懷柔水庫西溢洪道混凝土缺陷處理及耐久性防護(hù)

榮 倩，李 驥，劉明杰，柴江飛，李 斌，宋興鵬

（北京市京密引水管理處，北京，101400）

1 工程概況

懷柔水庫西溢洪道位于鳳山東側(cè)峰下、水庫主壩西端（圖1），始建于1963年[1]，為開敞式溢洪道，分兩孔，每孔寬12.0 m，各設(shè)一扇12 m×6.3 m的弧形鋼閘門，閘門啟閉能力為2×10 t，最大泄洪能力為1 491 m3/s。堰型為寬頂堰，堰頂高程56 m，消能形式為底流消能。西溢洪道自上游至下游布置有兩側(cè)翼墻、引渠、進(jìn)口段、閘室段、陡坡段、渥奇段、消力池、海漫和尾水段，全長750 m。

西溢洪道上游基礎(chǔ)巖石破碎、局部地區(qū)夾有粘性土，大多數(shù)為風(fēng)化巖，地質(zhì)情況較差。西溢洪道初建時，由于施工技術(shù)有限、管理水平較低、混凝土澆筑多采取人工方式，施工中存在振搗不密實或過度振搗、水泥用量少、水灰比控制不嚴(yán)、混凝土表面存在模板遺留物、拆模后混凝土錯抬嚴(yán)重等現(xiàn)象，混凝土澆筑質(zhì)量較差，嚴(yán)重威脅西溢洪道運行安全。

圖1 懷柔水庫西溢洪道位置Fig.1 Location of the west spillway of Huairou reservoir

2 西溢洪道混凝土質(zhì)量檢測

為了保證懷柔水庫的安全運行，2015年對懷柔水庫西溢洪道混凝土質(zhì)量進(jìn)行了全面檢測[2]，檢測內(nèi)容包括上游翼墻及鋪蓋、水閘的閘墩和底板、下游翼墻及溢流面。檢測發(fā)現(xiàn)西溢洪道主要缺陷如下[3]：

（1）閘墩表面的混凝土防碳化涂層局部有空鼓及脫落現(xiàn)象。

（2）閘門下游翼墻伸縮縫張開，翼墻混凝土發(fā)生碳化。

（3）閘門上游左右兩側(cè)翼墻存在混凝土剝蝕、開裂，底板全部剝蝕（見圖2）。

（4）溢流面混凝土表面龜裂、風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，原防護(hù)涂層脫落（見圖3）。

圖2 西溢洪道閘門上游混凝土裂縫及碳化Fig.2 Concrete cracks and carbonization on the upper reach of the west spillway gate

圖3 西溢洪道閘門下游原防護(hù)層脫落Fig.3 Original protection materials fell off on the downstream side of the west spillway gate

3 西溢洪道混凝土缺陷處理方案設(shè)計

3.1 2007年補(bǔ)強(qiáng)加固處理方案

懷柔水庫西溢洪道曾于2007年進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固處理[4]，處理方案為：

（1）對混凝土產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行打孔灌漿，并在裂縫的表面粘貼碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；

（2）對剝蝕的混凝土面進(jìn)行鑿毛處理，除去松動的混凝土，露出新鮮的原混凝土面，用高壓水清洗除去粉塵，涂刷界面劑后，分次回填聚合物水泥砂漿；

（3）溢流面噴涂防沖磨涂層：在溢流面表面噴涂一層2 mm厚的雙組分噴涂聚脲防沖磨；

（4）溢洪道閘墩防護(hù)處理：溢洪道閘墩混凝土進(jìn)行表面打磨，采用專用的PCS型抗沖磨防碳化涂料對混凝土面進(jìn)行防碳化。

通過10多年的運行，閘墩混凝土未出現(xiàn)新的裂縫，閘墩混凝土碳化深度也未進(jìn)一步發(fā)展，溢流面混凝土未出現(xiàn)凍融剝蝕現(xiàn)象，原處理方案基本可行。但在溢流面表面噴涂的雙組分聚脲出現(xiàn)了大面積老化、脫落現(xiàn)象，溢流面伸縮縫局部出現(xiàn)擠壓破壞，閘墩局部PCS防碳化涂層起皮，上游面邊墻水位變化區(qū)混凝土凍融剝蝕（未處理過）。

