王瑞瑤，劉彥琦

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

我國的水能資源主要分布在西部和中南部地區(qū)，西南地區(qū)區(qū)域內(nèi)河流眾多，河道坡陡流急，泥沙問題十分突出，尤其是水流中石塊來量豐富，粒徑級配分布寬，對水電工程充磨破壞更為嚴重。由于懸移質(zhì)和推移質(zhì)含量大，水流速度高，泄水建筑物的沖磨和空蝕問題已經(jīng)成為山區(qū)多泥沙河流水電站運行中的主要病害之一。如何正確認識懸移質(zhì)和推移質(zhì)磨損的特點，制定正確的防沖抗磨設計原則，選擇經(jīng)濟適用的耐磨材料，較好地解決水工建筑物的防沖抗磨問題，是水工設計的一個重要課題。本文以某水閘為例，分析了過流建筑物發(fā)生破壞的原因，介紹了山區(qū)多泥沙河流閘室及護坦修復設計的經(jīng)驗。

1 工程概況

某水閘所在河段平均坡降為19.6‰。河流泥沙含量大，推移質(zhì)活動劇烈。根據(jù)工程水文站實測懸移質(zhì)顆粒級配資料，計算得平均懸移質(zhì)顆粒級配，其最大粒徑3 mm，中數(shù)粒徑0.062 mm，粒徑大于0.1 mm的沙重占34.3%，粒徑大于0.25 mm的沙重占20.3%，懸移質(zhì)泥沙中硬礦物含量占總重量的53.4%。根據(jù)工程河段床沙取樣分析成果，其該河段床沙最大粒徑為340 mm，中數(shù)粒徑125mm。經(jīng)推算得壩址河段的推移質(zhì)年平均輸沙量為3.7～5.8 萬t。

本工程最大擋水高度為19 m。首部樞紐建筑物由混凝土重力壩、沖沙泄洪閘、取水樞紐、攔沙坎等組成。沖沙閘為平底閘，閘后接坡比為1:10的護坦，護坦長48 m，寬31.52 m，護坦上有分水導墻和閘墩。護坦底板厚度為1.0 m，其中面層為抗沖耐磨混凝土，混凝土強度等級C30HF，厚50 cm，底層混凝土強度等級為C20，厚50 cm，底板上層鋼筋布置于抗沖磨混凝土頂面，混凝土保護層厚度為10 cm。

2 閘室及護坦底板現(xiàn)狀及成因分析

2.1 閘室及護坦現(xiàn)狀

某水閘已運行12年，運行整體平穩(wěn)，狀態(tài)良好。然而，工程經(jīng)過多年投產(chǎn)運行，泄洪時水流裹挾著泥沙，尤其是其中的推移質(zhì)對泄洪建筑物產(chǎn)生沖蝕、磨損和沖刷等不同程度的破壞。某年汛期過后，清理過水及泄水建筑物內(nèi)淤積泥沙時，發(fā)現(xiàn)閘室底板及護坦存在不同程度的破損情況。閘室工作門槽下游平段底板出現(xiàn)大面積淘刷，但鋼筋未出露。護坦段底板頂面部分混凝土被沖蝕，沖刷面積為662 m2，占護坦總面積的65%，破損處平均深度為0.3～0.5 m不等，并伴隨有骨料出露、鋼筋裸露的現(xiàn)象，部分鋼筋被水流沖斷后向下游方向彎折。沖沙閘閘室底板及消力池、護坦破壞情況見圖1～2。

2.2 成因分析

(1)推移質(zhì)的沖撞、磨損等綜合作用，造成護坦底板的破壞。工程所在河流屬山區(qū)性河流，河谷狹窄，河床坡降大，工程所在河段平均坡降為19.6‰。流域內(nèi)植被稀少，巖石風化嚴重，汛期在降雨作用下，大量的推移質(zhì)泥沙進入河道，其粒徑一般為0.1～0.3 m。由于河道坡降大，推移質(zhì)在水流中大多以滾動或跳躍運動的方式前進，在這些推移質(zhì)的沖撞、磨損等綜合作用下，造成泄水建筑物產(chǎn)生較大的破壞。當沖蝕發(fā)生時，局部較薄弱的混凝土首先發(fā)生破壞產(chǎn)生麻面，然后逐漸發(fā)展為沖坑，當水流沖刷時間較長后，沖坑面積及深度增大，致使鋼筋裸露甚至折斷。

