徐志丹，江 泉，蔡 新,2，郭興文

(1.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，南京 211100；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

農(nóng)村小水電屬于非碳清潔環(huán)保能源，既不存在資源枯竭的問題，又不會對電站周圍的生態(tài)環(huán)境造成污染。開發(fā)農(nóng)村小水電既能發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，又能保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)節(jié)能減排，是中國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中重要的組成部分[1]。我國小水電資源絕大部分分布在相對貧困人口比較密集的地區(qū)，這些地方地勢偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣，小水電資源的合理開發(fā)加快了農(nóng)村電氣化的建設(shè)，推動了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，提高了山區(qū)人民的生活水平。因地制宜地開發(fā)小水電資源，實現(xiàn)水力資源向電力資源的轉(zhuǎn)變，不僅對于農(nóng)村地區(qū)的脫貧致富具有現(xiàn)實意義，而且對保護(hù)山區(qū)自然生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)村社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境三方協(xié)調(diào)發(fā)展也有著十分重要的作用[2]。

然而，只要是水工建筑物都會受到水流的沖蝕、周圍環(huán)境的腐蝕，甚至人為因素的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)不同形式的破損[3]。目前，尚在運行的農(nóng)村小水電基本修建于20世紀(jì)60年代到80年代，由于受到當(dāng)時經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制，小水電建筑物整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量未達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，后期運行管理水平也相對較低[4,5]。另一方面，出現(xiàn)病害的建筑物往往得不到及時有效的修補(bǔ)，最終造成了建筑物大面積破損，甚至損壞。其中引水建筑物不同于廠房、壓力管道等其他建筑物，其常年暴露在外部環(huán)境中運行，受到水流的沖刷、腐蝕，甚至山體碎石的撞擊。而且，小水電工程中的引水建筑物一般順勢挖建，具有走勢冗長、位置偏僻的特點，導(dǎo)致后期維護(hù)管理困難，從而積累了較多容易引發(fā)結(jié)構(gòu)滲漏、垮塌的安全隱患[6]。在浙江省實地安全狀況調(diào)查的155座農(nóng)村水電站中，其中78座電站引水建筑物出現(xiàn)不同程度的滲漏情況，13座電站引水渠道的襯砌表面老化嚴(yán)重，7座電站引水渠道個別地段出現(xiàn)坍塌情況。對于農(nóng)村小水電而言，引水建筑物安全穩(wěn)定的運行是電站取得發(fā)電效益的關(guān)鍵。如果引水建筑物發(fā)生滲漏、垮塌等安全事故，不僅會直接威脅到電站周邊地區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全，而且受到山區(qū)自然環(huán)境的限制，建筑物修復(fù)加固的工期一般較長，從而影響了電站的正常發(fā)電，導(dǎo)致的間接經(jīng)濟(jì)損失更為嚴(yán)重。

與大型水電站不同，在對小水電工程進(jìn)行破損修復(fù)時，由于山區(qū)地勢條件的限制，以及后期維護(hù)資金的缺乏，大型的修復(fù)設(shè)備無法進(jìn)入施工現(xiàn)場、復(fù)雜的施工工藝得不到實現(xiàn)、購買昂貴的修復(fù)材料也存在困難。因此，如何對農(nóng)村小水電建筑物的破損進(jìn)行有針對性的、快速有效的修補(bǔ)，是目前修補(bǔ)領(lǐng)域的一個重大課題，也是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。本文通過現(xiàn)場調(diào)研，總結(jié)了小水電建筑物常見的破損類型，分析了破損形成的原因，并論述了相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)。

1 農(nóng)村小水電建筑物常見的破損類型

我國農(nóng)村小水電大部分建立在植被茂盛、地域偏遠(yuǎn)、交通不便的農(nóng)村山區(qū)，建筑物在這樣特殊的自然環(huán)境中運行，破損現(xiàn)象明顯。如電站廠房混凝土墻出現(xiàn)開裂，壓力前池的漿砌石擋墻出現(xiàn)勾縫脫落，混凝土壓力管道表面出現(xiàn)蜂窩、麻面，引水渠道出現(xiàn)滲漏、坍塌等，這些都是小水電工程中出現(xiàn)較為頻繁的破損現(xiàn)象。其中，引水建筑物由于長期受到水流的沖蝕、山體碎石的撞擊、周圍環(huán)境的腐蝕等，未老先衰的現(xiàn)象最為突出，破損形式也最為復(fù)雜。本文通過對農(nóng)村小水電的現(xiàn)場調(diào)研，總結(jié)了引水建筑物主要存在的破損類型，并分析了不同破損形成的原因。

