王耀舉

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

朱莊水庫溢流壩面混凝土破壞原因及處理措施

王耀舉

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

通過對(duì)溢流壩表層混凝土裂縫普查和對(duì)混凝土鉆孔取芯檢測，結(jié)合溢流壩長期運(yùn)行環(huán)境，分析了溢流面混凝土破壞原因。依據(jù)溢流面破壞成因分析及混凝土質(zhì)量檢測情況，對(duì)溢流面采用了全斷面修補(bǔ)法，滿足了溢流壩安全運(yùn)行要求。

水庫；溢流壩；混凝土；破壞；加固處理

1 工程概況

朱莊水庫位于海河流域子牙河水系滏陽河流域沙河干流上，壩址在邢臺(tái)市沙河市孔莊鄉(xiāng)朱莊村西，距邢臺(tái)市35km，是一座以防洪、灌溉為主，發(fā)電為輔的綜合利用的大（2）型水利樞紐工程，控制流域面積1220km2，總庫容4.162億m3。水庫樞紐工程由溢流壩、非溢流壩、泄洪底孔、放水洞、發(fā)電洞、高低電站及南、北干渠渠首建筑物等組成。

溢流壩布置在河床段，全長111m，共3個(gè)壩段，溢流堰堰型采用克-奧（Ⅱ）型曲線，堰頂高程243.0m。溢流堰堰頂建閘6孔，單孔凈寬14m，最大泄量1.23萬m3/s。閘墩墩頂高程263.5m，2#、6#閘墩厚4.45m，4#墩厚5.5m，3#、5#縫墩厚4.0m，兩邊墩厚2.3m。閘孔設(shè)有14m×12.5m的弧形鋼閘門，固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)控制，啟閉機(jī)容量2×450kN。

1998年8月夏季發(fā)生了大洪水，洪水造成溢流面反弧段剝蝕嚴(yán)重，汛后采用聚合物KT砂漿進(jìn)行處理，處理后表面多處裂縫局部有隆起和內(nèi)空現(xiàn)象，處理效果不理想，由于溢流壩堰體內(nèi)部為漿砌石，若任其繼續(xù)發(fā)展，將嚴(yán)重影響溢流壩的安全運(yùn)行。

2 溢流壩面

2.1 溢流面混凝土裂縫

對(duì)6孔溢流堰面進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)堰面裂縫185條，裂縫寬度0.1～0.5mm，堰面未發(fā)現(xiàn)有剝蝕現(xiàn)象。

溢流面裂縫統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 溢流面裂縫統(tǒng)計(jì)

2.2 反弧段混凝土剝蝕和脫空

“96·8”洪水后檢查發(fā)現(xiàn)，溢流壩反弧段出現(xiàn)不同程度的剝蝕現(xiàn)象，剝蝕深度達(dá)5～7cm，雖進(jìn)行過加固處理，但加固部位砂漿基本上全部脫空或剝落。砂漿下面為剝蝕的混凝土面，由于堰面長期未過水，現(xiàn)挑流坎上長有許多雜草和樹木，挑流坎表面已完全破壞。

3 混凝土芯樣質(zhì)量檢測

3.1 混凝土強(qiáng)度

原溢流面混凝土最小厚度2.0m，堰體內(nèi)部為漿砌石。溢流面面層采用0.6m厚R28250混凝土，面層以下為R28150混凝土?；炷翉?qiáng)度采用鉆孔取芯進(jìn)行檢測，檢測成果見表2。

表2 溢流面混凝土強(qiáng)度檢測成果（鉆孔取芯法）

由表2可知，數(shù)據(jù)溢流面和挑流坎芯樣抗壓強(qiáng)度值比較高，且數(shù)據(jù)均勻，滿足原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度。

3.2 混凝土抗凍性能

根據(jù)SL319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)溢流面混凝土抗凍性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 溢流面混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，溢流壩溢流堰面、反弧段等部位混凝土抗凍性能均小于50個(gè)凍融循環(huán)，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)。

