萬家寨水利樞紐5號機組尾水中墩凍融破壞修復處理

侯爭光

（黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西省偏關縣 036412）

1 工程概況

黃河萬家寨水利樞紐位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內，是中游規劃開發的8個梯級中的第一個工程，也是山西省引黃入晉工程的龍頭工程。其左岸為山西省偏關縣，右岸為內蒙古自治區準格爾旗。

樞紐的主要任務是供水結合發電調峰，同時兼有防洪、防凌作用。樞紐年供水量可達l4億m3，其中向內蒙古準格爾旗供水2.0億m3，向山西省供水12.0億m3。樞紐電站裝有6臺單機容量l80MW的混流式水輪發電機組，總裝機容量為l080MW，多年平均年發電量為27.5億kWh，年利用小時數2546h。

樞紐工程由攔河壩、泄水建筑物、壩后式電站廠房、GIS開關站、引黃取水口等組成。攔河壩為半整體式混凝土直線重力壩，壩頂高程982.00m，壩頂長度443m，最大壩高105m。水庫最高蓄水位980.00m，正常蓄水位977.00m。水庫采用“蓄清排渾”運用方式，排沙期運用水位952.00～957.00m。

萬家寨樞紐尾水平臺寬18.45m，平臺高程同發電機層高程909.00m。尾水平臺設有一臺2×800kN尾水門機。尾水墩墻在平面上呈“山”字形布置，胸墻厚2.0～2.2m。尾水中墩分布在壩下0+112.20～壩下0+122.95，881.03～909.00m高程的位置。閘墩上設有機組尾水檢修門門槽，每臺機組尾水管由中墩分隔成2個出口，每個出口設置尾水閘門門槽一道。

2 存在問題

萬家寨水利樞紐運行十多年來，由于受發電機組開停機影響，尾水位變化頻繁，電站所處地區每年有長達4～5個月左右溫度處于0℃以下，記錄最低氣溫為-31℃，導致尾水閘墩在水位變化區域凍融破壞比較嚴重。檢查5號機組尾水中墩凍融破壞高程范圍為896.80～901.00m，缺陷長度3m，高度2m，最大深度可達15cm，混凝土剝離脫落嚴重，局部鋼筋外露。

3 破壞原因及現狀分析

3.1 混凝土凍融破壞原因

混凝土凍融破壞是高寒地區混凝土工程較常見的病害之一，是混凝土受到的物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）產生的損傷。引起混凝土凍融剝蝕的主要原因是混凝土空隙中的水，在干濕交替、凍融循環作用下，形成冰漲壓力和滲透壓力聯合作用的疲勞應力，使混凝土產生由表及里的剝蝕破壞，從而降低混凝土強度。

當經過反復多次的凍融循環以后，損傷逐步積累不斷擴大，發展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，較后甚至完全喪失。從實際中不難看出，處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問題，所以飽水狀態是混凝土發生凍融破壞的必要條件之一，另一必要條件是外界氣溫正負變化，使混凝土孔隙中的水反復發生凍融循環，這兩個必要條件，決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開始的層層剝蝕破壞[1]。

3.2 現狀分析

4 修復處理

4.1 修復方式確定

由于機組每日不定期配合電網調峰開機引水發電，機組尾水水位隨機組過流變化較大，根據2013～2015年尾水水位水情數據統計，尾水水位變化區域處于897.09～902.58m，且機組全停，水位處于897.09m的時間很少，故決定采用水下和水上兩部分分開施工，高程896.80～900.00m范圍屬于水下施工，高程900.00～901.00m范圍屬于水上施工[4]。

4.2 水下修復材料確定

鑒于尾水中邊墩高程891.29m以上部分原混凝土設計標號為R28200D250S8，要求本次修復混凝土標號高于原設計標號，考慮到尾水水位變化頻繁，普通混凝土不易施工等因素，水下施工部位決定澆筑UWB-Ⅱ水下不分散混凝土，并考慮到混凝土凍融頻繁，本次修復決定提高混凝土強度、抗凍等性能等級，確定混凝土標號為C35F300W8[3]（見表1）。

表1 UWB-Ⅱ型水下不分散混凝土性能指標Table1 UWB-II underwater non-dispersible concrete performance index

4.3 修復施工關鍵技術及難點

4.3.1 老混凝土處理

凍融破壞部位周邊的混凝土很可能也受凍融影響而強度降低，為了處理徹底，增強處理效果，需用液壓鏈鋸垂直于閘墩面進行切割。整個破壞區域采用液壓鎬鑿除，要求露出新鮮、密實的混凝土面。