1.1 引水渡槽的破損

渡槽是水電站引水建筑物應(yīng)用最為廣泛的交叉建筑物形式之一[7]，在農(nóng)村小水電建設(shè)中更占有重要的地位。我國的小水電引水渡槽大部分修建于1960年代前后，許多工程已超過或接近設(shè)計使用年限，年久失修，損壞嚴(yán)重。由于渡槽工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形式多種多樣，加之小水電所處的山區(qū)環(huán)境復(fù)雜，其病害形式也各不相同。從宏觀表現(xiàn)形式上可以分為：槽身產(chǎn)生的裂縫、地基不均勻沉降引起的變形、槽身及進(jìn)出口處的滲漏以及表層混凝土的剝蝕和內(nèi)部鋼筋的銹蝕等。其中，表層混凝土的剝蝕是農(nóng)村小水電渡槽老化最基本的形式，也是出現(xiàn)最為頻繁的病害形式。如圖1所示，隨著剝蝕程度的加重，引起表層混凝土裂縫的延伸，進(jìn)而裂縫發(fā)展為凹坑、孔洞，造成內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致整個渡槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇降低。如果不及時采取有效措施進(jìn)行修復(fù)，將會發(fā)生坍塌等安全事故。

圖1 農(nóng)村小水電引水渡槽底部混凝土剝蝕現(xiàn)象Fig.1 Scaling phenomenon of concrete at the bottom of the aqueduct of the rural small hydropower station

造成此類現(xiàn)象的主要原因是：建設(shè)時期的設(shè)計理論不完善，設(shè)計假定太粗略，對水文、氣象及地震強(qiáng)度等情況缺乏深入調(diào)查，致使設(shè)計應(yīng)力值偏低，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層厚度及配筋尺寸偏小。其次，由于山區(qū)人力財力的缺乏，導(dǎo)致施工質(zhì)量低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，加快了渡槽的老化。而且，山區(qū)地質(zhì)、地形條件復(fù)雜，在后期運行過程中，渡槽容易受到水、氣、溫度、酸性介質(zhì)侵蝕等影響，從而引起混凝土的碳化[8]。當(dāng)碳化深度超過鋼筋的保護(hù)層厚度時，鋼筋會發(fā)生銹蝕，引起鋼筋體積的膨脹，使得混凝土保護(hù)層發(fā)生開裂。而混凝土保護(hù)層的開裂又加快了內(nèi)部鋼筋的銹蝕，最終造成了混凝土保護(hù)層發(fā)生大面積剝蝕的現(xiàn)象，使得構(gòu)件截面有效面積減小，鋼筋與混凝土直接的黏接性能退化，進(jìn)而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)承載力下降。這類破損情況頻繁地出現(xiàn)在引水渡槽中，也是小水電工程缺乏先進(jìn)的設(shè)計理念、施工工藝，缺少規(guī)范的后期管理這些特點所決定的。

1.2 漿砌石渠道的破損

漿砌石結(jié)構(gòu)的渠道是農(nóng)村小水電樞紐中最為常見的輸水、泄水建筑物。在浙江省小水電工程中，漿砌石結(jié)構(gòu)的渠道約占71.71%，高于其他結(jié)構(gòu)形式的渠道。滲漏是漿砌石渠道破損最為普遍的表現(xiàn)形式。渠道除了會由于水流沖蝕、基礎(chǔ)不均勻沉降、凍脹變形等引起滲漏以外，渠水中含有的碎砂、碎石會隨著水流的流動撞擊渠道表面，這是造成渠道滲漏的主要原因。因此，針對小水電漿砌石渠道的運行環(huán)境，分析渠道滲漏的原因，研究相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)是非常必要的。

建于山區(qū)中的漿砌石渠道一般都是順勢挖溝而建，具有走勢不規(guī)則、彎道多的特點，渠道內(nèi)側(cè)會有雜草、青苔附著于表面，外側(cè)植被也比較茂盛，如圖2所示。夏季時，在靠近農(nóng)田的渠段發(fā)生滲漏，會導(dǎo)致渠道兩側(cè)的農(nóng)田有局部內(nèi)澇的現(xiàn)象，而且地邊的溝坎中會有滲水流出，這直接導(dǎo)致農(nóng)田種植面積減少，影響農(nóng)民莊稼收成。

