RG聚氨脂砂漿在李家峽水電站沖刷修復(fù)材料中的對比應(yīng)用

張曉峰，蘇曉軍，孫玉軍，李貴信

(青海黃河水電開發(fā)有限公司，青海 西寧 810001)

1 研究背景

李家峽水電站于1987年7月開工建設(shè)，1997年2月首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。電站大壩為混凝土雙曲拱壩。泄水建筑物分兩層三孔布置，壩身布置有一個(gè)底孔和兩個(gè)泄洪中孔，且在壩下游依兩岸地形與左右岸泄水道形成銜接，設(shè)計(jì)最大下泄流量為6 340 m3/s，各孔明渠段槽內(nèi)最大流速30～40 m/s。

李家峽水電站具有泄洪流量大、流速高、底孔兼顧排沙的特點(diǎn)。從泄水建筑物布置上，由于采用壩體孔口銜接斜坡道明槽形式，明槽內(nèi)流態(tài)復(fù)雜，摻氣減蝕困難[1]。電站泄水建筑物的這些特點(diǎn)注定后期維護(hù)工作量的增加。自1997年投入運(yùn)行以來，先后經(jīng)歷了2006年、2012年、2018年和2019年4次大的維護(hù)和維修。

本文結(jié)合李家峽水電站泄水道2019年以來的維護(hù)維修，尤其是2018年和2019年兩次維護(hù)修復(fù)，對不同修復(fù)材料及其存在的問題與效果進(jìn)行了對比分析。重點(diǎn)探討分析了2019年采用的RG聚氨酯砂漿進(jìn)行的維護(hù)修復(fù)，這種新的抗沖材料與以往水利水電工程常用的環(huán)氧砂漿以及聚脲材料相比，材料性能和修復(fù)效果均有較大程度地提高，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2 歷次維護(hù)修復(fù)方案及出現(xiàn)的問題

2.1 2006年泄洪后泄水道存在的問題及維護(hù)修復(fù)

李家峽水電站1997年投產(chǎn)，至2006年泄洪道從未進(jìn)行過泄水。2004年～2007年汛期檢查對泄水建筑物左底孔、右中孔底板進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)其抗沖蝕層表面有不同程度的龜裂、脫空、邊墻混凝土局部掉塊，溢流表面粗糙。

2004年～2007年陸續(xù)對右中孔5～9段以及左中孔、左底孔三孔泄水道底板抗沖耐磨層混凝土進(jìn)行了修復(fù)。

圖1 左中孔沖刷破壞情況

2.2 2012年泄洪后泄水道存在的問題及維護(hù)修復(fù)

2007年修復(fù)后到2012年7月間沒有泄水，2012年7月開始到2012年8月底左底孔間斷泄水，泄水后對泄水道再次進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)泄水道邊墻存在嚴(yán)重空蝕和磨損破壞，混凝土粗骨料和鋼筋裸露，底板僅個(gè)別部位存在表面輕微剝蝕現(xiàn)象，弧形工作閘門密封被破壞，閘門漏水較嚴(yán)重現(xiàn)象。而右中孔、左中孔一直沒有參與泄水，在2012年年底檢查發(fā)現(xiàn)左中孔泄水道泄洪道底板均存在混凝土龜裂現(xiàn)象(見圖1a)，5段底板裂縫聚脲涂刷層有局部鼓脹、開裂現(xiàn)象(見圖1b)；5段左側(cè)邊墻有1處1.5 m×1.2 m的混凝土鼓脹、開裂(見圖1c)。