圖1 沖沙閘閘室底板現(xiàn)狀

圖2 護坦鋼筋出露、折斷

(2)閘門小開度運行對消力池底板沖刷不利。沖沙泄洪閘是首部樞紐中主要的過水過沙建筑物，沖砂閘為平板閘門，閘門局部開啟高度大多在0.5～4.0 m之間，閘門小開度運行束窄了過水斷面，使得挾沙水流的流速增大，增加了推移質(zhì)泥沙對消力池及護坦底板的磨損。

(3)閘室、護坦底板抗沖層混凝土與基礎混凝土施工上可能存在缺陷，存在層間結(jié)合不好的問題。

3 閘室及護坦底板修復方案設計

3.1 閘室工作門槽下游平段底板修復

(1)為保證修復材料與老混凝土黏結(jié)牢固，將閘室工作門槽下游平段底板部位的混凝土表面進行鑿毛清理(最小厚度保證在2～3 cm)，出露新鮮混凝土基面，確?；A面干凈、無沙粒、粉塵、油污等雜質(zhì)。

(2)待混凝土基面干燥后，先用毛刷在混凝土基面上均勻地涂刷底層界面處理劑，要求薄而均勻、不流淌、不漏刷。待處理劑表面不流動，指觸拉絲時，將拌好的環(huán)氧砂漿涂抹至修復面上(環(huán)氧砂漿要涂抹至原結(jié)構(gòu)面高程)，涂抹時要邊壓實邊抹光。

(3)環(huán)氧砂漿材料主要性能指標詳見表1。

表1 環(huán)氧砂漿材料主要性能指標

3.2 護坦段底板修復

(1)將沖蝕部分已外露彎曲的鋼筋切除，對護坦底板部位混凝土進行鑿除處理，鑿除厚度為30 cm以確保硅粉混凝土厚度不小于30 cm，出露新鮮混凝土基面，確?；A面干凈、無沙粒、粉塵、油污等雜質(zhì)。

(2)為增強新老混凝土的連接，在鑿除后的護坦混凝土面布置20插筋，插筋為“L”型，間排距為1.5 m，插筋應插入老混凝土中80 cm，外露20 cm，外露鋼筋應進行彎折10 cm以增強其混凝土的握裹力，彎折鋼筋與新增縱橫向鋼筋盡量焊接牢固，鋼筋保護層厚度20 cm。

(3)為增強新澆筑混凝土的整體性，滿足護坦的結(jié)構(gòu)設計。在鑿除后的護坦混凝土面重新布置16的縱橫向鋼筋，間排距為20 cm，鋼筋保護層厚度20 cm，新布置的縱橫向鋼筋應與原鋼筋、插筋焊接，鋼筋接頭應滿足《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》要求。

(4)在鑿毛后的老混凝土面上澆筑30 cm的C40硅粉混凝土，并按原混凝土結(jié)構(gòu)分縫，縫寬1.0 cm。護坦新澆C40硅粉混凝土排水孔布置及直徑(10 cm)設置均保證與原護坦排水孔一致，并確保排水孔暢通。

護坦底板鋼筋布置原則見圖3，C40硅粉混凝土配合比應通過實驗確定，參考配合比見表2。

表2 C40抗沖磨混凝土參考配合比

圖3 護坦底板鋼筋布置示意

4 結(jié) 語

(1)山區(qū)水閘常年受泥沙沖磨作用，閘室和護坦的沖刷破壞是常見病害，應及時開展汛后安全檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

(2)從本工程及其他工程的運行結(jié)果看，護坦配筋時，將鋼筋置于結(jié)構(gòu)頂層其抗沖耐磨的效果并不明顯。當混凝土保護層被沖刷使鋼筋裸露脫離混凝土時，鋼筋會被沖斷或彎折。鑒于此原因，建議護坦鋼筋應布置于抗沖耐磨混凝土的下部或常態(tài)混凝土頂部，此種布置方式不但有利于保證結(jié)構(gòu)安全而且便于后期維修。

(3)泄洪閘和沖沙閘是首部樞紐建筑物的主要過水過沙建筑物。由于閘室過水斷面較窄，過閘水流流速較高，推移質(zhì)泥沙對閘底板和閘墩下部的磨損最嚴重。在工作閘門以前的部位，常年處于水下，檢修時需停機放空庫水，影響發(fā)電，基于以上原因，可在工作閘門前閘室底板和邊墻設置鋼襯襯護防沖刷。

(4)近年來我國新型抗沖耐磨材料在水電站修復中已大量使用。除了本文所述的材料外，還包括鋼纖維混凝土、聚合物混凝土等?？筛鶕?jù)需修復建筑物的功能和特點，選用不同類型的新型材料，以達到投資少、工期短、效果好的目的。