張志嬌 王寶紅

國(guó)內(nèi)某水電站水下自密實(shí)混凝土配比工藝及應(yīng)用

張志嬌 王寶紅

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

在水電站施工中，由于水電站發(fā)電運(yùn)行的限制，各水工建筑物損毀維護(hù)加固或重新建造，需要考慮沒(méi)有干地施工的條件限制，水下混凝土施工方案是目前的較佳選擇。文章通過(guò)金牛坪水電站水下修補(bǔ)真實(shí)案例，從工藝、原材料的質(zhì)量要求及施工注意事項(xiàng)三個(gè)方面闡述水下自密實(shí)混凝土施工工藝，以期為水下修補(bǔ)施工提供參考。

水下自密實(shí)混凝土；配比；施工

引言

金牛坪水電站位于廣西桂江中下游昭平縣馬江鎮(zhèn)上游約7 km處，距昭平縣城約50 km，上接下福水電站，下承京南水電站。工程以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)等綜合效益?？傃b機(jī)容量為60 MW（3×20 MW）。該水電站工程于2004年10月22日正式開(kāi)工；2006年8月22日一期工程（右岸重力壩、船閘、河床式廠房和4#～7#壩段）通過(guò)驗(yàn)收；2007年3月30日二期工程（8#～16#壩段、左岸重力壩）通過(guò)驗(yàn)收，同年5月20日第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，12月28日全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電；2008年6月通過(guò)工程蓄水安全鑒定[1]。2019年3月，青島鑫龍達(dá)海洋工程有限公司第一次調(diào)遣人員對(duì)金牛坪水電站泄水閘流道及上游10 m范圍基礎(chǔ)、門槽、消力池、下游河床、導(dǎo)墻進(jìn)行水下檢查；2019年9月第二次調(diào)遣人員對(duì)發(fā)電進(jìn)水口檢修門槽、攔污柵槽、尾水門槽及相應(yīng)流道進(jìn)行水下檢查[2]。

經(jīng)過(guò)水下檢查后，相關(guān)結(jié)果顯示：10#～12#泄水閘消力坎末端基巖被掏空，自10#泄水閘下游右側(cè)導(dǎo)墻開(kāi)始，一直延伸至12#泄水閘墩部位；消力池下游左岸護(hù)坡底部基巖被沖刷掏空，破損高度為30～700 cm，深度為50～500 cm，長(zhǎng)度達(dá)50 m；10#泄水閘消力池右側(cè)導(dǎo)墻的基巖被沖刷破壞，破壞處長(zhǎng)7.5 m，且導(dǎo)墻下游末端3.0 m部位底部左右側(cè)已貫通；1#～3#機(jī)組尾水渠護(hù)坦共有六處受到不同程度的沖刷掏空；大壩上游面有兩處基巖出現(xiàn)被掏空破壞現(xiàn)象，其中一處破壞長(zhǎng)達(dá)30.5 m，上下游寬2.8 m，深0.9 m。以上的沖刷掏空將逐漸影響水工建筑物的安全。根據(jù)金牛坪水電站水下檢查報(bào)告及大壩安全管理的相關(guān)規(guī)定，需要對(duì)10#～12#泄水閘消力坎末端基巖、消力池下游左岸護(hù)坡底部基巖、10#泄水閘消力池右側(cè)導(dǎo)墻基巖、1#～3#機(jī)組尾水渠護(hù)坦、大壩上游面兩處基巖等被掏空部位進(jìn)行成因分析，提出加固處理方案，編寫施工方案措施，并依方案編制處理的投資預(yù)算，為水下修補(bǔ)施工提供依據(jù)。