2013年4月～6月對右中孔泄水道底板抗沖耐磨層混凝土脫空部位鑿除、澆筑特種混凝土，底板裂縫、底板及邊墻伸縮縫、水面線以下邊墻進(jìn)行了處理，局部破壞區(qū)采用M40聚合物水泥砂漿修補(bǔ)，閘室段、10段和挑流鼻坎段涂刮SK手刮聚脲修復(fù)，修復(fù)后的效果如圖2a所示。對左底孔兩側(cè)邊墻閘室段、1～3段邊墻沖蝕破壞區(qū)松動混凝土鑿除、打插筋、補(bǔ)焊鋼筋網(wǎng)、澆筑C40硅粉混凝土、結(jié)構(gòu)縫處理、4～8段局部破壞區(qū)聚合物砂漿修補(bǔ)，水面線以下邊墻打磨處理，涂刷界面劑，涂刮SK手刮聚脲；邊墻外露鋼筋頭處理；底板混凝土表面裂縫處理，涂刮SK手刮聚脲修復(fù)，修復(fù)后效果如圖2b所示。

圖2 手刮聚脲修復(fù)效果

2.3 2018年泄洪后泄洪道存在問題及2019年汛前的維護(hù)修復(fù)

李家峽水電站泄水道2013年修復(fù)后，直到2018年7月一直沒有泄水。2018年7月12日～10月11日泄洪，左中孔、左底孔、右中孔三孔泄水道分3個(gè)時(shí)段進(jìn)行了泄洪，總歷時(shí)1 149 h 28 min，總泄水量33.41億m3。其中，左中孔閘門最大開度9.7 m，最大泄量2 100 m3/s，泄洪歷時(shí)744 h 23 min；泄洪水量20.90億m3，汛期平均流量555 m3/s；右中孔閘門最大開度8.7 m，最大泄量1 700 m3/s，汛期平均流量831 m3/s，泄洪歷時(shí)316 h 14 min；泄洪水量9.46億m3；左底孔閘門最大開度6.5 m，最大泄量1 007 m3/s，汛期平均流量699 m3/s，泄洪歷時(shí)88 h 51 min；泄洪水量3.05億m3。

2018年8月汛期及汛后檢查發(fā)現(xiàn)，電站左右中孔邊墻、底板聚脲材料修復(fù)部位出現(xiàn)大面積撕裂、脫落；邊墻及底板混凝土出現(xiàn)沖坑(或沖槽)、鋼筋外露，混凝土沖坑深度最大18 cm；邊墻伸縮縫銅止水外露破損；通用底座附近局部混凝土沖蝕破壞，泄洪道底板均存在混凝土龜裂等。

針對2018年汛期和汛后出現(xiàn)的問題，青海黃河水電開發(fā)有限公司于2019年汛前組織開展了維護(hù)修復(fù)，2019年汛前維護(hù)修復(fù)的基本情況為：

(1)對過流面邊墻、底板永久伸縮縫破壞及較深(鋼筋外露)的沖坑、沖槽，鑿除已破損的混凝土，鑿除至較高強(qiáng)度混凝土面。打插筋并布設(shè)加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片、重新澆筑C40W8F300硅粉微膨脹防裂混凝土、采用PTN密封膠處理伸縮縫、新澆筑混凝土面涂刷增強(qiáng)劑及新老混凝土接縫處涂刷接縫劑。

(2)對邊墻、底板聚脲鼓包破壞部位的處理。將以前施工的聚脲材料全部人工鏟除，并根據(jù)混凝土面缺陷情況填抹環(huán)氧砂漿，或打磨混凝土面并涂刷界面劑填充封閉細(xì)小裂縫，或涂刷環(huán)氧膠泥填補(bǔ)混凝土表面麻面、氣孔的方法進(jìn)行表面加固處理。

(3)對過流面混凝土骨料外露，深度5 cm以下局部小沖坑(槽)，采取鑿除破損混凝土、結(jié)合面涂刷環(huán)氧界面劑、環(huán)氧砂漿填補(bǔ)找平、接縫處(環(huán)氧砂漿與老混凝土面結(jié)合處)涂刷接縫劑等措施。

(4)對于混凝土裂縫裂縫寬度小于2 mm時(shí)，清除縫內(nèi)雜質(zhì)并在裂縫表面采用涂刷表面接縫劑進(jìn)行填縫和封閉裂縫；裂縫寬度超過2 mm時(shí)，按裂縫軸線走向鑿除一定寬度，然后清基、涂刷環(huán)氧底層基液并填抹環(huán)氧砂漿進(jìn)行找平。

