于設計原因，內部鋼筋均采用圓鋼，導致鋼筋握裹力不足，加上含砂水流的沖擊，會進一步造成表面混凝土的大面積剝蝕。

3水下缺陷修復材料及施工工藝

3.1水下環氧修復材料

水下環氧修復材料[15]因其黏結性優異、抗壓強度高，固化收縮小，是水下修復的理想材料。Sung等[16-17]研發了一種用于水下構件修復的水下環氧樹脂材料，滿足了水下結構的修復要求。為此宜選擇高性能的水下環氧砂槳（混凝土），同時采用水下環氧錨固劑進行植筋處理，構建快速修復體系，以恢復混凝土的使用功能，增強修復區域的抗沖磨性能。

3.1.1 HK-UW-1水下環氧砂漿（混凝土）

HK-UW-1水下環氧砂漿（混凝土）是一種專門用于水下環境的高性能環氧材料，具有抗壓強度高（達 100MPa ）、固化快且可調（樹脂比例3：1時，初凝時間約 30min ）黏結性能好、抗化學腐蝕性能和耐久性優異等特點。

本文以HK-UW-1水下環氧礦漿（混凝土）為依托，設計了多種配合比，并進行系列測試，基礎配合比及抗壓強度見表1，凝結時間見表2。

表1HK-UW-1水下環氧砂漿（混凝土）基礎配合比及抗壓強度

Tab.1Mix ratio and compressive strength of HK-UW-1 underwater epoxymortar （concrete）

表2HU-UW-1水下環氧砂漿（混凝土）凝結時間Tab.2Seting time of HK-UW-1 underwater epoxymortar（concrete）

注：水下環境溫度為25℃；岸上環境溫度為35℃。

從表1～2可得，4種不同配合比的HK-UK-1水下環氧砂漿（混凝土），水下7d抗壓強度均大于40MPa ，28d齡期抗壓強度均大于 80MPa ，初凝時間

可控，能保證水下修復有足夠的施工操作時間，實現快速修復，符合凱恩吉溢洪道修復要求。

3.1.2 HK-983水下環氧結構膠

HK-983水下環氧結構膠，由改性環氧樹脂、特種水下固化劑和助劑復合而成。使用專用的注射槍注射，在可更換的靜態混合器中充分混合直接注入鉆孔內，在潮濕、水下環境基材可正常使用。HK-983水下環氧結構膠具有優異的抗震性能和黏結性能，無論是各類鋼筋還是螺桿均可有效錨固，主要性能指標見表3。

表3HK-983水下環氧結構膠主要性能指標Tab.3Main performance index of HK-983 epoxyresin anchoring

結合水下環氧修復材料性能指標，針對溢洪道現場修復具體情況與水下工作環境，形成了不同水下環氧砂槳（混凝土）快速修復方案，如護坦等適用于平面及傾斜面的水下環氧混凝土施工，齒墩等適用于立面的水下環氧砂漿施工。

3.2水下環氧砂漿（混凝土）施工工藝

平面及傾斜面水下環氧混凝土（圖1）一般澆筑面積大，深度深，澆筑難點在于混凝土的流動性、均勻性，以及固化過程中的溫度控制。立面水下環氧砂漿（圖2）一般用于澆筑面積小，深度小的部位，澆筑難點在于砂槳的流動性、均勻性、平整性以及澆筑過程中砂漿漏漿控制。

圖1平面及傾斜面水下環氧混凝土施工（尺寸單位：mm）

Fig.1Underwater epoxy concrete construction onplanand inclined surface

3.2.1 放樣

根據水下檢查結果，潛水員初步判斷缺陷位置，入水到達缺陷位置后，利用鋼卷尺、布卷尺等對混凝土缺陷部位進行詳細定位、檢查與復核，并記錄混凝土缺陷特征，包括缺陷位置、長寬深、走向等狀況。

圖2 立面水下環氧砂漿澆筑（尺寸單位： mm Fig.2 Underwater epoxy mortar construction onvertical surface

3.2.2 切割

使用氣動切割機沿缺陷邊緣切割出規整的修補邊緣線，切割深度根據缺陷的深度而定，需深入原破碎混凝土層，形成燕尾槽，見圖3。燕尾槽特有的形狀，能夠在修復材料固化后起機械咬合作用，防止修復材料脫落，提高水下環氧混凝土與原混凝土之間的結合力。

