陸云才

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

黃鉀鐵礬蝕變帶會(huì)產(chǎn)生酸性侵蝕、硫酸鹽侵蝕、鎂鹽侵蝕、氯鹽侵蝕?！?35”水利樞紐左壩肩附近的副壩基巖和發(fā)電洞豎井圍巖，巖性均為石炭系的石英片巖，節(jié)理裂隙比較發(fā)育。左副壩分布有黃鐵礦脈(FeS2)風(fēng)化形成的黃鉀鐵礬蝕變帶Rm1、Rm2、Rm3。發(fā)電洞豎井混凝土受透過(guò)黃鉀鐵釩蝕變礦脈的裂隙水侵蝕造成局部混凝土在短短6個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞，如圖1—3所示。這在國(guó)內(nèi)水工建筑物中極為罕見(jiàn)[1]，腐蝕點(diǎn)位于黃鉀鐵礬蝕變帶和斷層破碎帶附近，被腐蝕的混凝土內(nèi)有明顯的孔隙和孔洞，有棕紅色腐蝕液侵入，鋼筋表面銹蝕，骨料表面有黃色斑點(diǎn)。混凝土變酥，呈泥湖狀，混凝土已無(wú)水泥膠結(jié)料，骨料間充填著棕紅色泥湖狀腐蝕物，腐蝕嚴(yán)重部位混凝土已成為柔軟稀爛的砂石料與棕色泥狀物的混合物。在惡劣的侵蝕源作用下，混凝土防腐處理具有較高難度和復(fù)雜性。為了解決好這一特殊工程問(wèn)題，確保工程運(yùn)行安全性，通過(guò)研究，從防腐工程設(shè)計(jì)、防腐材料選擇與試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、豎井外壁圍巖控制爆破開(kāi)挖、防腐處理技術(shù)及施工工藝等多方面成功地解決了這一技術(shù)難題，并在防腐材料選擇、圍巖爆破方法上得到了創(chuàng)新。作為成功的范例，研究成果能為類似地下工程混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的混凝土腐蝕防治提供技術(shù)支持。

圖1 左岸壩肩及發(fā)電洞豎井黃鉀鐵礬蝕變帶分布圖

圖2 開(kāi)挖后揭示出的蝕變帶

圖3 豎井混凝土腐蝕現(xiàn)狀圖

1 防腐工程的方案設(shè)計(jì)

工程興建前在探明地質(zhì)條件后，若發(fā)現(xiàn)環(huán)境條件對(duì)建筑物有侵蝕可能，一則能避則避，二則事先采取必要的防侵蝕措施，包括阻斷侵蝕源，采用防腐侵蝕材料澆筑構(gòu)筑物等。而“635”水利樞紐發(fā)電洞豎井的防腐處理是一個(gè)已澆筑完成的豎井混凝土，并且豎井本身不耐侵蝕，大部分混凝土完好，腐蝕僅發(fā)生在局部幾處，且腐蝕源在豎井混凝土的背面。因此防腐方案的設(shè)計(jì)難度高且復(fù)雜。

方案設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)上述情況考慮以下幾點(diǎn)：一是可靠性。即處理后要能根治侵蝕源，使豎井運(yùn)行無(wú)后顧之憂；二是經(jīng)濟(jì)性。即處理方案要盡量節(jié)省資金；三是時(shí)間性。豎井防腐處理直接影響到整個(gè)“635”水利樞紐的投入使用，防腐處理方案實(shí)施要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成[2]；以上情況在國(guó)內(nèi)水電建設(shè)史上從未出現(xiàn)過(guò)的，方案的確定風(fēng)險(xiǎn)性極大。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多種防腐處理方案，綜合比較每種方案的優(yōu)劣，經(jīng)過(guò)充分反復(fù)論證，研究提出“堵、隔、抗、排”等4種防腐措施相結(jié)合綜合防腐設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到“除害務(wù)盡、標(biāo)本兼治”的目的[3]。在國(guó)內(nèi)外水利建設(shè)中未曾采用過(guò)，具有獨(dú)創(chuàng)性和新穎性。一堵：對(duì)上游圍巖進(jìn)行固結(jié)帷幕灌漿，阻斷基巖裂隙水及侵蝕源；二隔：表面挖除黃鐵礦脈，用防腐蝕材料隔絕，并涂抹防腐材料炳乳砂漿，基巖內(nèi)灌注改性聚氨酯漿液封堵，使建筑物與侵蝕性環(huán)境介質(zhì)隔離；三抗：采用高性能混凝土，并用抗侵蝕水泥膠凝材料伴和，提高混凝土密實(shí)度，增強(qiáng)抗?jié)B透侵入破壞的能力，減少水泥的水化產(chǎn)物，抑制腐蝕破的內(nèi)因條件；四排：加強(qiáng)發(fā)電洞豎井和水平段排水，并在運(yùn)行中對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