另外，2019年汛前還對混凝土麻面蜂窩、邊墻拉桿頭、錯(cuò)臺及不平整面等進(jìn)行了修復(fù)。

3 泄水道沖刷空蝕破壞特點(diǎn)及原因分析

3.1 2012年以來泄水道維護(hù)修復(fù)后主要破壞特點(diǎn)分析

李家峽水電站泄水道2012年修復(fù)后主要破壞的特點(diǎn)：①閘室、挑流鼻坎邊墻聚脲、環(huán)氧砂漿出現(xiàn)較大面積沖蝕，大面積聚脲中反復(fù)出現(xiàn)聚脲鼓包引起的破壞。②伸縮縫處采用聚脲處理的部位反復(fù)快速破壞，易出現(xiàn)大塊整體剝落結(jié)構(gòu)破壞。③伸縮縫處汛期采用硅粉微膨脹混凝土C40W8F300方案的部位總體表現(xiàn)較好，個(gè)別出現(xiàn)表面淺層空蝕破壞。④個(gè)別部位邊墻出現(xiàn)大面積深坑淘蝕結(jié)構(gòu)破壞。

為了檢驗(yàn)2018年修復(fù)效果，并保證汛期泄水安全，2019年汛期泄水期間，通過交替泄洪，對李家峽水電站泄水道進(jìn)行了抗沖耐磨檢查和搶險(xiǎn)修復(fù)，從檢查結(jié)果來看，經(jīng)歷了2019年汛前的歷次維護(hù)修復(fù)，李家峽水電站泄水流道總體表現(xiàn)良好，但也出現(xiàn)了一些水毀部位，這些水毀部位有汛前修復(fù)的部位，也有原混凝土新增的破壞部位。其特點(diǎn)可歸結(jié)為：①伸縮縫硅粉微膨脹混凝土C40W8F300表面局部水毀沖蝕，粗骨料外露、伸縮縫表面增強(qiáng)劑局部水毀脫落，上次泄洪未出現(xiàn)破壞的C40混凝土又出現(xiàn)新的破壞，但沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性深層破壞。②汛期采用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)后的部位，再過水后環(huán)氧砂漿完好。③部分段墻面出現(xiàn)大面積環(huán)氧膠泥沖蝕脫落。④伸縮縫修復(fù)后仍有少量表面沖蝕，以摻氣坎下游第一道縫較為典型。⑤2018年未出現(xiàn)破壞的底板在伸縮縫下游發(fā)生了3處小面積破壞。

3.2 泄水道破壞原因分析

泄洪建筑物沖刷、空蝕破壞是目前水利工程界普遍存在且未徹底解決的難題。總體而言，泄洪道破壞程度、部位以及發(fā)生概率與泄洪道的水流特征、泄洪道材料的抗沖耐磨特性以及抗沖耐磨部位施工質(zhì)量等有關(guān)。針對李家峽水電站泄洪道而言，總結(jié)歷次維護(hù)維修后出現(xiàn)沖刷、空蝕等破壞情況，其原因可以歸結(jié)為：

(1)李家峽水電站泄水道結(jié)構(gòu)布置上的特點(diǎn)決定了該泄水道泄洪期間流態(tài)復(fù)雜，加之流道摻氣坎的補(bǔ)氣效果達(dá)不到要求，極易造成摻氣坎附近墻面及邊墻伸縮縫破壞。

(2)李家峽水電站投產(chǎn)后到2019年底前，幾次泄洪間隔時(shí)間均較長，加之工程位于高寒地區(qū)，建筑物經(jīng)受較為惡劣的自然環(huán)境后，抗沖耐磨材料出現(xiàn)一定程度老化，也是泄洪過程中發(fā)生某些類型破壞的原因之一；尤其是界面混凝土，材料性能弱化后，受強(qiáng)水流沖刷易產(chǎn)生裂縫或?qū)е铝芽p發(fā)展迅速[2-3]。