1 成因分析

1.1 10#～12#泄洪閘消力坎末端基巖被掏空的原因

金牛坪水電站于2004年10月動(dòng)工興建，2006年12月投入運(yùn)行，2007年12月竣工。水電站運(yùn)行至今已將近14年，水下混凝土及基巖因水流沖刷、腐蝕而局部受到破壞。消力池尾坎處底板凹凸起伏，消力池尾坎出來(lái)后連接的河床與消力坎有一定的高程差，水流不能平順過(guò)度，容易在消力池尾坎后產(chǎn)生旋渦流，水流沖刷基巖。消力池基巖在旋渦水流中不斷被沖刷，基巖會(huì)先出現(xiàn)坑窩，之后坑窩會(huì)不斷擴(kuò)大，洪水沖刷會(huì)更嚴(yán)重，基巖漸漸被掏空。隨著時(shí)間推移，掏空程度會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，水下檢查結(jié)果顯示，金牛坪水電站消力池尾坎后基巖被掏空最深處達(dá)4.5 m，深入底板深度達(dá)3.0 m。

1.2 10#泄水閘消力池右側(cè)導(dǎo)墻基巖被沖刷的原因

水電站發(fā)電時(shí)，出庫(kù)流量、泄洪流量大，流速高且會(huì)產(chǎn)生水體翻滾。水位頻繁波動(dòng)甚至劇烈變化會(huì)造成建筑物的不穩(wěn)定，大壩下游出庫(kù)水體中還含有砂石，水流沖刷大壩邊墻混凝土，原有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)會(huì)遭到不同程度的破壞，大壩邊墻混凝土也會(huì)因運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸碳化，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，抗沖性能下降。因此，長(zhǎng)期受高速水流沖刷，導(dǎo)流墻及其基巖會(huì)逐漸破碎而形成掏空。在導(dǎo)流墻的末端，兩股不同流向的水流相交，會(huì)形成旋渦類流體。旋渦類流體會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)流墻基巖不斷被水流沖刷，致使基巖出現(xiàn)小部分坑窩，而后會(huì)不斷擴(kuò)大，高速水流時(shí)沖刷會(huì)造成更嚴(yán)重的破壞，基巖就會(huì)被漸漸地掏空。隨著時(shí)間推移，掏空會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重，導(dǎo)流墻基巖被掏空最深達(dá)到4.5 m，深入底板的深度達(dá)到3.0 m。

1.3 消力池下游左岸護(hù)坡底部基巖被沖刷的原因

基于上述原因，導(dǎo)流墻受出庫(kù)流量、泄洪流量、流速及水體翻滾的影響，其基礎(chǔ)會(huì)逐漸破碎而形成掏空。例如左側(cè)護(hù)坡沖刷掏空部位位于消力池尾坎后，尾坎后的高程在24.0 m 左右，但是導(dǎo)墻的末端河床在28.0 m左右，高速水流水體會(huì)直接沖刷高程較高的護(hù)坡。隨著時(shí)間推移，掏空會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重，金牛坪水電站導(dǎo)流墻護(hù)坡基巖被掏空最深達(dá)7.0 m，深入底板的深度達(dá)5.0 m。

1.4 1#～3#機(jī)組尾水渠護(hù)坦被沖刷的原因

同樣，水電站發(fā)電尾水流速大且產(chǎn)生翻滾，機(jī)組出力會(huì)引起水位波動(dòng)變化形成不穩(wěn)定流態(tài)，而混凝土因逐漸碳化而強(qiáng)度降低，抗沖磨性能下降。因此，長(zhǎng)期受發(fā)電尾水高速水流沖刷，1#～3#機(jī)組尾水護(hù)坦局部被沖刷。護(hù)坦的底板與水流的方向并不在相同平面上，會(huì)形成一定角度的沖刷。而尾水的護(hù)坦經(jīng)過(guò)近期的水下檢查，發(fā)現(xiàn)一共有六處受到不同程度的沖刷掏空，隨著時(shí)間推移，掏空會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重，目前最大的掏空尺寸為8.0 m（上下游）×1.0 m（左右岸）×0.5 m。

1.5 大壩上游面兩處基巖被掏空的原因

當(dāng)大壩泄水閘開(kāi)閘度不大時(shí)，水流在水閘底板處高速流過(guò)，大壩上游基巖掏空部位處于泄水閘正上游，此處基巖上的水流流速大，水體沖刷力強(qiáng)，在上游基巖與閘的基礎(chǔ)交接處的基巖出現(xiàn)局部裂縫后，沖刷破壞的速度會(huì)更快，水流破壞力更大，會(huì)逐步使上游基巖裂縫不斷擴(kuò)大直至出現(xiàn)成片掏空。

