吳 輝，梁金松

(1.中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 611800；2.國能大渡河瀑布溝發(fā)電有限公司，四川 雅安 625300)

0 前 言

目前國內(nèi)外很多水利水電工程運行超過數(shù)十年，泄洪消能建筑物及閘門出現(xiàn)了不同程度的破壞，有些水頭較高的工作閘門開啟風險較大，泄洪運行方式發(fā)生了變化[1]。針對泄水建筑缺陷查找分析破壞原因，采用合適的修復工藝及先進的修復材料對保障泄水建筑的穩(wěn)定運行顯得尤為重要。

1 破壞原因初步分析

1.1 工程概況

大渡河某水電站的深孔無壓泄洪洞布置于左岸地下廠房內(nèi)側(cè)花崗巖體內(nèi)，洞線順直，方位角N60°30′W，泄洪洞由進口、洞身(含補氣洞)、出口等三部分組成。進口為岸塔式，洞身段長2 024.82 m，采用同一底坡，坡度為0.058，最大泄量3 418 m3/s，最大流速約40 m/s，扭曲斜切挑流鼻坎位于溝口附近，挑流水舌坑靠河床左岸。隧洞沿線設(shè)有摻氣槽，在(泄)K0+931 m樁號處設(shè)置有一補氣洞。泄洪洞在工程建設(shè)的前期階段作交通洞使用，后期改建為泄洪洞。進口段樁號K0-011.50 m～K0+020.00 m一期全斷面澆筑襯砌混凝土C25，厚度1.35 m，后期改建泄洪洞時對底板邊墻二期澆筑抗沖磨硅粉混凝土C50，厚度0.5 m。

2020年汛后進洞檢查發(fā)現(xiàn)樁號K0-011.50 m～K0+020.00 m進口洞段左側(cè)邊墻整體垮塌破壞，僅靠近底板邊墻殘存少量混凝土，鋼筋被截斷，露出光滑的原一期混凝土邊墻，一二期結(jié)合處的錨筋被拉斷。樁號K0+020.00 m為隧洞A型斷面與B型斷面之間的結(jié)構(gòu)縫，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該處左邊墻橡膠止水發(fā)生拉斷破壞，其下游側(cè)邊墻表面出現(xiàn)不同程度的沖蝕破壞，嚴重處出現(xiàn)較深的沖坑并露出結(jié)構(gòu)鋼筋。泄洪洞進口段樁號K0-011.50 m為進口塔體與隧洞之間的結(jié)構(gòu)縫，檢查發(fā)現(xiàn)該處左側(cè)邊墻橡膠止水發(fā)生拉斷破壞。

在2017—2020年期間的汛期，每年泄洪洞投入運行的時段從6月(中下旬)—10月(中下旬)運行歷時較長；運行時最大泄量控制在2 000 m3/s左右，大部分泄量集中在500～2 000 m3/s，閘門長期處于局部開啟工作狀態(tài)，閘門孔口出口流速25～30 m/s。

1.2 破壞原因分析

泄洪洞在高速水流運行時會對流道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖蝕和振動作用，根據(jù)汛后進洞檢查情況和邊墻破壞形態(tài)，分析認為：左側(cè)邊墻一期襯砌C25混凝土與二期C50硅粉混凝土結(jié)合面的中上部光滑且未見鑿毛處理，施工時因新老混凝土結(jié)合不良存在施工縫，造成一二期有效結(jié)合面積減少并削弱其黏結(jié)作用，極大降低結(jié)構(gòu)安全性；二期硅粉混凝土澆筑質(zhì)量不佳易產(chǎn)生貫穿性溫度裂縫；上下游結(jié)構(gòu)縫橡膠止水因安裝不到位或質(zhì)量不佳原因易發(fā)生破壞，水流將擊穿結(jié)構(gòu)縫。當脈動水流通過結(jié)構(gòu)縫或二期混凝土貫穿裂縫滲透到新老混凝土結(jié)合不良的施工縫面時，在結(jié)合縫面對二期邊墻產(chǎn)生向洞內(nèi)方向的雙倍脈動壓力，造成削弱黏結(jié)作用的二期邊墻產(chǎn)生傾倒破壞，拉斷了上下游結(jié)構(gòu)縫的止水。樁號K0-011.50 m～K0+020.00 m左側(cè)邊墻C50硅粉二期混凝土垮塌破壞后，與上下游邊墻形成錯臺，在高速水流情況下該段未傾倒的底部邊墻和樁號K0+020.00 m右側(cè)邊墻表面被沖蝕破壞，導致樁號K0-011.50 m～K0+020.00 m底部邊墻鋼筋被沖斷，殘存部分二期混凝土和錨筋，樁號K0+020.00 m下游側(cè)邊墻部分混凝土沖掉露出鋼筋。