(3)泄水道的施工質(zhì)量也是影響泄水道破壞的重要因素之一，泄水道流態(tài)越復(fù)雜，它對過流面的抗沖耐磨和耐久性、平整度、糙率等要求越高，李家峽水電站泄洪道由于受到當(dāng)時(shí)電站建設(shè)時(shí)施工質(zhì)量和技術(shù)水平的限制，混凝土平整度、錯(cuò)臺和混凝土密實(shí)度均存在一定的問題，這也是造成局部沖蝕、空蝕破壞的主要原因之一，經(jīng)過歷次維護(hù)維修后這種狀況得到一定程度的改善。

(4)能保持結(jié)構(gòu)的完整和耐久性的抗沖耐磨修復(fù)材料是混凝土修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。抗沖磨問題不能一味追求高強(qiáng)度，而應(yīng)提高材料韌性，提高對溫度、濕度變化的調(diào)節(jié)能力，提高其對基層混凝土的粘接力等[5]。在這方面，李家峽泄水道2012年采用涂刮聚脲材料修復(fù)，截至2018年汛后檢查來看，出現(xiàn)大面積起鼓、剝落，導(dǎo)致最后鏟除。長時(shí)間縫內(nèi)口水凍融作用下，聚脲材料不可避免會出現(xiàn)局部與基面粘接不牢等現(xiàn)象，在泄水運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)鼓包造成聚脲材料脫落、撕裂，而聚脲具有一定的柔韌性，破壞后張裂或粘接拉壞原混凝土后易造成該處形成空蝕，從而進(jìn)一步引起混凝土的空蝕破壞；至于環(huán)氧砂漿，是水工建筑物修復(fù)常用材料。從李家峽泄水道歷次維護(hù)修復(fù)情況來看，施工質(zhì)量好的情況下，環(huán)氧砂漿修復(fù)部位一般不會出現(xiàn)太大問題，但由于其對施工面的濕度和環(huán)境溫度比較敏感，基面潮濕和外界溫度較低會影響粘結(jié)面和砂漿的強(qiáng)度增長速度。尤其在汛期搶修時(shí)，在雨霧區(qū)作業(yè)時(shí)存在一定的問題。這也是李家峽泄水道部分環(huán)氧砂漿修復(fù)出現(xiàn)破壞的重要原因。

4 2019年汛期搶修及RG聚氨酯砂漿的應(yīng)用

4.1 2019年汛期搶修

李家峽水電站2019年汛期經(jīng)歷了比2018年泄水歷時(shí)更長、閘門開度更大的泄水檢驗(yàn)，對比結(jié)果見表1。從表1可以看出，2018年以來的修復(fù)工作效果顯著，工藝選擇基本合理，有針對性；但汛期修復(fù)的部分部位又出現(xiàn)了破壞點(diǎn)，汛前未處理的部位也出現(xiàn)了新的破壞，說明2018年汛期泄水道存在的問題沒有完全暴露，選用的技術(shù)方案、工藝和材料還有不足。

表1 2018年和2019年破壞面積、具體情況對比

2019年汛期利用短暫的停止泄洪時(shí)機(jī)，對中孔進(jìn)行了三次搶修，2019年6月對整個(gè)右中孔用環(huán)氧砂漿修復(fù)，泄水后發(fā)現(xiàn)有沖毀，2019年7月進(jìn)行了第二次修復(fù)，其中4個(gè)壩段采用RG聚氨脂砂漿，其他壩段仍采用環(huán)氧砂漿修復(fù)，后經(jīng)過泄水檢查，RG聚氨酯砂漿修復(fù)壩段未出現(xiàn)沖刷破壞，而其他壩段仍有一定的沖刷破壞；對這些壩段繼續(xù)采用環(huán)氧砂漿修復(fù)，汛后檢查RG聚氨酯砂漿修復(fù)壩段仍未出現(xiàn)沖刷破壞，而其他壩段仍有一定的沖刷破壞。

