孔头水电站尾水渠检修门槽水下补强加固

王超杰，万 磊，贾丽娟

（1.福建省金湖电力有限责任公司,福建 将乐，353300；2.青岛太平洋水下科技工程有限公司，山东 青岛，266100）

1 工程概况

1.1 孔头水电站概况

孔头水电站位于闽江流域金溪中段，上游距池潭41 km，下游距将乐县城25 km，是闽江流域金溪河流上的第五梯级电站。装机容量40.5 MW。枢纽由左右岸混凝土重力坝、挡水坝、泄洪闸、发电厂房、户内升压开关站等建筑物组成，是低水头河床式中型水电站。坝址以上控制流域面积5 388 km2，水库总库容3 310万m3，死水位174.00 m，正常蓄水位175.80 m，校核洪水位177.10 m，电站平均水头14.0 m。左右岸挡水坝均为实体重力坝，坝顶高程为179.0 m，重力坝最大坝高26.5 m，坝长282.86m，其中：右岸混凝土重力坝长17.9 m，安装场坝段长28.9 m，引水厂房长52.76 m，泄洪闸坝段长133 m，左岸混凝土重力坝长33.3 m。

1.2 尾水渠检修门槽情况

2006年2 月，出于电站安全运行考虑，针对孔头水电站机组进水口、机组尾水渠及检修门槽、护坦和消力坎、溢流坝泄洪闸墩及检修门槽、溢流堰堰顶等结构物进行了全面水下检查，检查发现机组尾水渠检修门槽底部止水钢板底面混凝土存在淘空问题，如表1所示。为使孔头电站大坝水工建筑物的缺陷得到良好维护，保障孔头电站的安全正常运行，对孔头水电站1～3号机组尾水检修门槽处水下淘坑破坏部位进行了水下补强加固。

2 成因分析

在电站机组运行发电阶段，电站发电机组尾水渠检修门开启，门槽及埋件长时间处于过流状态，流速很大。对于这种结构的表面和混凝土材料来说，其流速已接近甚至达到高速水流，易产生空化、空蚀，造成埋件周边混凝土破坏。其破坏过程首先是埋件与混凝土接缝处和混凝土表面受到高速水流力的冲击和化学作用而剥落，出现表面剥蚀，起初这种破坏是局部的，随后，由于其附近混凝土的材料性能显著恶化，强度降低，使剥蚀加速，并由此造成过流面的不平顺，引起流体流态的变化，进而加剧了空化进程，导致空蚀量的急剧增加，在冲蚀和空化的混合作用下，埋件被淘空。

表1 尾水渠检修门槽底部检查缺陷汇总Table 1 Defects at the bottom of bulkhead gate slot of tailrace

此外，未能实时检查和及时修补，没有在受损初期就采取防护措施，造成破损的累积和加速也是一个原因。因此，及时修补和加固是必须采取的工程管理措施。

3 处理方案的确定

水下混凝土结构空蚀、磨损产生的坑槽、孔洞可用填充修复法、填充锚固法、防渗加固法等进行修补加固。对于水下混凝土结构表面缺陷（如冲坑、淘洞缺陷）的补强加固修补，填充修复法、填充锚固法水下施工时，应切割、凿除掉坑洞内松动、破碎的混凝土，凿毛露出未受损的混凝土，切割线应在破损边缘线外6～10 cm处，开挖凿除深度应为6～8 cm。此外，应保证浇筑的水下混凝土层厚度，对于水下不分散混凝土应≥8 cm，对于环氧混凝土、树脂混凝土应≥5 cm。切割面与原混凝土面不应形成反坡，夹角宜为85°～90°。钢筋网的钢筋直径应≥8 mm，钢筋网保护层厚度应大于5 cm，受限时可降至3 cm。锚筋应伸入基岩或坚固的混凝土层内，满足锚固要求，锚固深度宜大于10 cm。

本次检查发现的淘坑原始形状基本为边缘浅中间深、外大里小的锅底形状，若按此形状直接修补填充，由于修补材料与原混凝土的热膨胀系数不同，容易造成修补边缘开裂甚至脱落失效,因此本次工艺确定的处理原则为：首先对冲坑缺陷根据水流方向进行切割打凿，将冲坑处理成规整的矩形，再进行填坑修补。为有利于修补结构抗裂和粘结，经过多方研究、方案比选，最终选择采用填充锚固法进行修补加固。

对于冲刷深度小于50 mm的，开凿达到50 mm，保证新浇筑的水下混凝土厚度，提高其抗冲刷能力。在淘坑中布设锚筋，锚筋直径为14 mm，锚固深度300 mm，间排距300 mm。由于2006年水下检查结果中淘坑冲刷深度均未大于100 mm，方案初步考虑不增设双向钢筋网。2008年现场施工时，发现部分冲坑深度有加深，为了增强修补混凝土的整体性，提高其抗冲刷能力，对于深度大于100 mm的冲坑，现场对方案工艺进行细微调整，在修补混凝土中增设一层ϕ12@200双向钢筋网，锚筋与钢筋网在水下焊接成一体。

4 修补材料选择

对于深度在150 mm以内的蚀坑，宜采用环氧混凝土（或其他聚合物混凝土）修补，深度很小时，采用环氧砂浆。环氧混凝土强度高、抗冲磨等性能好，但造价高。对于深度在150 mm以上的蚀坑，可采用水下不分散混凝土修补。水下不分散混凝土的性能没有环氧混凝土的性能好，但也能满足一定条件下的修补施工的要求，并且造价低。所选用的水下不分散混凝土标号应高于原混凝土的设计标号。混凝土的粗骨料宜采用由未风化火成岩加工而成的坚固性指标良好的碎石，细骨料宜采用坚固性良好的河沙，粗、细骨料的含泥量应尽量低（小于1%）且不得含有泥块。为了进一步提高混凝土的抗冲磨性能，可在混凝土中添加硅粉。