2 左側(cè)邊墻修復方案

針對上述三處部位的不同破壞情況，對泄洪洞進口洞段左側(cè)邊墻破壞范圍進行全部修復，具體修復方案如下：

2.1 左側(cè)邊墻樁號K0-011.50 m～K0+020.00 m邊墻修復

在樁號K0-011.50 m～K0+020.00 m左側(cè)邊墻范圍內(nèi)，鑿除底部邊墻殘存的C50硅粉混凝土，鑿出范圍至底邊混凝土內(nèi)，尺寸為橫水流向40 cm，豎直向深度為60 cm，露出原一期C25襯砌混凝土橫水流向鋼筋；新澆抗沖磨混凝土厚度0.5 m，布設(shè)單層鋼筋網(wǎng)，順流向鋼筋布置在靠迎水面?zhèn)?，迎水面鋼筋保護層厚度15 cm；在新澆抗沖磨混凝土豎向鋼筋與原一期襯砌混凝土橫水流向鋼筋之間采用彎鉤連接，雙面焊長度不小于5d；邊墻與底板之間的縱向施工縫設(shè)置膨脹止水條，膨脹止水條緊貼底板側(cè)，且距迎水面30 cm。邊墻修復剖面如圖1所示。

新澆抗沖磨邊墻混凝土范圍內(nèi)設(shè)置抗拔環(huán)型錨筋，水平向間距111.1 cm，鉛直向間排距100 cm；錨筋兩端分別與原一期襯砌混凝土豎向鋼筋和新澆抗沖磨混凝土外側(cè)鋼筋焊接，須在一期襯砌混凝土邊墻上鑿方形槽(寬40 cm，高40 cm，深20～30 cm)，以便環(huán)型錨筋可靠連接，雙面焊長度不小于5d(鋼筋直徑)。具體典型斷面示意如圖2所示。

圖1 邊墻修復典型剖面(單位：cm)

圖2 錨筋與邊墻鋼筋連接典型斷面(單位：cm)

對老混凝土表面鑿毛處理，粗骨料外露，并將粉塵、碎石、渣物、積水清理后方能入倉澆筑，以保證新老混凝土的良好黏結(jié)；新澆混凝土表面不平整度控制要求參考原設(shè)計。具體控制標準及處理要求如表1所示。

表1 泄洪洞表面不平整度控制標準及處理要求

2.2 樁號K0+020.00 m左邊墻下游側(cè)破壞及止水修復

鑿除樁號K0+020.00 m下游側(cè)邊墻破壞部位的混凝土，鑿出邊線按破壞邊界外延50 cm，形狀規(guī)則，最小深度不小于20 cm為原則，原鋼筋保留；新澆筑抗沖磨混凝土，設(shè)置縫面L型插筋并與邊墻表面鋼筋焊接，參數(shù)為直徑25 mm，水平間距50 cm，豎向間距1 m，長度105 cm；并設(shè)置橡膠止水和膨脹止水條，新老橡膠止水可靠黏結(jié)，邊墻橡膠止水帶距迎水面30 cm，新老結(jié)合面的膨脹止水條距結(jié)構(gòu)表面10 cm，在結(jié)合面涂抹界面劑后方能澆筑抗沖磨混凝土，詳見圖3。

圖3 樁號K0+020.00 m橡膠止水及邊墻修復典型斷面(單位：cm)

2.3 樁號K0-011.50 m左側(cè)邊墻止水修復

樁號K0-011.50 m處，需鑿除進口塔體一側(cè)邊墻混凝土，原鋼筋保留，新澆抗沖磨混凝土，設(shè)置縫面L型插筋并將其與塔體表面鋼筋焊接，參數(shù)為直徑25 mm，水平間距25 cm，豎向間距1 m，長度105 cm；重新埋設(shè)橡膠止水和膨脹止水條，新老橡膠止水可靠黏接，邊墻橡膠止條水帶距迎水面30 cm，新老結(jié)合面的膨脹止水條距結(jié)構(gòu)表面10 cm，在結(jié)合面涂抹界面劑后方能澆筑抗沖磨混凝土。典型斷面如圖4所示。