2 水下自密實(shí)混凝土加固原則

依據(jù)《混凝土壩養(yǎng)護(hù)修理規(guī)程（SL 230—2015）》，不屬于大壩關(guān)鍵基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)部位的水下修補(bǔ)可采用水下自密實(shí)混凝土澆筑。澆筑深度適宜水深2.5～12.5 m處的各類修補(bǔ)。在最大限度不影響電站正常發(fā)電運(yùn)行的情況下，減少機(jī)組停機(jī)次數(shù)，不修筑圍堰降低施工難度，計(jì)劃選用潛水法水下自密實(shí)混凝土對(duì)消力池尾坎后巖石及消力池左側(cè)導(dǎo)流墻尾部右側(cè)基巖等進(jìn)行處理。具體原則如下：（1）清除覆蓋在缺陷部位的基礎(chǔ)垃圾，即清除損壞的老舊混凝土，澆筑回填能滿足特定耐久性要求的水下自密實(shí)修補(bǔ)材料；（2）清除損傷的老舊混凝土?xí)r，最大限度不損壞周圍完好的混凝土，鑿除厚度應(yīng)均勻，不應(yīng)出現(xiàn)薄弱斷面；（3）選用工藝成熟、配比合理、質(zhì)量合格的修補(bǔ)材料，并按照規(guī)范嚴(yán)格把控施工質(zhì)量。

3 水下修補(bǔ)材料以及配合比

目前，用于水電站大壩等水工建筑物的水下混凝土缺陷修補(bǔ)材料主要為水泥基類的水下不分散混凝土和聚合物混凝土。水下不分散混凝土是在普通混凝土中加入絮凝劑，在水泥顆粒之間形成聯(lián)結(jié)成型結(jié)構(gòu)，增大吸附力，提高混凝土的耐久性與粘連性，抑制骨料的沉降和離析，從而使混凝土具有水下不分散性。水下不分散混凝土應(yīng)用在水電站大壩水下大體積混凝土的快速澆筑和修補(bǔ)。聚合物混凝土是以高分子脂類化合物為粘結(jié)劑，其與骨料（石子、砂）、水固結(jié)而形成的混凝土膠狀物具有高分子和無(wú)機(jī)材料的綜合性能。通過(guò)選擇不同類型的樹(shù)脂品種可以得到具有不同性能的混凝土，同時(shí)還可以通過(guò)加減一定比例的固化劑及減水劑的用量，來(lái)改變它在水中的固化速度，從而達(dá)到快速固化的目的。凝結(jié)時(shí)間可在十幾分鐘至數(shù)小時(shí)內(nèi)調(diào)節(jié)，水下不分散混凝土可以在數(shù)個(gè)小時(shí)內(nèi)達(dá)到30 MPa以上的抗壓強(qiáng)度和10 MPa以上的抗折強(qiáng)度[3]。聚合物混凝土與常規(guī)混凝土相比有極高的粘結(jié)性，粘結(jié)強(qiáng)度較高，通過(guò)調(diào)整樹(shù)脂的粘度，可以做到膠料和骨料在水中流動(dòng)不離析，可以保證在水中直接通過(guò)水層進(jìn)行澆筑，再配合倉(cāng)內(nèi)機(jī)械振搗，可以確保澆筑強(qiáng)度更高的同時(shí)避免裂縫出現(xiàn)。聚合物混凝土初始粘度不高，在水中即可自流平、自密實(shí)，并可以進(jìn)行薄層分層澆筑。水下聚合物混凝土基本性能強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 水下聚合物混凝土基本性能強(qiáng)度表 單位：MPa

設(shè)計(jì)單位及高?？蒲袉挝欢荚谶M(jìn)行自密實(shí)混凝土配合比的研究，通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)調(diào)整單方石子用量及外加劑用量[4]，得到自密實(shí)混凝土的不同基準(zhǔn)配合比。通過(guò)配合比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，最終得到更經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化配合比。