具體防腐方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮了是否拆除現(xiàn)有混凝土，以及拆除部分如何設(shè)置防腐屏障、處理方案的防腐效果、經(jīng)濟(jì)性、工程量、施工難易程度及工期等因素。先后設(shè)計(jì)了多種方案，經(jīng)比較，最后確定防腐處理方案：首先在豎井底部開(kāi)孔，進(jìn)行水平環(huán)向開(kāi)挖，形成環(huán)向通道后，再由下向上采用控制爆破，在豎井混凝土外圍形成操作空間后再在巖石上采取堵漏做防腐層，而后再澆筑高性能混凝土以充填空腔[4]。整個(gè)防腐處理施工分4個(gè)階段進(jìn)行，開(kāi)挖一段修復(fù)一段，這樣不至于對(duì)原豎井混凝土造成影響。

上述方案防腐效果可靠，將腐蝕源阻斷在豎井以外。與拆除方案相比造價(jià)較低，施工工期較短。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行考驗(yàn)，豎井絲毫無(wú)損，豎井防腐處理是成功的。針對(duì)該工程所設(shè)計(jì)的防腐處理方案科學(xué)合理，技術(shù)上為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

2 防腐材料選擇與試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 外防腐材料的選擇

外防腐材料既要有良好的防滲防腐性能，又要能滿足潮濕條件下的施工[4]。首先是堵漏材料，在開(kāi)挖成環(huán)形洞后的圍巖上進(jìn)行化學(xué)灌漿堵漏，選擇了耐化學(xué)侵蝕的PU4改性聚氨酯灌漿料；其次對(duì)于外防腐的主材要考慮能耐酸性腐蝕、硫酸鹽侵蝕和鎂鹽侵蝕的多重作用。根據(jù)GB 50064—2014《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》所列常用材料的耐腐蝕性能以及南京水科院的研究成果，丙烯酸酯共聚乳液水泥砂漿(簡(jiǎn)稱丙乳砂漿)符合耐腐蝕要求，同時(shí)又能在潮濕基面上施工。為此進(jìn)行了丙乳砂漿與常用的氯丁乳膠砂漿、PCC-84砂漿的侵蝕對(duì)比試驗(yàn)以得出實(shí)際依據(jù)。但由于防腐處理施工要盡快進(jìn)行，需要短時(shí)間內(nèi)選擇出合適的材料，因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮了與豎井侵蝕介質(zhì)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)侵蝕溶液試驗(yàn)，同時(shí)用加重侵蝕溶液進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)，達(dá)到縮短試驗(yàn)周期，盡快得出試驗(yàn)結(jié)果的目的，在豎井防腐處理后有同步試驗(yàn)依據(jù)予以跟蹤。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，最終采用丙乳砂漿作為外防腐材料的主材。對(duì)圍巖上進(jìn)行堵漏并涂抹丙乳砂漿后，為加強(qiáng)防腐效果，采用了耐強(qiáng)化學(xué)侵蝕的PU3耐磨防腐涂料在丙乳砂漿上進(jìn)行涂刷。外防腐材料選擇從國(guó)家規(guī)范著手，選擇最優(yōu)材料?；炷猎囼?yàn)上既參照原有試驗(yàn)基礎(chǔ)，又有不同對(duì)比試驗(yàn)依據(jù)和同步跟蹤試驗(yàn)，外防腐材料的選擇先進(jìn)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)科學(xué)合理。

2.2 內(nèi)防腐材料的選擇

豎井外圍已開(kāi)挖成環(huán)形洞，在原豎井混凝土與防腐處理后的圍巖間，必須填充合適的防腐材料既要滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求，又要承受運(yùn)行后的內(nèi)水壓力，須具有較好的防滲性和抗侵蝕性。開(kāi)挖后的空腔具有一定體積，采用有機(jī)材料成本較高，圍巖上已經(jīng)形成了聚合物砂漿和涂料的防腐屏障，故采用了無(wú)機(jī)材料。根據(jù)防腐材料的特點(diǎn)，分別選擇高抗硫酸鹽水泥混凝土、高抗硫酸鹽水泥硅灰礦渣微粉混凝土、高抗硫酸鹽水泥硅灰粉煤灰混凝土、高性能混凝土進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)溶液侵蝕和加重侵蝕溶液的加速腐蝕試驗(yàn)，篩選出高抗硫酸鹽水泥礦渣微粉高性能混凝土作為內(nèi)防腐材料。