圖2 農(nóng)村小水電漿砌石引水渠道滲漏現(xiàn)象Fig.2 Leakage phenomenon of slurry masonry channel of the rural small hydropower station

在建設(shè)時期，由于各方面條件的限制，造成渠道自身結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工質(zhì)量存在問題，這是漿砌石渠道滲漏的根本原因。例如：砌筑砂漿標(biāo)號低、坐漿不飽滿、砂漿插搗不密實、勾縫技術(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求、養(yǎng)護(hù)不到位等，直接導(dǎo)致建成后的砌體穩(wěn)定性、抗凍性、耐磨性、防滲性能以及抗鹽、堿腐蝕性較差。在后期運行時，渠道受到水流沖蝕、磨損，以及碎砂、碎石的撞擊，引起混凝土勾縫脫落，進(jìn)而導(dǎo)致砌石損壞、脫落、鼓脹現(xiàn)象的發(fā)生。若不及時采取修復(fù)措施，渠水將會沿施工接縫、止水縫、伸縮縫以及脫落的混凝土勾縫等向外滲漏[9]。另外，如果是填方渠段，渠道滲水將會帶走填土中的黏性細(xì)顆粒，形成滲流通道，最終發(fā)生坍塌等安全事故。

1.3 土渠的破損

土渠是小水電工程中常用的引水建筑物之一。雖然土渠的防滲效果相比于漿砌石渠道較低，但是土渠的建造更為方便快捷，而且經(jīng)濟(jì)成本也比較低。在一些水資源豐富，但是經(jīng)濟(jì)相對落后的地區(qū)，輸水建筑物常采用土渠與漿砌石渠道相結(jié)合的方式。

農(nóng)村小水電工程中的土渠大多數(shù)是用膨脹土修建的。膨脹土是一種高塑性黏土，承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮、反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性[10]。膨脹土渠的破壞類型主要有：淺表性蠕動變形破壞、受結(jié)構(gòu)面控制的較深層或深層滑動破壞、坡腳軟化引起的坍滑型破壞。其中，小水電土渠發(fā)生的破損以坍滑型破壞為主，這是因為土體長期裸露于復(fù)雜的山區(qū)自然環(huán)境中，極易發(fā)生干濕循環(huán)，地表水浸泡，以及降水入滲或地表水(包括渠水)的入滲。一方面，入滲水不但會軟化結(jié)構(gòu)面，引起結(jié)構(gòu)面端部的應(yīng)力集中[11]，還會在后緣拉裂面直接產(chǎn)生靜水推力。另一方面，由于膨脹土力學(xué)強(qiáng)度會隨著含水量的升高急劇下降，被入滲水長時間浸泡后的膨脹土強(qiáng)度幾乎喪失殆盡，最終導(dǎo)致土渠邊坡極易產(chǎn)生坍滑型破壞。這類破壞沒有明顯的滑移面，邊界不規(guī)則，一般表現(xiàn)為坡腳因浸泡而喪失強(qiáng)度，然后其上部的土體因失去支撐進(jìn)而產(chǎn)生拉裂下挫。

2 農(nóng)村小水電建筑物破損修復(fù)技術(shù)

不同于大型水電站，農(nóng)村小水電具有自身的特殊性，其大部分建立在地勢偏遠(yuǎn)的農(nóng)村山區(qū)，并且電站效益遠(yuǎn)不及大型水電站。所以，在對小水電建筑物進(jìn)行破損修復(fù)時，不能完全依照大型水電站的修復(fù)技術(shù)。首先，由于山區(qū)地勢條件的限制，大型水電站使用的修復(fù)設(shè)備體積較大，運輸操作復(fù)雜，通常不能在小水電破損修復(fù)工程中使用。其次，在后期維護(hù)管理方面，小水電缺乏資金投入，受到經(jīng)濟(jì)條件、人力物力等方面的限制。因此，小水電建筑物的破損修復(fù)應(yīng)盡可能地滿足施工方便，工程造價低的修復(fù)原則。另外，在修復(fù)施工時，必須注意對山區(qū)自然生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，不能在施工過程中對周圍環(huán)境造成污染。下面針對小水電引水建筑物常見的破損類型，給出了有針對性的修復(fù)技術(shù)，這些破損修復(fù)技術(shù)同樣適用于其他建筑物類似破損情況的修復(fù)。