自密實(shí)混凝土實(shí)驗(yàn)首先將攪拌機(jī)注水濕潤(rùn)，然后把外觀良好的石子、砂、水泥、粉煤灰依次放入攪拌機(jī)中，攪拌30 s停機(jī)。啟動(dòng)攪拌機(jī)后，把稱量好的水及外加劑混合后均勻倒入攪拌機(jī)中，攪拌完成后立即開(kāi)展擴(kuò)展度、V形漏斗等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和記錄。

按照上述流程得到專用C30自密實(shí)混凝土配合比，如表2所示。

表2 專用自密實(shí)混凝土配合比

綜合分析，金牛坪水電站1#～3#機(jī)組尾水護(hù)坦混凝土掏空缺陷采用水下自密實(shí)混凝土（混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30）修補(bǔ)，并增設(shè)錨筋加固。泄水閘消力坎尾端基巖掏空、導(dǎo)流墻基巖掏空以及大壩上游基巖掏空采用水下自密實(shí)混凝土澆筑修復(fù)，并增設(shè)錨筋、鋼筋網(wǎng)予以加固。

4 施工方案

1#～3#機(jī)組尾水護(hù)坦混凝土掏空共6處，采用水下C30自密實(shí)混凝土修補(bǔ)。對(duì)于沖刷深度小于50 mm的，開(kāi)鑿深度要達(dá)到50 mm。另外新澆筑的這層水下混凝土如果太薄，其抗沖刷能力也會(huì)隨之降低，考慮到這個(gè)部位的重要性和形式的特殊性，適宜把開(kāi)鑿深度加大到50 mm，但最好不超過(guò)70 mm，以確保安全。掏坑底部布設(shè)錨筋，錨筋直徑為14 mm，錨固深度為300 mm，間距為300 mm。澆筑后需保持與原護(hù)坦一樣的平整度。尾水護(hù)坦混凝土修補(bǔ)加固圖如圖1所示。

圖1 尾水護(hù)坦混凝土修補(bǔ)加固圖（單位：mm）

4.1 消力池尾坎基礎(chǔ)修復(fù)

10#～12#泄洪閘消力坎末端基礎(chǔ)淘刷比較嚴(yán)重，掏空至高程19.0 m。從消力坎末端結(jié)構(gòu)線往下游側(cè)起寬度2.0 m范圍，進(jìn)行鋼筋混凝土護(hù)底至頂部高程22.0 m。鑒于消力坎下游流態(tài)紊亂，為保證護(hù)底混凝土長(zhǎng)期穩(wěn)定，護(hù)底混凝土布設(shè)系統(tǒng)錨筋，錨筋形式為：布置2排錨筋，=1.5 m，直徑為25 mm，間距為1.5 m，入巖1.0 m，梅花形布置。此外，增設(shè)一層Φ20@200（mm）雙向面層鋼筋網(wǎng)，錨筋與鋼筋網(wǎng)在水下焊接成一體。

4.2 10#泄水閘下游導(dǎo)流墻基礎(chǔ)修復(fù)

導(dǎo)流墻基礎(chǔ)淘刷嚴(yán)重，從導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)線往兩側(cè)寬度2.0 m范圍，進(jìn)行澆筑水下不分散混凝土。為保證護(hù)底混凝土長(zhǎng)期穩(wěn)定，護(hù)底混凝土布設(shè)系統(tǒng)錨筋，錨筋形式為：布置2排錨筋，=1.5 m，直徑為25 mm，間距為1.5 m，入巖1.0 m，梅花形布置。此外，增設(shè)一層Φ20@200（mm）雙向面層鋼筋網(wǎng)，錨筋與鋼筋網(wǎng)在水下焊接成一體。

4.3 消力池左側(cè)導(dǎo)墻（護(hù)坡）基礎(chǔ)修復(fù)

消力池左側(cè)護(hù)坡基礎(chǔ)淘刷嚴(yán)重，從樁號(hào)下0+048.5至下0+098.5的基礎(chǔ)均被沖刷，沖刷面積巨大，本次進(jìn)行澆筑水下不分散混凝土，為保證護(hù)底混凝土長(zhǎng)期穩(wěn)定，護(hù)底混凝土布設(shè)系統(tǒng)錨筋，錨筋形式為：布置2排錨筋，=1.5 m，直徑為25 mm，間距為1.5 m，入巖1.0 m，梅花形布置。此外，增設(shè)一層Φ20@200（mm）雙向面層鋼筋網(wǎng)，錨筋與鋼筋網(wǎng)在水下焊接成一體。

