東北寒冷地區(qū)某混凝土重力壩溢流面結(jié)構(gòu)縫修補(bǔ)處理

陸越寬，楊宏亮，高 浩，楊 宇，邵益民

（1.國(guó)網(wǎng)東北分部綠源水力發(fā)電公司太平灣發(fā)電廠(chǎng)，遼寧 丹東，118000；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州，310014）

1 概述

1.1 工程概述

東北某引水式水電站位于遼寧省丹東市，發(fā)電廠(chǎng)房共安裝4臺(tái)單機(jī)容量40.25 MW水輪機(jī)，總裝機(jī)容量161 MW，設(shè)計(jì)水頭36.2 m，年設(shè)計(jì)平均利用小時(shí)2 670 h，多年平均發(fā)電量3.3億kWh，水庫(kù)總庫(kù)容2億m3。

水電站主要建筑物由主壩、副壩、引水系統(tǒng)和發(fā)電廠(chǎng)房等組成。攔河壩為混凝土重力壩，壩長(zhǎng)556 m，壩高44.2 m。地面式廠(chǎng)房尺寸為99 m×19 m×40 m。設(shè)計(jì)洪水流量17 100 m3/s（重現(xiàn)期100年），校核洪水流量22 800 m3/s（重現(xiàn)期1 000年）。

1.2 存在問(wèn)題

水電站大壩已安全運(yùn)行40 多年，目前大壩溢流面與挑流鼻坎均存在不同程度的缺陷。為了更好地了解大壩的運(yùn)行狀態(tài)，2019年6月對(duì)大壩進(jìn)行了詳細(xì)的檢查，發(fā)現(xiàn)大壩溢流面、反弧段等部位結(jié)構(gòu)縫均存在較嚴(yán)重的破損。經(jīng)檢測(cè)，溢流面混凝土結(jié)構(gòu)縫破損8處（分別是溢流面20號(hào)、19號(hào)、13號(hào)、12號(hào)、10號(hào)、7號(hào)、6號(hào)和2號(hào)），主要存在砂漿剝離、粗骨料裸露、結(jié)構(gòu)縫混凝土擠壓破壞等問(wèn)題，如圖1～2 所示?；炷疗茡p最寬約80 cm，最深約11 cm，最長(zhǎng)約23 m。這些結(jié)構(gòu)縫破損破壞了溢流面的整體性，導(dǎo)致表面鋼筋銹蝕，并進(jìn)一步擴(kuò)散至溢流面其他位置，導(dǎo)致大面積沖蝕破壞，降低了混凝土表面的抗沖能力，威脅建筑物的安全。

圖1 溢流面結(jié)構(gòu)縫破損Fig.1 Damage of structural joints on overflow surface

2 原因分析

在大壩施工和運(yùn)行中，引起混凝土結(jié)構(gòu)縫破損的原因有很多[1]，現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度變化、施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)受力、不均勻沉降等，都容易造成結(jié)構(gòu)縫破損。分析總結(jié)該電站的破壞原因，具體有以下兩個(gè)方面：

圖2 破損細(xì)部圖Fig.2 Damage detail

（1）溫度原因：電站位于寒冷地區(qū)，冬季寒冷干燥。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)[2]，極端最低氣溫發(fā)生在1月，氣溫在-30℃以下，且冬季漫長(zhǎng)，全年有4～5個(gè)月氣溫在0℃以下；夏季炎熱短暫，最高氣溫近30℃，溫差較大。1991年以后，多年平均氣溫為6.6℃。由于壩址處冬季十分寒冷，每年冬季12月10日—次年4月10日，庫(kù)面冰厚度約l.0～1.5 m。該地區(qū)氣溫變化劇烈，受高溫暴曬與低溫凍脹影響，混凝土發(fā)生凍融循環(huán)破壞，且表面未設(shè)置防護(hù)體系，溢流面經(jīng)過(guò)多次沖刷，表面混凝土隨時(shí)間推移而逐漸磨損。

（2）施工原因：電站建于20 世紀(jì)80年代，由于施工工藝原因，溢流面結(jié)構(gòu)縫在施工操作時(shí)，僅在結(jié)構(gòu)縫中填充2 cm 厚的松木板，表面跨縫填充砂漿。受材料強(qiáng)度和施工工藝的影響，木板嵌縫及表面防護(hù)薄弱，溢流面在高速水流沖刷、脈動(dòng)等作用下，易出現(xiàn)混凝土面局部沖蝕、破損。