考虑修补后性能及冲坑的类型，本工程选择采用水下环氧混凝土进行修补加固，如图1所示。

图1 止水钢板底部淘坑修补加固图（单位：mm）Fig.1 Reinforcement of bottom scouring pit of water stop steel plate(unit:mm)

5 主要材料性能

目前国内应用的水下环氧混凝土主要有HSL-101环氧混凝土、HK-UW-1环氧混凝土。HKUW-1水下环氧混凝土（砂浆）是一种强度高、可在水下固化的高分子复合材料，具有在水下不分散、自流平、自密实的性能。它的低稠度使其在低温下仍具有良好的流动性能,可采用手工、电动或混凝土强力搅拌机进行拌和，并可在水下直接进行浇注。该材料在水下固化后具有很高的抗压和抗折强度，可用于大坝、港口、码头、桥墩等水下建筑物的止封和补强加固处理。其主要特点是：

（1）可在水下浇注，固化快，混凝土早期强度增长快，终期强度高；

（2）收缩小，粘结力强；

（3）在水下不分散、自流平、自密实，低温仍具有良好的流动性能；

（4）优良的抗冲磨和耐腐蚀性能，耐久性好；

（5）施工、拌和和水下浇注工艺简便。

主要性能指标如表2所示。

6 施工工艺

6.1 水下测量和标识

潜水员对淘坑逐一作水下复查和测量，复查结果与此前检查结果复核，并对修复区域作明显标识。本次工程复核后，发现部分冲坑深度有所加深，但其余尺寸基本结果一致，未发现淘坑大范围扩大或产生新的冲坑。现场进行复核与认定后，经多次开会进行技术分析，最终对方案进行细微调整。

6.2 水下切割与凿除

潜水员沿破损边线外延10 cm划出切割边线，使用液压锯在水下沿已划出的切割线切割出补强边缘线，切割深度不少于5 cm，然后用液压镐凿除待清理的混凝土。对于深度小于5 cm的淘坑，采取切割和凿除的处理方法，使淘坑深度大于5 cm，保证浇筑新混凝土层的厚度。

6.3 水下修整与清理

将淘坑内已被切割掉的破损混凝土和碎石等杂物清理出淘坑，弃至护坦下游。再利用高压水直接将淘坑内的沉积碎屑冲扫出冲坑以外，将零星混凝土块及卵石清除干净，露出混凝土原面，表面冲洗干净，确保新浇混凝土能和老混凝土牢固地粘结。同时对已出露的钢筋除锈，达到无锈痕、无锈斑，可以浇筑混凝土的程度。

6.4 水下布设钢筋

为了增强被浇筑冲坑内新老混凝土的结合强度，并成为一个整体，在修补区域内布设锚固筋，然后对于冲坑深度大于100 mm的冲坑，架设抗冲、限裂钢筋网。

（1）钻锚筋孔：潜水员用水下液压钻在冲坑底部进行水下钻孔，按孔距30 cm布孔，孔深30 cm，孔径ϕ20 mm。锚筋布置图见图2。

图2 锚固筋布置图Fig.2 Layout of anchored bar

（2）锚固钢筋：锚孔冲洗完成之后，陆上人员将拌和好的HSL-601高强环氧锚固剂送至水下，潜水员进行锚固作业。锚孔内充填满HSL-601环氧锚固剂，插入ϕ14的钢筋后，要转动几次，使锚固剂充分与锚杆和孔壁粘紧，以增加锚固力。

（3）水下布设钢筋网：对于冲刷深度大于100 mm的淘坑，为保证新浇混凝土的抗冲和限裂的整体性能，待锚固剂具有50%以上的强度后，需增设一层双向钢筋网。具体工艺为在锚固筋上焊接ϕ12@200的钢筋网，将事先陆上制作的钢筋网整体吊装下水，钢筋网与锚筋之间用水下电焊连接，若水下原混凝土钢筋网裸露，增设的双向钢筋网亦需与原混凝土钢筋网电焊连接，若未裸露，一般不破环原混凝土结构，不做处理。钢筋网片之间的搭接长度不少于钢筋直径的15倍，采用单面焊，钢筋保护层厚度一般为5cm。

6.5 浇筑水下环氧混凝土

根据淘坑大小计算出所需浇筑量，严格按水下环氧混凝土的配比，在强制式搅拌机中进行陆上拌和，然后装桶放到水下，进行水下直接浇筑。浇筑时，应对混凝土在水中的自由落距进行严格控制，混凝土在水中的自由落距应不大于50 cm。浇筑完的混凝土上表面应平坦、顺滑，并且保证模板的各个角落都充填饱满。

7 结语

本次水下补强加固工程的实施，及时修复了孔头电站1～3号机组尾水检修门槽12处水下淘坑破坏缺陷，加强了尾水渠门槽混凝土的完整性，确保了电站尾水渠的安全运行，使孔头电站大坝水工建筑物得到良好维护，发挥了很好的经济效益。结果表明，水下环氧混凝土补强加固方法具有不受水库运行条件限制、实施性好、成本低，工期短等优点，可供类似工程的补强加固参考。 ■

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