4.4 大壩上游基礎(chǔ)修復(fù)

壩體上游共有兩處基巖被掏空，其中一處左右岸長(zhǎng)5.0 m，上下游寬1.2 m，深2.7 m。破損下游面緊靠閘室上游底檻；另一處左右岸長(zhǎng)30.5 m，上下游寬2.8 m，深0.9 m，也緊靠閘室上游底檻。緊靠閘室，對(duì)大壩穩(wěn)定尤為不利，有危及大壩安全的風(fēng)險(xiǎn)。從運(yùn)行的長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，為保證大壩的安全，本次基礎(chǔ)淘刷進(jìn)行回填處理?；靥頒30水下不分散混凝土，為保證護(hù)底混凝土長(zhǎng)期穩(wěn)定，布置1排錨筋，=1.5 m，直徑為25 mm，入巖1.0 m，間距為2.0 m。閘室上游基礎(chǔ)修補(bǔ)加固圖如圖2所示。

圖2 閘室上游基礎(chǔ)修補(bǔ)加固圖（單位：mm）

5 結(jié)束語(yǔ)

目前水電站大壩的除險(xiǎn)加固經(jīng)常受到水電站發(fā)電運(yùn)行的制約，不能及時(shí)創(chuàng)造干地施工條件。因此水下自密實(shí)混凝土不需要修建圍堰、不需要機(jī)組停機(jī)配合的優(yōu)勢(shì)便彰顯出來(lái)。水下施工屬于特種施工，要有相關(guān)工程資質(zhì)及技術(shù)能力的單位才能實(shí)施。施工過(guò)程的質(zhì)量控制及竣工質(zhì)量驗(yàn)收應(yīng)該參照《水工混凝土施工規(guī)范（DL/T 5144—2015）》執(zhí)行。在施工過(guò)程中，應(yīng)對(duì)水下倉(cāng)面的清理、錨筋的布置、混凝土的澆筑等隱蔽工程或關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水下錄像驗(yàn)收見(jiàn)證，便于施工質(zhì)量控制。施工完成后，應(yīng)委托第三方單位對(duì)修補(bǔ)部分進(jìn)行復(fù)核和檢測(cè)，以確保施工質(zhì)量。

[1] 郭紅軍，陳志偉，李前進(jìn)，等. 廣西金牛坪水電站第二次大壩定檢報(bào)告[R]. 南寧: 國(guó)家能源局大壩中心，2020.

[2] 陳鳳柱，郭亮，陳紅標(biāo)，等. 金牛坪水下檢查報(bào)告[R]. 青島: 青島鑫龍達(dá)海洋工程有限公司，2019.

[3] 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院. 水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程: DL/T 5117—2000[S]. 北京: 中國(guó)電力出版社，2000.

[4] 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì). 水工混凝土外加劑規(guī)程: DL/ T5100—2014[S]. 北京: 中國(guó)電力出版社，2014.

Technology and Application of Proportion of Underwater Self-Compacting Concrete in a Hydropower Station in China

In the construction of hydropower stations, due to the limitations of power generation and operation, various hydraulic structures are damaged, maintained, reinforced, or rebuilt. It is necessary to consider the lack of dry land construction conditions, and the underwater concrete construction plan is currently the preferred choice. The construction of underwater self-compacting concrete has always been a hot topic of attention in hydropower engineering construction. This article elaborates on the real case of underwater repair in Jinniuping Hydropower Station from three aspects: process, quality requirements of raw materials, and construction precautions in order to provide reference for underwater repair construction.

underwater self-compacting concrete; proportion; construction

TV528

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1008-1151(2023)11-0035-04

2023-02-13

2019年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2019KY1333）。

張志嬌（1986－），女，河北石家莊人，廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師，碩士，從事水利水電工程管理設(shè)計(jì)與教學(xué)工作。