圖3切割燕尾槽 Fig.3Cut dovetail grooves

3.2.3 鑿除清理

混凝土鑿除清理應徹底清除所有松散、損壞、脫層、變質或薄弱的混凝土層，以及油脂、黏結劑等污染物，鑿除后，表面的粗集料應外露。采用氣動機械設備對缺陷范圍內混凝土進行表面處理，以鑿出新鮮、堅實的混凝土面。

3.2.4 鉆孔

為增強原混凝土與新澆水下環氧砂漿（混凝土）的整體性，需要進行鉆孔植筋處理。一般常用手持設備有水下風鉆和水下液壓鉆，最大深度可以達到700mm ，直徑達到 60mm 。潛水員用風鉆或液壓鉆進行鉆孔，孔深 20cm ，孔徑 16mm ，孔距 25cm ，呈梅花樁布置。鉆孔成孔后，用高壓水清除孔內巖屑和沉渣，使孔壁無塵土附著。

3.2.5 植筋

鉆孔清洗完成后，通過專用膠槍注入HK-983水下結構膠，植入 Φ12 錨筋，結構膠充填量滿足錨筋插到孔底之后，能填滿錨筋周圍的環形空間，插入后轉動幾次，使結構膠充分與錨桿和孔壁黏緊，增加錨固力，見圖4。錨筋的長度視基面情況，頂部與布設鋼筋網片搭接齊平。

圖4植筋錨固 Fig.4Anchoring and reinforcement

3.2.6 布設鋼筋網

待環氧錨固劑達到規定強度后，將提前制作好的鋼筋網，通過龍門吊或卷揚機吊裝入水，鋼筋網與錨筋之間采用水下電焊和鋼絲綁扎連接，見圖5。

圖5鋼筋網綁扎 Fig.5Blending reinforcement mesh

3.2.7 基層清理

水下環氧砂漿（混凝王）澆筑前，需使用高壓水槍對混凝土缺陷面進行清掃，將缺陷內的浮塵、碎屑和水草附著物等清理干凈，同時由于水下水質復雜，新植筋的鋼筋表面存在一定的附著物和銹蝕，需用鋼絲刷或銅刷頭對鋼筋表面進行清理，以提高水下環氧砂漿（混凝土）與基材混凝土、鋼筋之間的黏結強度。

3.2.8水下環氧砂漿（混凝土）澆筑

3.2.8.1平面及斜面水下環氧混凝土澆筑

按照表1進行水下環氧砂漿（混凝土）配置，E1為底層水下環氧混凝土配比，用于填充深坑至一定高度；E2為中層水下環氧混凝土配比；E3為抹面水下環氧混凝土配比，用于修飾面層，保證澆筑面平整，無粗骨料外露，提供混凝土表面抗沖磨能力。水下環氧砂漿（混凝土）具有優良的自流平性、填充性和自密實性，在澆筑過程中，可利用水下環氧混凝土自重填充，無需振搗。

結合現場資源，凱恩吉水電站溢洪道護坦水下環氧混凝土修復采用兩套方案實施： ① 吊罐法，吊罐由截面為梯形的鋼板組成，上寬下窄，深度 60cm ，各角焊有吊點，通過龍門吊下放置澆筑點，如圖6所示。 ② 導管法，由3段長度 6m 、內徑 12cm 的鋼管通過法蘭連接，在頂部設有擴大的進料口，如圖7所示。

圖6水下簡易吊罐 Fig.6Simple underwater hanging tank

圖7水下導管法 Fig.7 Underwaterconduitmethod

根據實際應用分析，超過一定深水的澆筑點，需要慎重考慮導管法，其原因在于澆筑點深，導致導管過長；混凝土配比中粉料砂石粒徑差距過大，填充劑增稠劑過少，在澆筑過程中骨料容易離析；導管法澆筑水下環氧混凝土要求工藝連貫，一旦供料過快，或者導管底部反水，粗骨料容易在管內堆積，產生堵管現象。為此，對于該修復項自宜選擇吊罐法，其目的在于降低水下混凝土在水中的自由落差，減少水流對水下環氧混凝土質量的影響。吊罐法澆筑步驟主要有：傾倒吊罐，緩慢泄放水下環氧砂槳（混凝土）。確保其從底部逐漸填充修復區域，若澆筑面積過大，宜布置隔板，分層分塊澆筑，避免固化過程中溫升引起裂縫，每層填充后使用抹刀或刮板壓實，排出氣泡。最后一層抹面混凝土填滿后，用抹刀將表面抹平，同時使其與周圍原混凝土表面形成一道平緩的過渡區。