2.1 鋼筋銹蝕引起混凝土剝蝕的修復(fù)

此類破損主要發(fā)生在水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，尤其是一些混凝土保護(hù)層較薄的結(jié)構(gòu)，如引水渡槽。在對此類病害進(jìn)行修復(fù)之前，應(yīng)該對渡槽結(jié)構(gòu)的整體安全可靠度作出評估。如果鋼筋銹蝕程度嚴(yán)重，已經(jīng)不能保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的運行，就必須對銹蝕嚴(yán)重的鋼筋進(jìn)行加固處理后[12]，才能進(jìn)行剝蝕混凝土的修復(fù)。

剝蝕混凝土的修復(fù)一般包含如下幾個基本步驟：①對剝蝕的混凝土進(jìn)行清除，包括已經(jīng)炭化或氯離子含量超過臨界值的混凝土；②對銹蝕嚴(yán)重的鋼筋進(jìn)行更換或補(bǔ)焊，保證加固后的鋼筋滿足強(qiáng)度要求；③進(jìn)行鋼筋和老混凝土表面的清洗，并在鋼筋表面涂抹防銹劑；④澆筑新的混凝土保護(hù)層，保護(hù)層厚度要達(dá)到規(guī)范要求。另外，為了使修補(bǔ)體與老混凝土能夠牢固結(jié)合、整體工作、共同承載，澆筑修補(bǔ)體時最好涂刷一層高強(qiáng)水泥砂漿，這是一種高黏結(jié)性界面處理劑[13]，而且經(jīng)濟(jì)成本較低。

2.2 漿砌石渠道滲漏水的修復(fù)

對農(nóng)村小水電漿砌石渠道的破損修復(fù)，若采用大型水電站渠道的修復(fù)方案進(jìn)行施工，就會存在工作量大、費用高、施工難度大、工藝復(fù)雜、工期長等問題。因此，對于不影響渠道整體穩(wěn)定性和防滲效果的小型裂縫來說，為了達(dá)到施工方便、節(jié)約成本的目的，一般采用直接涂抹水泥砂漿的方式進(jìn)行修補(bǔ)。如果開裂處位于水下，則可采用快凝水泥砂漿進(jìn)行涂抹，這樣的修補(bǔ)方法快捷、有效，往往一個人就可以完成，不用耗費大量的人力物力，符合小水電工程的破損修復(fù)原則。但如果渠道的滲漏嚴(yán)重，影響了渠道整體防滲效果，那就必須進(jìn)行基礎(chǔ)加固處理。小水電渠道的基礎(chǔ)處理一般有兩種：①對渠底起伏較大，排水不暢，渠底板凹凸不平，大面積積水的渠段，需要將原漿砌石拆除，更換新的漿砌石塊；②對基礎(chǔ)面松散，襯砌結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生變形的濕陷性土層，需進(jìn)行翻夯和灰土墊層處理，加強(qiáng)防滲襯砌，并鋪設(shè)砂礫石墊層。

一般來說，漿砌石渠道的破損在不影響電站基本運行的條件下，考慮到山區(qū)施工不便、經(jīng)濟(jì)條件有限的情況，對破損部位進(jìn)行基本處理，更換漿砌石塊后，就可以繼續(xù)運行使用。但如果漿砌石結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重，整個渠道存在坍塌的安全隱患，就不能這樣簡單的進(jìn)行處理，這種情況可以采用現(xiàn)澆素混凝土套襯技術(shù)進(jìn)行加固修復(fù)。