圖4 樁號K0-011.50 m橡膠止水修復(單位：cm)

2.4 鉛直施工縫處理

左邊墻修復需要新澆筑抗沖磨混凝土，承包商可根據(jù)施工澆筑能力沿水流方向設(shè)置鉛直施工縫，施工縫面須鑿毛處理，并設(shè)置橡膠止水和膨脹止水條，水平鋼筋過縫，詳見圖5。

圖5 施工縫橫向典型斷面(單位：cm)

3 材料選擇

修復工程的造價、修復效果、耐久性和施工工期均與修復方案和修復材料有關(guān)。參考類似工程經(jīng)驗，目前國內(nèi)常用的抗沖磨材料主要有以下6種材料及修復技術(shù)方案?？箾_磨層復材料方案對比詳見表2。

3.1 方案一：水工高性能抗沖磨材料(C50)

高性能抗沖磨砂漿具備優(yōu)良的抗沖磨、力學、變形、耐久性能[2]。優(yōu)異的性能和適應(yīng)性使得它能滿足大部分水工構(gòu)筑物過流面的抗沖耐磨修補要求。它的主要技術(shù)特征包括：

高強。技術(shù)上主要通過提高密實度來實現(xiàn)強度的提高，當砂漿的密實度較高時，除了對強度有好處，還可以：減少砂漿過水面的空穴數(shù)；減少裂縫的產(chǎn)生及擴展。以上作用都利于砂漿的抗沖磨性能。

低彈。高強混凝土耐沖磨能力高，但是水工混凝土的沖磨是一個長期的過程，伴隨著水流在裹挾的固體物質(zhì)，不斷的沖刷和撞擊過流面的表面，彈性模量如果太大，很容易在長期的撞擊下產(chǎn)生疲勞，繼而產(chǎn)生裂紋，最終被破壞。

抗裂。很多材料具有較好的抗沖磨性能，但是在實際應(yīng)用中卻比較難以取得良好的效果，主要是由于在強調(diào)高強度性能的同時，造成施工性能下降，施工后表面產(chǎn)生微裂紋，作為一個整體性能優(yōu)異的材料，產(chǎn)生裂紋之后，造成了應(yīng)力集中，很容易從裂紋處這個薄弱點開始破壞，最終使材料失效。

3.2 方案二：PVA(聚乙烯醇)纖維混凝土

在眾多合成纖維中，聚乙烯醇(以下簡稱“PVA”)纖維因具有加工簡單、耐酸堿腐蝕性強、彈性模量高等特點，已被廣泛應(yīng)用于建筑、大壩、港口、路面、橋梁等工程中[3]。

PVA纖維混凝土具有抗沖磨性能優(yōu)異，強度高以及良好的抗裂性能。優(yōu)異的性能和適應(yīng)性使得它能滿足大部分水工構(gòu)筑物過流面的抗沖耐磨修補要求。摻入PVA(聚乙烯醇)纖維后，雖然會導致混凝土單方用水量增大，絕熱溫升增高，但其能明顯地提高混凝土抗拉強度與極限拉伸值，同時可以降低混凝土自生收縮，有利于抗裂。采用抗沖磨低熱42.5級硅酸鹽水泥。

表2 抗沖磨層修復材料方案對比

3.3 方案三：HF混凝土抗沖磨層

HF混凝土是近年在工程中使用較多的水工護面材料，具有和易性好、抗裂性能好，工程使用實際效果好等優(yōu)點，得到了工程界較為廣泛的認知[4]。

在水電工程中HF混凝土的主要技術(shù)途徑是使用激發(fā)材料激發(fā)水泥中摻入的摻合料及外摻粉煤灰等摻合料的活性，使膠凝材料體系的活性盡早、盡量地表現(xiàn)出來，因此，HF混凝土早期表現(xiàn)的混凝土抗裂性能要優(yōu)于硅粉混凝土，而后期HF混凝土性能與硅粉混凝土比對沒有明顯的優(yōu)勢，特別是其抗沖磨性能比對于其他技術(shù)方案，是沒有任何優(yōu)勢的。

