環氧類材料修補技術在隔河巖大壩水墊池的應用

楊 鴻，吳道倉

(湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

清江隔河巖水利樞紐工程是清江中下游梯級開發的三個梯級中間一級，工程于1996 年全部建成。隔河巖大壩為上重下拱的重力拱壩，壩頂高程206 m，最大壩高151 m，壩下游設水墊池。泄洪設備由7個溢流表孔和4個全壓下彎型泄洪深孔組成。為了克服拱壩泄水的向心水流，采用不對稱寬尾墩將水舌縱向拉開變成薄片，水流平行地落在水墊池內消能。其結構將高速水流束窄、拉長、分散，在空中充分摻氣后再落入水墊池中紊動消能, 水力學條件復雜。

水墊池由護坦、尾坎和左右貼坡式邊墻組成。護坦板頂高程58～59 m，尾坎頂高程65 m。水墊池結構布置為3～4 m厚混凝土護坦加錨樁、封閉抽排系統型式，池上游寬度133 m，下游寬112 m，順流向最大池長153.5 m，分9排，自上至下分別編號0～8，每排分7～9 塊護坦板，自左岸至右岸分別編號。為防止高速水流磨蝕、沖蝕水墊池，護坦表層采用厚50 cm的 C40抗沖耐磨混凝土。由于受大壩泄洪沖蝕的影響，隔河巖大壩水墊池先后在1993、1996、1999年進行過三次修補，詳見表1。

1 缺陷情況

2016年受超強厄爾尼諾事件影響，汛期清江流域降雨持續偏多，其中梅雨期間降水達到563.6 mm，較多年均值偏多82.7%，尤其是在“7.19”強降水過程中，隔河巖入庫洪峰9 742 m3/s，其中區間最大流量8 700 m3/s，接近百年一遇，大壩表孔開閘泄洪，最大下泄流量5 416 m3/s，持續時間215 h，累計泄洪11.2億m3。2017年1月，運行單位組織了隔河巖大壩水墊池水下檢查，發現護坦底板有大面積沖蝕磨損。2017年4月19日完成水墊池抽排水工作，經全面檢查發現，底板護坦有一處面積862 m2的沖蝕磨損區，靠近左側邊墻的護坦3-1至7-4排之間，形狀為不規則“T”字形，鋼筋裸露，最大深度為25 cm；護坦底板與左側邊墻連接部位發現一處堆積物(距下游尾坎10 m)，淤積物直徑5 m，高度2 m，由鋼筋和混凝土塊纏繞形成團狀；另有局部蜂窩麻面、鋼筋裸露等缺陷，見圖1。

表1 歷次缺陷及修補內容

圖1 水墊池缺陷圖

2 原因分析

經初步分析，隔河巖大壩水墊池破損主要原因如下：

1)1999年在水墊池原護坦板上新澆一層高標號混凝土，厚15 cm，布置了錨筋和鋼筋網。但新澆薄層混凝土與下部的老混凝土結合面粘結強度不足，局部可能形成縫隙。泄洪的水舌跌落在水墊池內產生強烈的紊動，強烈的脈動壓力作用在縫內和板表面，在隨機組合下組成向上的力將修補混凝土板折斷、抬起。

2)修補區新老混凝土層面結合弱面問題在高速水流沖蝕下更容易顯現，水墊池表面一旦破損，“破壞鏈”反映就會迅速加快，從而造成大面積破壞。

3)沖毀的混凝土板、團狀鋼筋網殘留在水墊池內，形成“推磨”效應，磨蝕護坦板、水墊池尾坎和左右側邊墻，造成局部粗骨料、鋼筋外露，蜂窩麻面等。

3 修補方案

隨著近年來認識的提高，許多工程實例表明，單純提高水墊池護坦板表面抗沖耐磨混凝土強度等級，仍然不足以抵抗泄洪高速水流的沖蝕破壞，隔河巖大壩水墊池底板反復被沖毀，說明傳統高標號抗沖耐磨混凝土填充錨固法修復效果不佳。而環氧類修補材料與高標號抗沖耐磨混凝土相比，可以提高材料表面抗高速水流沖磨能力、抗沖擊韌性以及與基底老混凝土結合面的粘結強度和大面積薄層施工適應性等性能。隨著修補工藝和抗沖耐磨材料研究的進步，采用環氧類材料修補水工建筑物過流面已在工程實踐中得以成功應用，如貴州烏江沙陀水電站水墊池、烏江構皮灘水電站水墊塘、二灘水電站水墊塘等均采用環氧類材料進行修補，并取得了成功的經驗[1]。

經反復研究、論證和方案比選，確定修補方案如下：

水墊池護坦板“T”字形破損區面積達到862 m2，最大深度達25 cm，具有面積大、破損深度深的特點，針對該區域采用高性能C50一級配親水性環氧混凝土修補，為增加錨固力，設置φ20 mm，間排距50 cm×50 cm的錨筋。