4 溢流面表層混凝土破壞原因

朱莊水庫地處華北地區(qū)，冰凍期每年12月上旬到次年3月初，最冷月平均氣溫在-3.6℃。由于溢流面位置朝向偏南，受太陽輻射熱影響，一般冬季氣溫白天為正溫，夜間降為負(fù)溫，氣溫處于正負(fù)交替狀態(tài)，每年凍融循環(huán)可達(dá)80～100次，而溢流面混凝土實(shí)測抗凍標(biāo)號(hào)不及F25，與現(xiàn)行SL211—98《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求相差較多。

溢流面混凝土除了上述先天不足外，產(chǎn)生凍融破壞的另一個(gè)原因是混凝土被水飽和。普查表明閘門水封不嚴(yán)，漏水嚴(yán)重。

凍融破壞的機(jī)理，一般認(rèn)為是混凝土微孔中積水，在某一凍結(jié)溫度下結(jié)冰后產(chǎn)生體積膨脹，擠壓未結(jié)冰的水體引起冰脹壓力和滲透壓力的聯(lián)合作用，或混凝土微孔內(nèi)冰晶體在水體的滲透過程中引起冰體生長產(chǎn)生冰脹力，在無數(shù)次反復(fù)的凍融循環(huán)以后，混凝土損傷逐步積累，內(nèi)部孔隙及微裂縫逐漸增大，擴(kuò)展后互相貫通，混凝土強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，輕則混凝土由表及里發(fā)生疏松、剝落，重則產(chǎn)生分層裂縫，混凝土出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

朱莊水庫溢流壩反弧段混凝土表層凍融破壞的3個(gè)原因：①混凝土凍融循環(huán)頻繁；②混凝土本身抗凍性能差；③反弧段混凝土面常年積水。最終導(dǎo)致了溢流壩反弧段混凝土表面發(fā)生凍融破壞。

溢流堰面由于不具備積水條件，尚未發(fā)生凍融破壞現(xiàn)象，但在普查時(shí)發(fā)現(xiàn)了大量裂縫，許多裂縫均貫穿了整個(gè)芯樣，裂縫深度大于60cm，因此，一旦因天然降水使溢流面保持濕潤，亦將最終導(dǎo)致溢流面發(fā)生凍融破壞。

綜上所述，溢流面表層混凝土破壞主要原因?yàn)閮鋈谄茐摹?/p>

5 溢流面表層混凝土破壞處理措施

5.1 處理方案

（1）用于溢流面修補(bǔ)的材料有混凝土、聚合物水泥砂漿和補(bǔ)償收縮混凝土等。聚合物水泥砂漿根據(jù)聚合物品種不同，常用的有PAEC（又稱丙乳砂漿）、NSF、CR和SBR等，主要適用于修補(bǔ)層厚不超過10cm的破壞面；補(bǔ)償收縮混凝土主要適用于5cm以下的表面薄層修補(bǔ)和缺陷填灌。

（2）朱莊水庫堰面裂縫較多，如采用局部修補(bǔ)的方法，新澆筑混凝土與完整的老混凝土結(jié)合不易保證，各修補(bǔ)塊之間無法真正做到光滑平整的結(jié)合，會(huì)形成許多接觸縫面，泄水時(shí)高速水流有可能深入修補(bǔ)塊以下，從而掀開修補(bǔ)層。

2001年曾對(duì)反弧段凍融破壞部位進(jìn)行局部修補(bǔ)，混凝土鑿除深度未超過10cm，但未獲成功，說明局部修補(bǔ)法不適用。

（3）考慮到朱莊水庫溢流面混凝土抗凍標(biāo)號(hào)偏低，推薦采用全斷面修補(bǔ)法，即將整個(gè)溢流面全部鑿除，重新澆筑一層高強(qiáng)混凝土，在新、老混凝土間設(shè)置錨筋，在混凝土表面設(shè)置溫度鋼筋網(wǎng)。

5.2 補(bǔ)強(qiáng)范圍及補(bǔ)強(qiáng)厚度

根據(jù)溢流面檢查結(jié)果，6個(gè)溢流面總共發(fā)現(xiàn)裂縫185條，裂縫寬度0.2mm以上，裂縫范圍幾乎覆蓋了整個(gè)溢流面，而且反弧段已出現(xiàn)明顯的凍融破壞，未發(fā)生破壞的混凝土其抗凍性能亦遠(yuǎn)低于現(xiàn)行規(guī)范要求。為消除隱患，同時(shí)便于施工，對(duì)6孔溢流面均進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