3.4 方案四：硅粉混凝土抗沖磨層

80年代以后隨著高效減水劑和高強硅粉混凝土在我國的推廣應(yīng)用，硅粉的加入改善了漿體自身的抗磨性以及漿體與集料之間的界面，從而使集料在受到水流和泥沙的沖擊時難以被沖蝕，因而有效提高了混凝土的抗沖磨性能，但存在的問題是硅粉高強混凝土收縮，尤其是自收縮較普通混凝土明顯增大，這種早期的自收縮在混凝土內(nèi)部及外部的約束應(yīng)力與溫度應(yīng)力疊加，極易引起混凝土的開裂。

3.5 方案五：環(huán)氧混凝土

環(huán)氧膠泥/砂漿是以環(huán)氧樹脂為主劑，配以促進劑等一系列助劑以及骨料，經(jīng)混合固化后形成一種高強度、高黏結(jié)力的固結(jié)體，具有優(yōu)異的抗?jié)B、抗凍、耐鹽、耐堿、耐弱酸防腐蝕性能及修補加固性能。

該方案主要的優(yōu)勢是修復材料本體具備良好的力學變形和抗沖磨性能，但其缺點也是很明顯的，如基層的處理較為重要，需要在干燥環(huán)境下涂刷界面材料，控制不佳往往會導致環(huán)氧膠泥/砂漿與基層混凝土的黏結(jié)性能不好；材料本體的線膨脹系數(shù)與基層混凝土存在較大的差異，運行環(huán)境變化往往會導致環(huán)氧膠泥/砂漿從基層脫落；施工工藝較為復雜，造價較高；有機材料的耐候性、環(huán)境友好性雖然經(jīng)過長期論證，但尚無明確結(jié)論。

3.6 方案六：高標號混凝土

針對實際施工條件，可考慮C50高標號泵送混凝土進行施工。高標號泵送混凝土膠凝材料用量高、水膠比低，對原材料的技術(shù)要求高。

高標號的泵送混凝土由于膠材用量高、水膠比小，其性能指標體現(xiàn)彈性模量高、干縮值較大、自生體積變形呈明顯的收縮趨勢，如果混凝土的養(yǎng)護不到位，開裂幾率較大，同時，為了防止混凝土早期和中后期的開裂，必須在混凝土中摻入纖維材料，而這會對混凝土的密實度造成影響，導致混凝土的抗沖磨能力下降。

綜上所述，高標號混凝土、HF混凝土方案成本較低，而耐磨性稍差，抵抗高速水流沖刷的能力有所欠缺；而環(huán)氧材料強度高、抗沖磨性能好，同時也存在諸多不利因素，如：成本很高、對基面處理要求高、施工工藝復雜、返修困難，對環(huán)境的影響存在爭議。根據(jù)對上述材料方案的的物理力學性能、耐久性、耐磨性、施工便利性、環(huán)保等方面的綜合比選，本項目實施推薦采用方案二，即PVA(聚乙烯醇)纖維混凝土。

泄洪洞PVA(聚乙烯醇)纖維混凝土抗沖磨材料，混凝土拌合性能、力學性能與耐久性能見表3，推薦材料配合比見表4。

表3 混凝土性能試驗

表4 抗沖磨混凝土推薦配合比

4 施工組織設(shè)計

4.1 施工通道及物資供應(yīng)

本工程泄洪洞修復集中在進口部位，考慮到泄洪洞長達2 km，出口為挑坎，且洞內(nèi)共布置有8道摻氣坎，汽車無法從出口方向進入到入口，因此修復施工考慮利用進口工作閘門井作為施工人員、設(shè)備和材料運輸?shù)氖┕ねǖ?。因受現(xiàn)場條件所限，進口閘頂工作閘門啟閉門機、5T卷揚機使用效果均無法有效滿足本工程工期要求。經(jīng)過充分論證，最后采用在進口閘頂布置75 t汽車起重機，利用其機動性能、起吊能力作為垂直運輸?shù)踹\設(shè)備，將施工所需混凝土、鋼筋和模板等材料，以及施工設(shè)備等吊運至工作閘室底板，再轉(zhuǎn)運至工作面進行施工。

4.2 施工程序

邊墻修復施工工藝流程如下：基面處理(老混凝土鑿除，表面鑿毛)→施工放樣→布設(shè)抗拔環(huán)型錨筋和單層鋼筋網(wǎng)→周邊縫止水→模板加工與安裝→涂刷界面劑→混凝土拌和與運輸→澆筑抗沖磨混凝土→養(yǎng)護。