3.2 溢流面混凝土表面抗沖磨防護(hù)處理

為提高西溢洪道安全性和耐用性，結(jié)合現(xiàn)有條件，在2007年混凝土缺陷處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，對西溢洪道混凝土的各種缺陷情況做出如下針對性的處理。

針對西溢洪道溢流面混凝土表面聚脲出現(xiàn)的大面積老化、脫落現(xiàn)象，為提高溢流面混凝土抗沖磨能力及整體美觀性，對溢流面表面混凝土采用耐久性更好的材料進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)范圍為閘門下游溢流面（下游水位以上）及邊墻、邊墩兩側(cè)向上延長30 cm，涂層厚度為2 mm。

當(dāng)前，溢流面混凝土表面抗沖磨防護(hù)多采用聚脲類材料。聚脲分為雙組分噴涂聚脲和單組分聚脲兩類，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

單組分聚脲相對于雙組分噴涂聚脲，具有以下優(yōu)點：

（1）材料為脂肪族，耐老化性能好，不變色；

（2）強(qiáng)度高、延伸率大、抗沖磨性能好，與基礎(chǔ)混凝土粘接強(qiáng)度大于2.5 MPa；

（3）分層施工，可以增設(shè)胎基布，即增加了涂層強(qiáng)度，又保證了涂層厚度的均勻性；

（4）防滲、防碳化、抗凍效果好，零下-45℃仍有50%的延伸率；

（5）施工簡單、方便、易于操作，不需要大型專用機(jī)器。

表1 雙組分噴涂聚脲和單組分聚脲主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of two-component sprayed polyurea and single component polyuria

實踐證明，雙組分噴涂聚脲在迎水面或流速較小的泄洪建筑物表面應(yīng)用的效果較好，在流速較大的泄洪建筑物表面應(yīng)用的效果較差；單組分聚脲適用于處理混凝土伸縮縫或裂縫、大面積防滲及有抗沖磨要求的泄洪建筑物等水利水電工程[5]。

通過對比，本次溢流面混凝土表面抗沖磨防護(hù)材料采用了單組分聚脲，為了保證涂層的均勻性，單組分聚脲涂層中間復(fù)合了一層胎基布，處理方案見圖4。

圖4 溢洪面抗沖磨涂層防護(hù)示意圖Fig.4 Sketch of the abrasion resistant coating on the overflow surface

溢流面混凝土表面抗沖磨防護(hù)施工工藝如下：

（1）底面處理。首先用角磨機(jī)對混凝土表面進(jìn)行打磨（見圖5），清除原剝蝕的雙組分聚脲及破損的混凝土，再用高壓水槍沖洗表面的灰塵、浮渣。待水分完全揮發(fā)后，對混凝土表面局部孔洞用高強(qiáng)找平膩子填補(bǔ)。找平材料固化后，再使用角磨機(jī)對混凝土表面進(jìn)行打磨、清洗，要求混凝土表面平整、堅固、無孔洞。

（2）涂刷界面劑。底面處理后，在混凝土表面涂刷BE界面劑（一種100%固含量的環(huán)氧界面劑，可在飽和水或干表面施工）。

（3）涂刷單組分聚脲。界面劑表面干燥后（粘手不拉絲），開始大面積涂刷單組分聚脲（見圖6）。大面積涂刷第一遍聚脲后，粘貼一層胎基布，表干后再涂刷第二遍聚脲，直到聚脲的涂刷總厚度達(dá)到2 mm且完全覆蓋胎基布。

圖5 清除溢流面剝離的雙組分聚脲Fig.5 Removing the original two-component sprayed polyuria on the overflow surface

圖6 界面劑表干后涂刷單組分聚脲Fig.6 Brushing the single component polyuria on the overflow surface

3.3 伸縮縫修復(fù)

伸縮縫是泄洪建筑物容易出現(xiàn)破壞的薄弱部位。本次處理方案是：首先剔除伸縮縫內(nèi)雜物，縫內(nèi)部嵌填聚苯板圓棒，伸縮縫表面預(yù)留1～2 cm厚的槽，槽內(nèi)嵌填高彈性砂漿，混凝土伸縮縫表面涂刷單組分聚脲（抗沖磨型）封閉，使伸縮縫部位聚脲厚度達(dá)4 mm、兩邊2 mm厚，寬度25 cm，伸縮縫施工現(xiàn)場見圖7。