水墊池局部沖坑、鋼筋外露等缺陷部位最大深度不大于6 cm，針對該區域采用高性能改性環氧砂漿修補。

水墊池表面存在粗骨料裸露的情況，對原抗沖耐磨混凝土表面粗骨料裸露深度小于3 mm的區域暫不處理，裸露深度大于3 mm而不足10 mm的區域采用抗沖磨環氧膠泥修補，裸露深度大于10 mm的區域采用高性能改性環氧砂漿修補[2]。

4 主要修補材料性能

隔河巖大壩水墊池修補工程對修補材料不僅要求其具有較高的抗壓強度，而且要有良好的粘結能力和韌性，同時應有好的抗沖耐磨性能，環氧混凝土、環氧砂漿性能指標見表3、表4。

5 施工工藝

現以“T”字形沖坑環氧混凝土修補過程為例，簡述修補施工過程。

5.1 修補范圍確定

水墊池積水抽干以后，確定修補范圍，進行標識，然后用全站儀進行測量。

5.2 破損混凝土鑿除

人工利用風鎬、電鎬鑿除切割范圍以內的破損混凝土，局部深度不足8 cm的，鑿除深度控制在8 cm以上，有松動塊的一并鑿除。

5.3 基面處理

修補區基面鑿毛采用風鎬、電鎬進行鑿毛，鑿毛完成后人工清除混凝土灰渣，使用高壓水槍與空氣壓縮機清洗，基面采取自然風干、高壓風槍吹干。

5.4 基面界面劑涂刷

基面界面劑采用環氧基液，環氧樹脂與固化劑配比為100∶25，預先配制好后送入倉內涂刷。采用毛刷涂刷，基液涂刷均勻完整，無漏涂，在基面凹凸的部位反復涂刷，凹坑處無積液，做到薄而均勻，無流掛、無露底?；和克⑼瓿珊?0 min左右開始澆筑混凝土，澆筑前用手指觸摸，起指時能拉絲時為最佳時間。

5.5 環氧混凝土拌制

1)原材料。水泥：采用42.5普通硅酸鹽水泥；砂子：為保證澆筑面平整，砂最大粒徑應小于2.5 mm，現場砂中2.5 mm以上顆粒予以篩除,砂子完全曬干；骨料：采用當地產的天然骨料，粒徑在5～20 mm之間，對粒徑大于20 mm的進行篩除，為保證混凝土施工質量，石子完全曬干；環氧樹脂、固化劑：選用巴陵石化公司生產的環氧樹脂，環氧樹脂型號為YCD128，固化劑型號為531-II。

2)環氧混凝土配合比試驗。根據現場項目進度情況，將環氧混凝土計劃采用的環氧膠凝材料、現場施工砂石料樣品送至專業檢測機構，開展配合比試驗，選用2種環氧基液、2種固化劑，每種環氧材料3 d與7 d試塊分別成型一組。根據實驗結果，對混凝土配合比進行了優化調整，最終實施配比見表2。

表2 環氧基液、混凝土配合比表

3)環氧混凝土攪拌。由于環氧混凝土在國內目前尚無成熟的攪拌設備，于施工前分別在市場上采購了350 L自落式混凝土攪拌機、300型砂漿攪拌機，在現場開展攪拌試驗，最終確定采用300型橫軸式砂漿攪拌機進行攪拌，因環氧混凝土粘性大，多次造成設備損壞，現場對原定型產品的電機、傳動軸、攪拌葉片等部位進行改造，最終能適應環氧混凝土攪拌需要。

5.6 環氧混凝土澆筑

1)分倉?；炷练謧}按原設計結構塊進行分倉，在原護坦混凝土結構縫處立模，先澆塊環氧混凝土固化以后拆模，在結構縫處夾10mm厚高密度瀝青泡沫板作為分縫板，再開始后澆塊施工。澆筑順序原則上采用從上游向下游、從左岸向右岸的順序隔倉進行澆筑。

2)倉內分條分塊。由于環氧混凝土內有環氧樹脂原材料，環氧樹脂固化反應過程中釋放大量熱量，如澆筑速度過快，大量混凝土聚積在一起熱量無法散發出去，會導致環氧樹脂出現爆聚，混凝土出現酥松、翹起，所以在同一倉內，需要分條塊施工，分條時順水流方向分條。分條塊寬度先澆塊按1.5～2.0 m控制，后澆筑塊按0.5～1.0 m，根據倉號的形狀和環氧混凝土的拌制速度進行分條?，F場施工情況見圖2。

圖2 環氧混凝土施工照片

3)環氧混凝土振搗。由于環氧混凝土中加入了環氧樹脂，拌合物黏性大，無法用常規振搗器振搗?，F場施工中，加工了部分木錘，利用風鎬、電鎬改裝制作了四套沖擊振搗設備，同時配置了兩套平板振搗器?；炷寥雮}后，人工用釘耙將混凝土鋪平，分兩層進行振搗，每層鋪平后首先用改裝的沖擊振搗設備進行振搗，邊角處加強振搗，局部用木錘輔助錘實，達到收面高程后，在混凝土初凝以前，再用平板振搗器振搗平整。