3.2.8.2 立面水下環氧砂漿澆筑

為防止立面澆筑砂漿滲漏，需根據破損點面積大小及形態制作模板，模板采用 1mm 厚薄鋼板并預留螺絲孔，同時模板頂端預留進料口，用膨脹螺絲固定模板，按照澆筑點的外形，通過外力調整鋼板的形態，密實周邊的空隙，同時用水下快速堵漏材料（水不漏、快硬水泥等）進行封堵，以防止漏漿，保證邊緣的規整性，如圖8所示。

圖8模板邊緣止塞Fig.8Stopper at the edge of template

由于立面澆筑面積較小，澆筑時，通過桶吊裝入水的方式，將攪拌好的水下環氧砂漿（混凝土）送至澆筑點，配合比見表1中M1。潛水員將其倒入進料口內，通過自流平的方式流入缺陷內部，同時觀察是否有漏漿，灌滿后將進料口封閉。

3.2.9 固化養護及拆模

在水下環氧砂槳（混凝土）澆筑過程中，有條件可在澆筑區域周圍設置擋板屏障，澆筑期間應關閉閘門，減少水流和水壓對水下環氧砂漿（混凝土）的影響。根據水下環氧砂槳（混凝土）的固化時間要求，保持修復區域相對穩定，防止其在固化過程中被沖散。

待澆筑水下環氧砂槳達到一定強度后拆除模板，一般 24h 可拆模，拆除模板要避免損壞混凝土表面，同時用水下環氧砂漿修補膨脹螺絲孔及縫隙。修復后效果見圖 9～10 。

圖9齒墩水下環氧砂漿修復效果 Fig.9Repair effect of underwater epoxy mortar ondentoid baffle

圖10護坦水下環氧混凝土修復效果 Fig.10Repair effect of underwater epoxy concrete onapron slab

4結論

（1）水下環氧快速修復技術在水電站過流建筑物混凝土結構中具有顯著優勢，通過材料改進和施工技術優化，可以有效提升修復效果和結構耐久性，確保水電站的安全運行。

（2）通過調整環氧樹脂和固化劑的含量，能優選出不同強度等級（C80及以上）凝結時間可控的HK-UW-1水下環氧砂漿（混凝土），延長水下修復可操作時間，從而滿足不同部位對水下環氧砂漿（混凝土）的使用要求。

（3）對于不同部位的水下環氧修復，宜采用不同的施工方案，水下環氧砂槳（混凝土）能通過不同級配、不同施工工藝來滿足立面、平面及斜面的應用場景。對于澆筑面積大、深度深的平面及傾斜面的水下環氧修復，可通過不同級配的水下環氧混凝土及施工工藝來控制混凝土的流動性、均勻性及固化過程中的溫度；對于澆筑面積小、深度小的立面水下環氧修復，可通過水下環氧砂槳及施工工藝來控制環氧砂漿的流動性、均勻性、平整性以及澆筑過程中漏漿現象。

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（編輯：江，舒忠磊）

Underwater epoxy rapid repair technology for spillway of Kainji Hydropower Station in Nigeria

GAOHao，ZHAO Shenjun，CHENG Qingchao （Hangzhou GuodianDamSafety EngineeringCo.，Ltd.，Hangzhou 310o14，China）

Abstract：Fortherapidrepairof various concrete defects commonly found inthe spillwayof hydroelectric power station， such as cracks，seepage，spaling，and scour pits.A study was conducted for theunderwater repair project of the Kainji Hydropower Station spillway in Nigeria.By adjustingthecontent of epoxyresin and curing agent in the underwater epoxy mortar，different strength grades （C80 and above）of underwater epoxy mortar（concrete）with controllbleseting times （initialsettingnolessthan1handfinal seting nolarger than7h）could beoptimized.Theeffectivenesinpractical engineering applications were discussed，suchasangostura teethandapronslab，ndcorresponding underwaterepoxyrapid repair construction techniques were proposed.The results indicated that theunderwater epoxy rapid repair technology had significantadvantages inthe concrete structuresof hydropower overflow facilities.Through material improvements and construction techniqueoptimizations，theoperable underwear construction time could be extended by2 to 4 times withoutasignificantreduction incompressivestrength.The technologycan efectively enhancing repair efectiveness and structural durability，and ensuring the safe operation of hydropower stations.

Key words： spillway； underwater epoxy mortar（concrete）；underwater epoxy rapid repair; Kainji Hydropower Station;Nigeria