3 豎井外壁圍巖控制爆破開(kāi)挖

發(fā)電洞豎井防腐處理方案，豎井外壁圍巖開(kāi)挖是防腐工程的難點(diǎn)之一。在豎井外壁圍巖爆破開(kāi)挖時(shí)，既要開(kāi)鑿出較為規(guī)則的斷面，又要確保豎井混凝土的質(zhì)量[5]和新澆高性能混凝土質(zhì)量不受影響，沿著混凝土外壁開(kāi)挖，施工場(chǎng)地狹小，增大了爆破開(kāi)挖的難度，在這樣的條件下進(jìn)行控制爆破石方開(kāi)挖，在水利工程中前所未有。項(xiàng)目通過(guò)試驗(yàn)確定爆破參數(shù)，控制質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，采取相應(yīng)的監(jiān)控措施，使得“635”水利樞紐發(fā)電洞豎井外壁圍巖在不影響襯砌混凝土質(zhì)量的前提下成功挖除，不僅為水工建筑物缺陷處理提供了一個(gè)可以借鑒的成功實(shí)例，而且開(kāi)創(chuàng)了控制爆破應(yīng)用的新領(lǐng)域。

3.1 結(jié)合實(shí)際，科學(xué)分析，大膽創(chuàng)新

“635”水利樞紐發(fā)電洞豎井混凝土侵蝕破壞，其腐蝕破壞的程度，侵蝕性介質(zhì)的多樣性以及破壞機(jī)理的復(fù)雜性都是以往水利工程建設(shè)中未遇到的，通過(guò)多方案分析比較，防腐處理方案采取保留原井壁混凝土，沿豎井外壁圍巖分4段開(kāi)鑿1m寬的環(huán)形天井，并在巖石面涂抹了3～4cm厚的丙乳砂漿堵漏防腐層和PU3防腐涂料[5]。環(huán)形天井用高性能混凝土回填。在豎井混凝土外壁圍巖開(kāi)挖這一難題上，結(jié)合工程實(shí)際、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、科學(xué)分析，提出了適用于本工程的控制爆破的控制指標(biāo)，為“635”水利樞紐發(fā)電洞豎井混凝土防腐工程順利進(jìn)行打下良好基礎(chǔ)。

3.2 確定爆破參數(shù)，保證新老混凝土質(zhì)量

通過(guò)爆破試驗(yàn)確定爆破參數(shù)，嚴(yán)格控制質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，根據(jù)工程特點(diǎn)，提出了更嚴(yán)格，更符合實(shí)際的爆破控制指標(biāo)，保證了新老混凝土的質(zhì)量，同時(shí)通過(guò)爆破前后混凝土井壁外觀質(zhì)量描述對(duì)比分析和混凝土井壁波速率化率的對(duì)比分析，對(duì)爆破方案和爆破效果進(jìn)行了科學(xué)評(píng)價(jià)[5]。

3.3 合理的施工方案，保證工程順利進(jìn)行

豎井段圍巖開(kāi)挖從591m至618m高程，高27m，考慮到發(fā)電洞豎井各段設(shè)伸縮縫結(jié)構(gòu)以及控制爆破開(kāi)挖對(duì)整個(gè)豎井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的安全要求，采取開(kāi)挖一段，防腐處理一段的方案，自下而上分四段進(jìn)行[5]。在圍巖開(kāi)挖中成功地運(yùn)用了有色采礦中廣泛應(yīng)用的“留礦采礦法”，使工程順利進(jìn)行。

發(fā)電洞豎井四階段開(kāi)挖防腐處理剖面圖及現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)如圖4所示，開(kāi)挖成形的豎井圍巖環(huán)形天井如圖5所示。

圖4 發(fā)電洞豎井四階段開(kāi)挖防腐處理剖面圖及現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)圖

圖5 開(kāi)挖成形的豎井圍巖環(huán)形天井

4 防腐處理技術(shù)及施工工藝

(1)通過(guò)試驗(yàn)，選擇了能抵御綜合強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的耐蝕材料。如丙乳砂漿、HLC—VⅡ防水堵漏劑、PU4改性聚氨酯灌漿料、PU3耐磨防腐涂料、高性能防腐混凝土等，包含有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料、還有有機(jī)與無(wú)機(jī)復(fù)合材料。