4)收面養護。澆筑前根據原倉面高程和結構體形，按分條情況布置施工線，收面時利用刮尺、抹刀收面，保證倉面光滑平整，與原結構體型一致，與周邊原混凝土齊平，澆筑后效果見圖3。

圖3 收面后效果照片

5)接縫處理。修補區域與老混凝土邊界接縫應在環氧混凝土填補沖坑或缺陷部位完成3 d后，新老混凝土結合縫表面兩側20 cm范圍內涂刷界面基液粘結劑，保證基液盡量滲入接觸縫之內，條帶結合縫兩側10 cm范圍內涂刷界面基液粘結劑，確保有效結合。

5.7 混凝土表面缺陷處理

環氧混凝土修補后表面出現了一些缺陷，主要是：先澆條與后筑條之間收面不平整產生錯臺，新老混凝土之間結合縫、先澆條與后澆條之間結合縫、新混凝土表面出現寬0.5 mm左右的裂縫。處理措施如下：

1)對于表面錯臺，采用角磨機帶金剛石磨片進行打磨，磨出1∶20的斜坡順接。錯臺較高不能打磨出1∶20的順接斜坡的，將錯臺較低的一側表面鑿毛后，涂刷環氧基液，利用環氧砂漿進行修補平順，環氧砂漿表面涂刮環氧基液，使表面光滑平順。

2)對于新老混凝土結合縫、先澆和后澆條帶之間結合縫產生收縮縫的部位，對于縫寬小于0.5 mm的，利用醫用注射器向縫內灌注高滲透改性環氧灌漿材料(HK-G2)，重復多灌幾次，充分向縫內滲透使縫內漿液充填飽滿，漿液不再下沉為止。對于縫寬大于0.5 mm的，直接從縫口灌注環氧混凝土用環氧基液，返復多灌幾次，直至縫內漿液充填飽滿不再下沉為止，最后在混凝土表面縫口兩側20 cm范圍內涂刮環氧基液覆蓋。

6 質量檢查

6.1 現場材料取樣檢測成果

現場施工時，將試驗模具運到現場，從出機口取樣成型再寄回專業實驗室檢測，環氧混凝土檢測結果見表3，環氧砂漿檢測結果見表4。

表3 C50一級配環氧混凝土主要性能參數檢測結果

6.2 拉拔實驗

同時，在現場施工時，在5-3倉號左側完好混凝土面上，利用同倉澆筑混凝土在完好混凝土表面做了兩小塊修補樣品，鉆孔后用AB膠粘拉拔頭，利用拉拔儀進行檢測，測試新老混凝土結合面的粘結強度[3]，測試結果見表5，現場測試效果見圖4。

從檢測成果看，在樣品粘結強度小于設計指標，且未加錨筋情況下，實驗粘接塊均從老混凝土處斷裂，說明新老混凝土粘結效果良好，且新修補混凝土強度大于老混凝土，同等泄洪條件下，不會再出現前兩次從接合面處破壞，新混凝土被剝離現象。

表4 環氧砂漿主要性能參數檢測結果

表5 現場粘結強度測試成果統計表

圖4 現場拉拔檢測照片

6.3 水下檢查

2017年10月，隔河巖大壩經歷泄洪，持續時間261.2 h，最大泄量4 770 m3/s，累計泄洪量7.56億m3；汛后潛水員對水墊池進行了全面水下檢查，對修補工程進行了重點檢查，未見異常，見圖5。

圖5 水下檢查環氧混凝土修補效果

7 結 語

隔河巖大壩水墊池C50一級配環氧混凝土修補面積達862 m2，澆筑方量153 m3，無論修補面積、體積均為國內罕見，且在高溫、多雨的季節實施，積累了一些經驗教訓，具體如下：

1)環氧混凝土使用量較少，國內少有成熟經驗借鑒，尤其是大面積施工。所以環氧混凝土施工前，一定要根據現場具體使用要求、采用的材料，充分開展配合比試驗研究，確保環氧混凝土各項力學性能指標滿足使用要求。本工程因需趕在汛前完工，時間緊，未對環氧材料進行預先選型及材料配比實驗，導致抗拉強度指標未達到設計要求。

2)受環氧材料性能限制，環氧混凝土養護無法采用常規混凝土的養護方法進行，以后有類似工程施工時，要根據混凝土的特性，專門研究制定溫度控制措施，防止出現裂縫。

3)環氧混凝土自身線膨脹系數比常規的水泥混凝土大，受環境溫度變化影響后自身變形大，在大面積薄層澆筑時，受基礎約束，出現裂縫的可能性比較大，澆筑之前，要根據其特性研究合理的分塊、分條方式。

4)環氧混凝土宜選擇在低溫、降雨少的季節施工，減少施工中防雨、防潮施工措施費用。

5)環氧混凝土黏性大，市場上暫無適應的攪拌和振搗設備，如再有大規模施工，要根據需要設計制作適合的攪拌以及振搗設備。

6)水墊池在后期運行過程中每次泄洪后應及時進行檢查、雜物清理和缺陷修補。