3 修補(bǔ)方案及材料優(yōu)選

本次修補(bǔ)的目的主要是恢復(fù)結(jié)構(gòu)縫功能，防止結(jié)構(gòu)縫周邊混凝土因凍融循環(huán)、局部擠壓破壞而再次產(chǎn)生崩角破壞，影響大壩安全性?？偨Y(jié)相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)[4-5]，針對(duì)本工程的工況，結(jié)構(gòu)縫的處理應(yīng)使其能均勻傳遞與吸收壓力，將縫口線(xiàn)性區(qū)域受壓擴(kuò)散為整體縫面受壓，使縫口附近更加穩(wěn)定。相關(guān)研究表明，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿[6]的低彈性模量可釋放大部分基面應(yīng)力集中，解決修復(fù)后易開(kāi)裂的問(wèn)題。原混凝土與HK-UW-3環(huán)氧砂漿修補(bǔ)材料性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 修補(bǔ)材料性能對(duì)比Table 1 Performance indexes of repair materials

若每個(gè)溢流面混凝土寬度為10 m，在受到60℃溫差時(shí)，HK-UW-3 環(huán)氧砂漿變形值約18 mm。為減輕結(jié)構(gòu)縫的擠壓破壞及空鼓現(xiàn)象，至少需要預(yù)留2 cm 的結(jié)構(gòu)縫空間，使干縮或熱脹產(chǎn)生的應(yīng)力得以釋放。

因此，對(duì)于溢流面結(jié)構(gòu)縫處理，宜采用低溫高形變材料進(jìn)行修補(bǔ)。為保證溢流面混凝土修復(fù)砂漿有足夠的強(qiáng)度及抗沖磨能力，選用HK-UW-3環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，并沿縫填充高密度XPS 泡沫板?？p口預(yù)留2 cm的誘導(dǎo)縫，縫內(nèi)填HK-8505密封膠，再在表面增設(shè)HK-988 單組分聚脲，以增強(qiáng)抗沖磨性能。修復(fù)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)縫修補(bǔ)示意圖Fig.3 Repair of structural joints

HK-988單組分聚脲具有高強(qiáng)度、高彈性、耐低溫、抗紫外線(xiàn)等特點(diǎn)，且有更強(qiáng)的粘結(jié)效果。該材料可作為混凝土保護(hù)涂層使用，具有抗沖耐磨的效果，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 HK-988單組分聚脲主要性能指標(biāo)Table 2 Main performance indexes of HK-988 single component polyurea

HK-UW-3環(huán)氧砂漿是一種以高強(qiáng)改性環(huán)氧樹(shù)脂漿液、砂、粉料（如粉煤灰、水泥、石粉等）為集料制備的樹(shù)脂砂漿，具有強(qiáng)度高、抗沖擊性能好、耐磨損、耐腐蝕、抗凍性好等優(yōu)點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 HK-UW-3環(huán)氧砂漿主要性能指標(biāo)Table 3 Main performance indexes of HK-UW-3 epoxy mortar

HK-8505 聚氨酯建筑密封膠是一種高性能彈性密封膠，不含焦油、瀝青及其他橡膠組分，具有高彈性、耐低溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，特別是在-20℃下仍具有良好的低溫柔性，可用于各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)縫的密封與防水處理，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 HK-8505密封膠主要性能指標(biāo)Table 4 Main performance indexes of HK-8505 sealant

4 溢流面結(jié)構(gòu)縫修補(bǔ)施工工藝

由于結(jié)構(gòu)縫處受擠壓破壞，混凝土破損剝落嚴(yán)重，修補(bǔ)思路分兩步：一是鑿除破損的混凝土，嵌填環(huán)氧砂漿，恢復(fù)結(jié)構(gòu)縫的功能；二是在混凝土表面增設(shè)抗沖磨涂層，增強(qiáng)混凝土的抗沖擊磨蝕能力。主要施工工藝如下。

4.1 清理結(jié)構(gòu)縫

劃定結(jié)構(gòu)縫周邊破損的范圍，對(duì)有裂縫、脫空、松散的混凝土層進(jìn)行清理，然后對(duì)縫內(nèi)腐蝕破損的松木板進(jìn)行清除。打磨接縫內(nèi)壁邊緣處，盡可能深地伸入接縫內(nèi)壁進(jìn)行打磨，也可用小型鋼絲刷伸入接縫清理接縫內(nèi)壁，直到露出新鮮的混凝土。最后用吹風(fēng)機(jī)清理干凈，表面應(yīng)為毛面，無(wú)浮塵污垢。

4.2 涂刷環(huán)氧基液

打磨清理后，按照A∶B=5∶1 的比例配比環(huán)氧基液，在需修補(bǔ)區(qū)域薄涂環(huán)氧基液（潤(rùn)濕即可）。待底膠表干，若在環(huán)氧砂漿施工時(shí)發(fā)現(xiàn)基液已完全固化，則需再次薄涂一道基液后方可進(jìn)行環(huán)氧砂漿涂抹。