4.3.2 閘墩表面弧形模板制作

支立模板恢復到原混凝土設計面，本工程閘墩表面存在弧形面，制作要求精度高，支立模板需分層支立固定。

閘墩混凝土澆筑后可對模板保留一段時間后進行拆除，鋼模板不但能最大程度地加強水下不分散混凝土的結構強度，也能提高混凝土的抗凍融性能。同時鋼模板的保留，避免了混凝土在機組開啟時的急流狀態下被沖刷，也免去了水下不分散混凝土的養護時間和水下拆模時間，從而進一步提高了施工效率（見表2）。

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4.3.3 做好配合比試驗，保證混凝土抗凍性能達標

UWB-Ⅱ水下不分散混凝土應根據標號、性能要求、現場溫度、初凝時間要求等，做配合比試驗，確定配合比，配置時必須嚴格按此配合比配置，確保混凝土抗凍等級達到F300。

4.4 修復工藝

4.4.1 切邊鑿除砼

凍融破壞部位周邊的混凝土很可能也受凍融影響而強度降低，為了處理徹底，增強處理效果，在破壞邊緣線外擴10cm位置劃出切割邊線，用液壓鏈鋸垂直于閘墩面切割邊線，切割深度10cm，切割邊線必須封閉，齊整。切割邊緣上下高程為897.10m和900.50m，左右至兩期混凝土交接處。

4.4.2 鑿毛

整個破壞區域，采用液壓鎬鑿毛，鑿除表層10～20cm松動的混凝土，要求露出新鮮、密實的混凝土面，如鑿除后混凝土質量依然較差，則繼續鑿除，須鑿至堅實的混凝土為止。

表2 UWB-II水下不分散混凝土配比單Table 2 UWB-II underwater non-dispersive concrete proportioning list設計等級：C35F300

4.4.3 鉆孔、植錨筋

鑿除后用高壓水沖洗清理鑿除面，垂直于混凝土面鉆設橫縱間距50cm，深度30cm，直徑22mm錨筋孔，并用高壓水清除孔內屑渣。再向錨孔內注入環氧錨固劑，植入長度為45cm的φ16錨筋，錨固劑須飽滿，保證錨筋插入后，錨固劑能夠填滿錨筋和錨孔之間的環形空間，確保錨固強度。

4.4.4 布設鋼筋網、倉面清洗

在施工平臺上支立φ12@150雙向鋼筋網，鋼筋網外部預留5cm厚混凝土保護層，鋼筋網與錨筋之間用焊接的方式連接，鋼筋網固定好之后，澆筑混凝土之前，用高壓水對倉面進行徹底沖洗。

4.4.5 支立模板

模板采用3mm厚鋼板，尺寸為4m×1.8m，3塊模板支立而成，分層支立固定，支立過程使用5t手拉葫蘆將模板臨時固定和定型，之后采用M16膨脹螺栓（四周部位）固定，植入膨脹螺栓區域的混凝土堅實，能保證模板的固定。

4.4.6 混凝土澆筑

水下修復部位澆筑UWB-Ⅱ水下不分散混凝土，混凝土標號C35F300W8。現場澆筑時為保證混凝土澆筑質量和人員工作不受開機水流影響，澆筑時選擇在機組全停的時候進行，最低水位高程897.30m，此時水下部分約20cm。直接使用料斗將混凝土灌注進模板內的方式澆筑，澆筑過程對模板進行適當的敲擊，保證混凝土中的大氣泡逸出，混凝土密實。

4.4.7 拆模及驗收

待混凝土強度達到2.5MPa以上，混凝土澆筑完畢60h后，對模板進行水下拆除，拆模后進行水下錄像，檢查混凝土澆筑效果。模板拆除后將膨脹螺栓和錨筋切除，切除的螺栓和錨筋部位應與新澆混凝土面齊平，之后以其為中心向四周擴出10cm范圍內涂刷HSL-301無溶劑水下環氧防腐涂料，并以切割邊線為中心，在其兩側各20cm范圍內也涂刷環氧涂料[5]（見表3）。

表3 HSL-301無溶劑水下環氧防腐涂料特性表Table 3 HSL-301 solvent-free underwater epoxy anticorrosive coating characteristics table

5 結束語

萬家寨水利樞紐5號機組尾水中墩混凝土缺凍融破壞陷處理為后續其他尾水支墩的缺陷處理提供了可靠的修復標本，為大壩后期維護提供了寶貴經驗，水下高標號不分散混凝土的澆筑修復施工，極大地提高了修復效率，保證了閘墩的可靠度和耐久性，為大壩長期、穩定、安全的運行等發揮了重要的作用。5號機組尾水中墩于2016年11月修復完成，運行至今，經歷兩個冬季，檢查閘墩修復部位混凝土無裂縫、脫落等現象，效果良好。2017年相繼修復了5號機組尾水邊墩，4號、6號機組尾水全部閘墩，計劃2019年對1～3號機組尾水閘墩進行修復處理。