根據(jù)溢流面鉆孔取芯檢測情況，溢流面裂縫已貫穿了整個(gè)芯樣，縫深均在60cm以上，參照國內(nèi)類似工程的經(jīng)驗(yàn)，確定混凝土補(bǔ)強(qiáng)厚度為40cm，補(bǔ)強(qiáng)處理后溢流面曲線與原溢流面曲線相同。溢流面表層補(bǔ)強(qiáng)混凝土內(nèi)新鋪設(shè)一層準(zhǔn)18鋼筋網(wǎng)，鋼筋間距20cm，以與原溢流面面層鋼筋相適應(yīng)。

為加強(qiáng)新、老混凝土結(jié)合，新、老混凝土之間采用錨筋進(jìn)行聯(lián)結(jié)，即在清除已破壞的混凝土后，在老混凝土面上鉆孔埋設(shè)錨筋，在產(chǎn)生一定錨固強(qiáng)度，再澆筑混凝土?？紤]新、老混凝土之間可能產(chǎn)生滲透壓力，選取錨筋直徑為準(zhǔn)25，伸入老混凝土內(nèi)80cm，外露30cm，并與溢流面表層鋼筋網(wǎng)相互焊接。

5.3 修補(bǔ)材料

依據(jù)SL319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL211—98《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》，過流面混凝土標(biāo)號(hào)不應(yīng)低于R28250、抗凍等級(jí)不宜低于F200。為提高溢流面混凝土抗凍耐久性和抗沖耐磨性能，同時(shí)考慮到溢流面檢修困難等因素，溢流面混凝土標(biāo)號(hào)最終選定為C25W4F200。

根據(jù)溢流壩水力計(jì)算成果，溢流面過流流速達(dá)10～30m/s，其中堰頂流速最小，反弧底流速最大，應(yīng)考慮堰面混凝土的抗沖耐磨性能。目前已在實(shí)際工程中應(yīng)用的抗沖耐磨材料主要有硅粉抗磨蝕混凝土和高強(qiáng)耐磨粉煤灰混凝土，兩種改性混凝土均在實(shí)際工程維修中得到應(yīng)用，效果良好，但考慮到華北地區(qū)混凝土施工條件和工程安全度汛等客觀因素，推薦選用早期強(qiáng)度較高的硅粉混凝土，作為溢流面的修補(bǔ)材料。

6 結(jié)語

（1）對(duì)溢流面普查、鉆孔取芯質(zhì)量檢測發(fā)現(xiàn)表層混凝土本身抗凍性能差，加之反弧段常年積水，冬季因晝夜溫差形成凍融循環(huán)，致使反弧段發(fā)生凍融破壞。

（2）依據(jù)溢流面破壞成因分析及混凝土質(zhì)量檢測情況，對(duì)溢流面采用了全斷面修補(bǔ)法，即將整個(gè)溢流面全部鑿除，重新澆筑一層高強(qiáng)混凝土。

（3）朱莊水庫溢流壩表層混凝土破壞處理方案已經(jīng)實(shí)施，工程效果良好。

［1］華東水利學(xué)院.水工設(shè)計(jì)手冊（第五卷混凝土壩）［K］.北京：水利電力出版社，1987.

［2］天津大學(xué).水工建筑物（第5版）［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［3］SL319—2005，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］SL25—2006，砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.朱莊水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2007.

Failure Cause&Reinforcement of Concrete Surface For Spillway of Zhuzhuang Reservoir

WANG Yao-ju
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250，China）

Failure cause analysis of concrete surface for spillway is carried out through cracks census and concrete coring, combined with the long-term operating environment.On the basis of analyzing failure cause of concrete surface and concrete quality testing,full-face repair method is used for the spillway face to meet the requirements of safe operation.

reservoir;spillway;concrete;damage；reinforcement

TV62

B

1672-9900（2014）03-0079-04

2013-12-31

王耀舉（1973-），男（漢族），河南汝南人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作，（Tel）022-6154635。