4.2 小 結(jié)

李家峽汛期搶修及修復(fù)情況表明：

(1)聚脲彈性體強(qiáng)度高、韌性好、耐化學(xué)腐蝕、耐老化、抗沖磨性能優(yōu)良，新一代聚脲彈性體施工性能優(yōu)異，既可以噴涂施工，也可以手刮施工[6-7]。但無論是手刮施工工藝還是噴涂施工工藝都需要復(fù)雜的基面處理和性能優(yōu)良的界面劑。

(2)環(huán)氧砂漿是目前水工建筑物抗沖磨中應(yīng)用最廣泛的有機(jī)材料，其具有抗壓強(qiáng)度高，與基層的粘結(jié)強(qiáng)度強(qiáng)，抗沖磨性能好等特點(diǎn)，但本身并沒有很高的抗沖磨能力，但因其粘結(jié)力極強(qiáng)，因此當(dāng)環(huán)氧樹脂與耐磨沙粒結(jié)合后，含砂水流便很難剝離耐磨沙粒[6]。由于高性能混凝土常常有干縮大、裂縫多等問題，其后期在水工建筑物中的耐久性往往不盡如人意。

(3)RG聚氨酯砂漿與基層的粘結(jié)強(qiáng)度高于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度，不易脫層；施工48 h即完全固化，可快速交付使用，節(jié)省工期；國際HACCP認(rèn)證其可與飲用水及食品接觸，芬蘭M1環(huán)境認(rèn)證其環(huán)保無毒，不影響水源質(zhì)量。缺點(diǎn)為抗壓強(qiáng)度略低。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合李家峽水電站泄洪道抗沖耐磨維護(hù)修復(fù)，在深入分析2006年以來的歷次維護(hù)修復(fù)破壞情況以及原因基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對2018年、2019年兩次修復(fù)狀況進(jìn)行了對比分析，探討了環(huán)氧砂漿、RG聚氨酯砂漿在泄水道維護(hù)修復(fù)中性能、效果方面的差異。

從李家峽嘗修復(fù)試驗(yàn)結(jié)果看，經(jīng)RG聚氨酯砂漿修復(fù)過的工程部位經(jīng)兩次較長時(shí)段泄水后沒有出現(xiàn)空鼓和脫落現(xiàn)象。RG修復(fù)部位外觀堅(jiān)實(shí)、致密、完整，固化時(shí)間、粘結(jié)性能、抗沖磨性能以及施工性能等控制指標(biāo)符合項(xiàng)目要求。與環(huán)氧砂漿相比，RG聚氨酯砂漿具有以下優(yōu)勢：①施工環(huán)境適應(yīng)性好，環(huán)氧砂漿須在混凝土面干燥無水情況下施工，而該材料在一定濕度情況下就能施工；②在施工環(huán)境溫度要求方面，環(huán)氧砂漿低溫施工時(shí)材料需加熱，并另行加工配比，而該材料不需加溫，只需保證施工環(huán)境處于正常溫度即可；③固定配比，可以減少工人現(xiàn)場稱重配制的誤差，確保材料質(zhì)量穩(wěn)定、均一；④抗沖耐磨性能高，該材料72 h試驗(yàn)抗沖強(qiáng)度達(dá)到1 908.5 h/(kg/m2)，而環(huán)氧砂漿為80 h/(kg/m2)；⑤抵抗變形能力方面，環(huán)氧砂漿彈性模量約為2 000 N/mm2，RG聚氨酯砂漿彈性模量不小于50 000 N/mm2。⑥綠色環(huán)保方面也具有優(yōu)勢。

RG聚氨酯砂漿首次在李家峽泄水建筑物中應(yīng)用，其耐久性、穩(wěn)定性仍需要大量長期應(yīng)用及試驗(yàn)檢驗(yàn)和驗(yàn)證。