現(xiàn)澆素混凝土套襯的修復(fù)步驟一般包括：①漿砌石基面清理。包括對原漿砌石襯砌面以及渠底長期形成的淤積(石料表面的泥、水土、殘留的水泥漿等)進(jìn)行清理，然后拆除鼓脹、脫落的勾縫混凝土，并用清水沖洗附著在勾縫處的塵土和其他雜物；②模具安裝。施工前根據(jù)混凝土需要澆筑的厚度，確定鋼模板立模位置，利用鋼架進(jìn)行模板的支撐固定。其中，安裝時要求使用的鋼模板單塊面積小、重量輕、安裝簡易，人工即可進(jìn)行模板的支撐固定工作；③混凝土制備和運輸。由于山區(qū)現(xiàn)場施工環(huán)境特殊，不能采用混凝土泵車進(jìn)行澆筑，而是在需要防滲加固的渠段旁用小型攪拌機(jī)進(jìn)行混凝土的拌和，然后采用手推車進(jìn)行混凝土的運輸；④澆筑。按從下至上的順序進(jìn)行素混凝土的澆筑，混凝土坍落度控制在5～7 cm，采用振搗棒進(jìn)行振搗，澆筑深度達(dá)40 cm時，先用振搗棒自下而上振搗一遍，再進(jìn)行澆筑，如此反復(fù)進(jìn)行，直至澆筑結(jié)束；⑤伸縮縫和排水孔。為了節(jié)省工程造價，用木板在沿渠道方向上每隔6 m設(shè)置伸縮縫一道，在渠道內(nèi)邊坡底部，每隔5 m用塑料膠管設(shè)置排水孔一個；⑥養(yǎng)護(hù)。在12 h內(nèi)對澆筑后的混凝土進(jìn)行澆水，澆水次數(shù)應(yīng)能保持混凝土有足夠的潤濕狀態(tài)，養(yǎng)護(hù)期一般不少于7個晝夜。

采用現(xiàn)澆素混凝土的方法對渠道進(jìn)行防滲加固，工藝簡單、節(jié)省工期、節(jié)約投資、克服了山區(qū)勞動力匱乏、施工條件惡劣等因素，既能保持原渠道的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)不受破壞，又能保證修復(fù)加固后的渠道能夠達(dá)到安全運行標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 土渠坍塌型破壞的修復(fù)

大型土渠采用的土工膜防滲修復(fù)技術(shù)，造價高、施工工藝復(fù)雜，不適用于小水電土渠的破損修復(fù)。為了滿足修復(fù)工藝簡單、經(jīng)濟(jì)實用的原則，對小水電土渠坍塌型破壞的修復(fù)通常采用換填處理。換填材料一般與膨脹土力學(xué)性質(zhì)和滲透性相近的非膨脹性黏性土或改性處理后的膨脹土[11,14]。換填后，可減少膨脹土與外界的水分交換，使土體含水量始終處于一個基本穩(wěn)定值，從而限制淺表土體的反復(fù)脹縮作用，防止外部水滲入土體裂隙，進(jìn)而避免了膨脹土力學(xué)強(qiáng)度的下降，可以有效地防止坍滑型破壞的發(fā)生。

另外，采用的非膨脹性黏性土和改性處理后的膨脹土均具有較好的變形協(xié)調(diào)性，不會阻礙毛細(xì)水的運動，不會在處理界面引起含水量升高。而且，換填材料成本低，施工方便快捷，施工后也不會對土渠周圍環(huán)境造成污染，既達(dá)到了修復(fù)加固的目的，又保護(hù)了山區(qū)生態(tài)環(huán)境，符合農(nóng)村小水電的破損修復(fù)原則。

3 結(jié) 語

農(nóng)村小水電作為一種清潔的可再生能源，長期以來，得到國家的積極扶持和開發(fā)。經(jīng)過若干年的運行，建筑物普遍存在老化失修、水能損失嚴(yán)重、安全隱患較多等問題。為保障小水電工程安全穩(wěn)定的運行，本文通過現(xiàn)場調(diào)研和總結(jié)分析，得出以下幾點結(jié)論與建議。

(1)對農(nóng)村小水電破損建筑物進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，總結(jié)破損類型，研究破損原因，并提出有針對性的修復(fù)措施。這不僅能消除破損建筑物存在的安全隱患，保障周邊人民生命財產(chǎn)安全，又能提高發(fā)電效益。這對我國農(nóng)村小水電資源的合理開發(fā)利用具有重要的實際意義。

(2)本文結(jié)合農(nóng)村小水電工程的特殊性，以保證建筑物安全穩(wěn)定的運行為目的，提出了有針對性的、施工方便快捷的，并且施工工期短、工程投資低、綠色環(huán)保的修復(fù)技術(shù)。提出的修復(fù)技術(shù)不僅適用于引水建筑物的破損修復(fù)，也可用于其他建筑物類似破損情況的修復(fù)。

(3)目前，對農(nóng)村小水電建筑物的破損修復(fù)尚沒有一套完整的施工規(guī)范，也缺乏專門的施工設(shè)備。今后應(yīng)針對小水電工程的特殊性，進(jìn)行新材料、新工藝、新技術(shù)方面的研究，開發(fā)更適合小水電建筑物破損快速修復(fù)的實用技術(shù)。

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