圖7 混凝土伸縮縫抗沖磨防護(hù)處理現(xiàn)場Fig.7 Treatment of abrasion resistant protection of the concrete expansion joints

3.4 混凝土裂縫處理

混凝土中存在的裂縫會嚴(yán)重破壞混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，降低閘墩的安全性與耐久性[6]。為保證西溢洪道閘墩安全耐久，對閘墩裂縫采取內(nèi)部灌漿、表面柔性防護(hù)的綜合處理方案。內(nèi)部灌漿的目的是充填混凝土裂縫空隙，補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)。灌漿后涂刷單組分聚脲進(jìn)行表面柔性防護(hù)，涂刷寬20 cm、厚3 mm，并覆合10 cm寬的胎基布。

用于裂縫內(nèi)部化學(xué)灌漿的材料為高強(qiáng)聚氨酯，具有遇水固結(jié)及膨脹的特性，其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 高強(qiáng)聚氨酯灌漿材料性能指標(biāo)Table2Indicatorsofhighstrengthpolyurethanegroutingmaterial

3.5 溢洪道閘墩及下游邊墻防碳化處理

為延長西溢洪道的安全使用年限，需要對溢洪道閘墩及下游邊墻混凝土表面進(jìn)行防碳化處理。西溢洪道閘墩在2007年已經(jīng)采用PCS柔性防碳化涂料進(jìn)行防護(hù)，目前整體防碳化效果較好，但有局部出現(xiàn)空鼓及脫落現(xiàn)象。

實踐證明，PCS柔性防碳化涂料厚度為1 mm時，可以提高混凝土的抗?jié)B能力，并且延緩碳化，提高耐久性。本次防碳化處理對局部脫落的PCS涂料進(jìn)行清除，對未剝落的涂層表面進(jìn)行沖洗，重新涂刷PCS柔性防碳化涂料，同時也采用同樣方案對下游邊墻混凝土進(jìn)行防碳化處理。

3.6 上游邊墻混凝土剝蝕面處理

在前次處理方案的基礎(chǔ)上，繼續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)，制定混凝土剝蝕面處理方案為：

凍融剝蝕深度小于0.5 cm的混凝土缺陷基面應(yīng)打磨至新鮮堅硬的混凝土面，并清洗干凈。基面干燥后，采用修補(bǔ)膩子將剝蝕面找平，涂刷專用界面劑，界面劑表面干燥后涂刷單組分聚脲進(jìn)行防護(hù)。

當(dāng)凍融剝蝕深度大于0.5 cm時，采用電錘鑿除凍融損壞的基層混凝土，直至露出新鮮堅硬的混凝土面，鑿除深度應(yīng)大于1 cm。在鑿除面涂刷混凝土界面劑，在其上分層涂抹聚合物水泥砂漿，一次涂抹厚度為1.5 cm左右，聚合物砂漿厚度宜小于3 cm，保證修補(bǔ)面平順即可。養(yǎng)護(hù)14 d后涂刷專用界面劑，界面劑表面干燥后涂刷2 mm厚的單組分聚脲（防滲型）進(jìn)行防護(hù)。

聚合物水泥砂漿是通過向水泥砂漿摻加聚合物乳膠改性而制成的一種復(fù)合材料[7]，其主要性能指標(biāo)見表3。

表3 聚合物水泥砂漿主要性能指標(biāo)Table 3 Main technical indicators of the polymer cement mortar

4 結(jié)語

通過混凝土缺陷處理工程的實施，懷柔水庫西溢洪道混凝土缺陷得到了有效的處理，提高了西溢洪道運行的安全性和耐用性，同時修繕后的西溢洪道同周邊更加協(xié)調(diào)。西溢洪道混凝土缺陷處理工程完工運行一年來，未發(fā)現(xiàn)異常（見圖8）。

圖8 處理后西溢洪道運行一年后的情況Fig.8 West spillway after the treatment

本次缺陷處理工程既保證了首都蓄水、供水的安全，同時也為條件相似的水工建筑物的處理工程提供了一定的借鑒依據(jù)。