新材料新工藝在石泉大壩消力戽修補中的應用

劉基興，樊 銳

（大唐石泉水力發電廠，陜西石泉725200）

1 工程簡介

石泉水電站位于漢江上游石泉縣城以上1 km的峽谷出口處，是以發電為主、兼有灌溉、養殖等綜合效益的水利工程。工程規模屬于II等工程，大壩為2級建筑物。1971年開始開工，1973年12月10日下閘蓄水，1973年12月26日第一臺機組投產發電，1975年底土建工程全部完工，1979年進行了竣工驗收。

石泉大壩為空腹重力壩，最大壩高65 m，壩頂長353 m，電站廠房為壩后式廠房，大壩按重現期100年設計，重現期500年校核。重現期100年洪峰流量21 500 m3/s，重現期500年洪峰流量26 400 m3/s；設計洪水位410.29 m，校核洪水位413.67 m。1994年，大壩經補強加固后，達到現行規范的重現期1 000年校核標準（校核洪峰28 400 m3/s，校核洪水位415.12 m）。1998年開工至2000年7月進行了擴機工程建設，在左岸布置引水系統和岸邊廠房，安裝兩臺單機45 MW的水輪發電機組。2000年11月竣工。

石泉大壩消能方式是消力戽消能。消力戽位于大壩7～23號壩段，共設1～3號中孔、4～5號中孔戽、1～2號表孔戽、3～4號表孔戽。石泉大壩消力戽結構有關特征數據見表1。

石泉大壩消力戽于1970～1975年修建，1971年底河床左側消力戽過水運行，1973年右側消力戽過水，1986年汛前鼻坎改造和增設檢修平臺。1988年1月進行了第一次抽水檢查和維修，1995年2月份進行了第二次抽水檢查，1996年11月至1997年4月第二次大修完成。2001年12月和2003年3月又分別進行了第三次和第四次抽水檢查。

表1 石泉大壩消力戽結構特征值Table 1 :Structural characteristics of the bucket dissipater of Shiquan dam

2009年1月，石泉水電廠組織了第五次抽水檢查，發現消力戽環氧膠液抹面破壞比較嚴重，部分區域環氧砂漿剝落面積擴大或產生新剝落區域，有些區域混凝土沖蝕沖刷嚴重。為保證消力戽的正常運行，石泉水電廠于2010年11月～2011年1月對消力戽進行第三次修補。

2 新、老材料工藝的差異

原始消力戽修復是以環氧樹酯作為粘結劑、砂或水泥等作為填料、鄰苯二甲酸二丁酯作為增塑劑、丙酮或660活性劑作為稀釋劑、乙二胺或二乙烯三胺作為固結劑，按一定比例混合配制成環氧樹酯砂漿（簡稱環氧砂漿），這也是國內較為常用的配方材料。其中胺類固化劑是高揮發性有毒液體，對人體和環境都會造成傷害，而且這些材料配制成的環氧砂漿在環境溫度低于5℃的條件下很難固化，固化前遇水或受潮則會變性無法使用。所以對施工條件要求十分苛刻，施工過程中要采取防毒、保溫、除濕等復雜的工程措施，工人勞動強度大、環境污染大。

根據工程實際情況，工作面上存在大量滲水和潮濕現象，且施工期間氣溫較低（在0℃左右），采用了低揮發、無毒性的水下低溫環氧樹酯固化劑（810）。為了改善環氧樹酯的脆性采用了增韌劑（CMP-410），為了提高環氧砂漿材料與老混凝土的粘結力添加了偶聯劑（KH-550）。根據氣溫高低不同，其中稀釋劑用量質量百分比可選擇為10%～15%，不會影響環氧砂漿的質量。所選材料中除了環氧樹酯（E-44）在低溫條件下需要加熱融化外，其它材料均可常溫配置使用。

施工過程中可以適當增加填充劑用量，但砂子用量應控制在600%以內，水泥用量不超過250%；810固化劑屬于低溫潮濕固化劑，環境溫度太低可以適當增大固化劑用量，以35%～45%為宜，最大用量不要超過50%；活性稀釋劑用量以現場使用的難易程度和不同修補部位對修補材料的施工要求進行調整，在5%～20%范圍內選取；偶聯劑和增韌劑嚴格按照配方比例使用。

3 新配方試驗成果

現場提取所購材料和漢江沙，在西安理工大學建材實驗室按照技術方案中的配方制作標準試件進行抗拉和抗壓試驗。抗拉強度的檢測在西安理工大學建材試驗室制成標準8字模，又委托陜西省建材研究所進行抗拉強度試驗，材料配方和試驗結果見表2。