4.3 環(huán)氧砂漿修復(fù)

環(huán)氧基液表干后，按廠(chǎng)家要求比例配制HKUW-3 環(huán)氧砂漿，將修補(bǔ)區(qū)填補(bǔ)平整，并沿縫中心預(yù)留2 cm 寬的接縫（見(jiàn)圖4）。填補(bǔ)材料時(shí)盡可能同向連續(xù)攤料，邊涂抹邊壓實(shí)找平，確保混凝土平順。

圖4 環(huán)氧砂漿修復(fù)結(jié)構(gòu)縫Fig.4 Repair of structural joints with epoxy mortar

4.4 XPS高密度泡沫板填充

待環(huán)氧砂漿固化后，在接縫塞入XPS高密度泡沫板，留出接縫處空間的深度為接縫寬度的0.5～1.0倍。

4.5 嵌填密封膠

在接縫兩側(cè)貼上美紋紙或保護(hù)膠帶，為加強(qiáng)縫內(nèi)防水功能，在預(yù)留封口處涂刷環(huán)氧基液封閉。待基液表干后，將HK-8505 密封膠打入接縫內(nèi)并壓實(shí)，不得發(fā)虛或留有氣孔。刮平密封膠，去掉美紋紙或保護(hù)膠帶，待密封膠硬化。

4.6 HK-988單組分聚脲表面防護(hù)處理

為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)縫表面的抗沖磨性能，在表面增設(shè)一道聚脲抗沖磨涂層，主要施工步驟如下：

（1）打磨清理：對(duì)結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)各50 cm范圍內(nèi)的砂漿進(jìn)行打磨，保持基面干凈整潔。

（2）涂刷聚脲底膠：待表面潔凈干燥后，均勻涂刷第一道聚脲底膠，涂刷寬度控制在線(xiàn)內(nèi)；底膠表干（約0.5 h）后，即可進(jìn)行聚脲施工；若底膠過(guò)分干燥時(shí)，需要重新補(bǔ)刷底膠，見(jiàn)圖5。

圖5 環(huán)氧砂漿表面處理Fig.5 Surface treatment of epoxy mortar

（3）待底膠表干后，進(jìn)行表面聚脲涂刷工作。接縫兩側(cè)涂布第一道HK-988 單組分聚脲，厚度1 mm，立即貼合網(wǎng)格布并壓實(shí)，表干5～15 h。

（4）再次涂刷HK-988 單組分聚脲，直到肉眼看不見(jiàn)網(wǎng)格布眼，厚度約1 mm。

（5）復(fù)涂第三道HK-988單組分聚脲，厚度1 mm。三道刮涂之后保證聚脲施工厚度為3 mm，最終效果見(jiàn)圖6。

圖6 聚脲表面防護(hù)處理Fig.6 Surface protective treatment by polyurea

5 結(jié)語(yǔ)

溢流面結(jié)構(gòu)縫修復(fù)加固后1個(gè)月，東北迎來(lái)強(qiáng)降雨，電站于2020年8月泄洪。經(jīng)處理后的溢流面在泄洪情況下，經(jīng)受住了高速含沙水流的沖擊，結(jié)構(gòu)縫表面沒(méi)有損傷。運(yùn)行一年后，2021年6月排干反弧段的蓄水，再次檢查溢流面狀況時(shí)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)縫表面聚脲涂層無(wú)空鼓、無(wú)破損，內(nèi)部修補(bǔ)的環(huán)氧砂漿經(jīng)敲擊依舊密實(shí)。經(jīng)整體現(xiàn)場(chǎng)情況反饋，本次修補(bǔ)處理達(dá)到了預(yù)期的補(bǔ)強(qiáng)加固效果，使溢流面結(jié)構(gòu)縫恢復(fù)了功能，驗(yàn)證了低溫高形變結(jié)構(gòu)縫修補(bǔ)方案的可行性?？偨Y(jié)本次溢流面結(jié)構(gòu)縫修復(fù)施工，得到以下經(jīng)驗(yàn)：

（1）對(duì)于溢流面的抗沖磨修補(bǔ)，宜綜合考慮溫度變化及凍融循環(huán)作用，選擇合適材料進(jìn)行修補(bǔ)。

（2）HW-UW-3 環(huán)氧砂漿具有高強(qiáng)度、彈性模量較低、粘結(jié)強(qiáng)度好、抗拉性能優(yōu)良的特點(diǎn)，賦予了材料良好的抗擠壓破損特性，適用于有抗沖磨要求的混凝土處理。

（3）寒冷地區(qū)低溫高形變結(jié)構(gòu)縫修補(bǔ)方案很好地解決了溢流面結(jié)構(gòu)縫的抗沖磨問(wèn)題，值得在類(lèi)似工程中推廣應(yīng)用。