(2)根據(jù)材料特性及防腐處理方案，將每種材料合理使用，筑成了多道防腐屏障。如在圍巖上用HLC—VⅡ堵漏劑及PU4灌漿料堵漏，堵漏后抹丙乳砂漿，在丙乳砂漿上刷涂PU3耐磨防腐涂料，再澆筑高性能混凝土填充環(huán)形空腔等，這樣防腐處理后的豎井混凝土可以做到與腐蝕源隔絕，做到萬(wàn)無(wú)一失。“635”水利樞紐發(fā)電洞豎井混凝土防腐處理沒(méi)有現(xiàn)成的范例可以借鑒，其處理方法是綜合多種防腐材料的性能并科學(xué)、合理地運(yùn)用，從而形成一道道防腐屏障，具有技術(shù)上的獨(dú)創(chuàng)性。

(3)“635”水利樞紐發(fā)電洞豎井混凝土防腐有其特殊性，所采用的防腐材料均為特種材料，而其使用方法及場(chǎng)合與以往均有所不同。如通常防水堵漏只是在混凝土基面上進(jìn)行，而豎井防腐要求將腐蝕水源堵住，操作的基面是圍巖。圍巖裂隙多、軟硬不一，難以形成封閉的灌漿系統(tǒng)，這里堵住裂隙水，又從其它地方冒出，難度較大，以至整個(gè)防腐施工堵漏就有上千處。對(duì)于水源豐富區(qū)沒(méi)能完全根治的漏水采用預(yù)先在表面布管，用防滲薄膜與后澆的填充混凝土隔離，在澆筑完填充高性能防腐混凝土后，再二次化灌PU4改性聚氨酯進(jìn)行堵漏加強(qiáng)處理[4]。這些操作在豎井防腐處理上的成功實(shí)踐積累了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)。丙乳砂漿通常應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)的防滲防腐中，基面是混凝土。在巖石上進(jìn)行抹丙乳砂漿存在凸凹不平，受松動(dòng)的巖石影響等因素，在施工過(guò)程中從基面處理開(kāi)始，抹砂漿，砂漿間結(jié)合面處理，養(yǎng)護(hù)等都需要非常細(xì)致，做到無(wú)脫空、無(wú)裂縫出現(xiàn)，開(kāi)辟了丙乳砂漿使用的新領(lǐng)域及施工的新方法。

(4)填充環(huán)形空腔所用的高性能防腐混凝土，采用高摻量(40%)磨細(xì)礦渣粉及高抗硫酸鹽水泥配制，不僅在強(qiáng)度上滿足豎井結(jié)構(gòu)的要求，而且防腐蝕性能大大提高[7-11]。在狹窄的環(huán)形洞內(nèi)進(jìn)行泵送混凝土施工，克服了泵送距離遠(yuǎn)，不易振搗密實(shí)，操作條件差等不利因素，使?jié)仓幕炷列阅苓h(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)指標(biāo)，加大了防腐效果。

(5)在整個(gè)防腐處理施工過(guò)程中，從第二階段開(kāi)始，氣候轉(zhuǎn)入負(fù)溫，為保證施工進(jìn)度，滿足防腐材料施工要求，確保施工質(zhì)量，采用了冬季施工措施，搭暖棚加熱，提高施工環(huán)境溫度，在-20～-40℃的外界環(huán)境溫度下，始終保持施工環(huán)境溫度在10℃以上。

5 結(jié)語(yǔ)

“635”水利樞紐發(fā)電洞豎井混凝土出現(xiàn)的腐蝕情況是罕見(jiàn)的，防腐處理無(wú)先例可循。本項(xiàng)目采用有效防腐材料將豎井混凝土與侵蝕介質(zhì)隔離開(kāi)來(lái)，同時(shí)在防腐的材料實(shí)驗(yàn)及選擇、方案設(shè)計(jì)，爆破控制及施工工藝上創(chuàng)新使用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，圓滿地解決了黃鉀鐵礬蝕變帶襯砌混凝土防腐問(wèn)題。為黃鉀鐵礬蝕變帶的襯砌及其它水工建筑物的防腐處理積累了大量經(jīng)驗(yàn)，作為典型范例為類似工程的處理提供借鑒，意義顯著?？稍诖嘶A(chǔ)上建立黃鉀鐵礬蝕變帶侵蝕環(huán)境因素與襯砌混凝土劣化速率的對(duì)應(yīng)量化關(guān)系，對(duì)襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的壽命評(píng)估提供有力的支撐。