表2 實驗室材料配方及試驗結果Table 2 :Mix proportion and test results in laboratory

材料配比按照兩種稀釋劑用量分別制作標準試件，并按標準養護和自然養護兩種條件進行7 d、28 d齡期的抗壓強度試驗，抗拉強度試件在標準養護條件下進行了28 d齡期的抗拉強度試驗。標準養護條件環境溫度保持在23℃左右，自然養護在室外露天進行，環境溫度夜間最低-3～-5℃，白天最高溫度3～5℃。由表2試驗結果可知，7 d、28 d齡期的抗壓強度均滿足設計要求，28 d抗拉強度遠大于設計值。可以看出自然養護條件下的試件抗壓強度普遍高于標準養護條件下的。說明本次環氧砂漿的選材對溫度影響不敏感，特別適于低溫固化。自然養護條件下的試件，抗壓強度普遍高于標準養護的原因在于露天環境利于材料化學反應過程中部分揮發物質的逸出，反應更加充分。另外，稀釋劑用量小時抗壓強度較大。

4 施工工藝

根據材料特性，按照設計材料中的工藝及質量要求進行。具體施工工藝如下：

環氧樹酯采用水槽隔水加熱，加熱溫度控制在65℃左右，溫度不超過80℃。各種材料按順序加入，采用人工拌料，攪拌速度不得太快或來回攪動，要求充分翻攪，不能留有死角。環氧材料隨配隨用，一次使用取環氧樹酯在1.5～2 kg。材料制備工藝流程見圖1～2。

一般環氧砂漿材料在自然條件環境溫度低于5℃時固化很慢，需要采取加熱或保溫措施進行養護。施工過程中對環氧砂漿采用自然養護的方法，由于采用了新型低溫固化劑，能使環氧修補材料在自然低溫條件下固化，經過現場人工檢驗，環氧砂漿在現場條件下經過4 h基本達到初凝，同期制作的標準試件，28 d齡期進行實驗室試驗，抗拉抗壓強度均滿足設計要求，認為自然養護條件下環氧砂漿施工工藝符合要求。

圖1 環氧基液制備工藝流程Fig.1 Production process of the epoxy base fluid

圖2 環氧砂漿制備工藝流程Fig.2 Production process of the epoxy mortar

5 實施效果

在環氧砂漿修補施工過程中，依據DL/T5193-2004《環氧砂漿技術規程》，要求環氧砂漿7 d抗壓強度大于60MPa，7d劈裂抗拉強度大于5 MPa。

原始工藝和新工藝現場試塊檢測強度結果對比見表3。

現場取樣試件抗壓強度均大于DL/T5193-2004《環氧砂漿技術規程》要求的最小值60 MPa，試件抗拉強度均大于11 MPa，是規范規定最小值的兩倍以上,抗拉強度明顯大于原始工藝修補的強度，說明環氧砂漿的粘接力比較大。

6 新材料優點

新材料與原始的環氧砂漿材料相比，具有以下優點：

（1）不僅材料易得，且成本低。配方所用的材料均為市場已有的成型產品，在同類型產品中價格較低。

（2）施工過程簡單、方便，受限條件少，提高了工作效率。可以在任何混凝土結構物上施工，不需要進行專門的加熱、保溫等工程措施，改變以往需要噴燈加熱、保溫層覆蓋的施工程序。

（3）安全性高、污染小。避免施工氣味刺鼻，需戴防毒面具；所采用的材料屬于無毒低污染，避免了對水質和環境的污染。

（4）強度高。環氧砂漿材料抗壓、抗拉強度均大于規范所要求的最小值，其中抗拉強度遠大于規范值，保證了環氧砂漿能夠粘結牢固。

2011～2012年，石泉水庫發生12場洪水，10 000m3/s以上流量的洪水2場，6 000～10 000m3/s流量洪水3場。其中2011年“9.17”洪水大于10 000 m3/s的流量歷時20 h；經過2年運行后，消力戽修補面檢查完好，沒有沖刷脫落現象。

表3 環氧砂漿強度檢驗結果對比表Table 3 :Comparison of the strength data of new technology and original technology

經過泄洪檢驗，說明新材料、新工藝滿足消力戽修補的技術要求，可廣泛應用于大壩、水庫等混凝土修補，尤其在施工中縮短施工時間，提高工作效率，且環氧砂漿的粘結性達到DL/T5193-2004《環氧砂漿技術規程》規定的劈裂抗拉強度的2倍以上，獲得了較好的經濟效益，值得在同類工程中推廣。