4.3 施工方法

4.3.1 基面處理

先采用手風鉆、劈裂棒、水鉆等方式鑿除邊墻下部殘存的C50硅粉混凝土，將底部基面鑿除至露出原一期C25襯砌混凝土橫水流向鋼筋，再用高壓水槍進行清洗，將表面的浮塵、松動顆粒和薄弱部分沖掉；搭設(shè)鋼管腳手架，采用切割機自上而下在一期襯砌混凝土邊墻上切成規(guī)則的凹槽，便于原一期襯砌混凝土豎向鋼筋和新澆抗沖磨混凝土外側(cè)鋼筋之間環(huán)型錨筋的焊接。采用風鎬或輕型電錘等工具對老混凝土表面鑿毛處理，粗骨料外露，并將粉塵、碎石、渣物、積水清理后方能入倉澆筑，以保證新老混凝土的良好黏結(jié)。剔除混凝土及時通過人工配合汽車起重機運出泄洪洞，運至指定渣場堆放。

4.3.2 混凝土澆筑

本次左側(cè)邊墻修復范圍為樁號K0-011.50 m～K0+020.00 m，修復長度約31 m。邊墻混凝土采用“滿堂腳手架+組合鋼模板”施工。邊墻施工按15 m一倉設(shè)計，每倉澆筑高度2 m，模板均沿洞軸線方向，順洞底板坡度拼裝，內(nèi)置堵頭模，豎縫均鉛直分縫。鋼筋安裝在腳手架搭設(shè)形成的作業(yè)平臺上進行，由固定在腳手架上的手動葫蘆垂直運輸鋼筋，鋼筋搭接采用雙面焊接。

拌和好的混凝土采用6 m3攪拌車運輸至泄洪洞進口塔頂856 m高程，利用75 t汽車起重機吊運2 m3混凝土罐下運至工作閘門室底板795 m高程集料斗，然后轉(zhuǎn)HB30混凝土泵泵送入倉澆筑。澆筑上升速度控制在50 cm/h以內(nèi)，以避免上升速度過快導致模板變形。鋪料厚度控制在30～50 cm間。澆筑時人工利用工作窗進行振搗，澆筑完成后混凝土待強24～48 h開始脫模，進入下一循環(huán)。墻拆模后即進行覆蓋土工布(無紡)、濕麻袋進行流水養(yǎng)護，防止了抗沖耐磨混凝土產(chǎn)生早期塑性開裂。

4.3.3 止水修復

在混凝土澆注過程中把橡膠止水帶部分或全部澆埋在混凝土中，由于混凝土中有許多尖角的石子和銳利的鋼筋頭，所以在止水帶定位和混凝土澆搗過程中，應(yīng)注意安裝定位方法和澆搗壓力，以免止水帶被刺破，影響止水帶的防水效果。

在進行橡膠止水帶的澆埋時要使其與混凝土界面貼合平整，接頭部分黏結(jié)緊固，澆埋過程中要以適當?shù)牧Τ浞终饟v混凝土，使其與混凝土結(jié)合良好，以獲得良好的止水效果。固定止水帶只能在其允許的部位上穿孔打洞。

5 結(jié)論及建議

本文對泄洪洞內(nèi)高強度混凝土出現(xiàn)破壞的原因進行了分析，結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)的邊界條件，綜合對比各種修復材料特性及施工工藝，同時還結(jié)合電站防汛工期的硬性要求，提出了采用PVA(聚乙烯醇)纖維混凝土的修復方案。通過吊車垂直運輸與泵送入倉的方式，克服泄洪建筑洞身內(nèi)混凝土澆筑的困難，并取得了良好的修復效果，對類似工程具有一定的指導和借鑒意義。建議：

(1)泄洪洞運行多年后，在每年汛后需重點檢查，若發(fā)現(xiàn)有變形破壞跡象，及時做好應(yīng)對措施。

(2)通過運用低熱42.5級硅酸鹽水泥摻入PVA纖維，能明顯的提高混凝土抗拉強度與極限拉伸值，同時可以降低混凝土自生收縮，有利于抗裂，對混凝土流道修復作用顯著。

(3)修復過程中上下游結(jié)構(gòu)縫橡膠止水安裝質(zhì)量必須得到保障，避免脈動水流通過結(jié)構(gòu)縫在新老混凝土結(jié)合縫面對二期邊墻產(chǎn)生向洞內(nèi)方向的雙倍脈動壓力，這樣可以大大提高修復后二期邊墻的使用壽命。