水電站渡槽破損修復研究

王文全, 喻紅芬, 嚴琴琴，甄 峰,丁 平, 謝 超

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司, 江蘇 南京 210024；2.南通市水利局, 江蘇 南通 226000；3.南通市新江海河閘管理所，江蘇 南通 226009；4.揚州市水利局,江蘇 揚州 225000)

0 引 言

小水電作為一種清潔可再生、可持續發展能源，可在不影響山區自然環境的前提下，為附近百姓提供灌溉用水、生活用電，能促進山區經濟社會的發展[1]。但是，小水電站經過多年運行，其引水渠道混凝土襯砌會逐漸老化、破損[2_5]。

渡槽是引水渠道的重要組成部分，其破損會降低輸水效率，極大的浪費水資源，影響小水電站的發電效益。針對混凝土常見破損類型，一些學者已對其破損形成原因進行了分析，并在此基礎上有針對性地修復加固[6_15]。然而，這些修復加固研究未能從結構角度對混凝土的加固效果進行深入分析，修復后的混凝土渡槽等結構僅在運行一小段時間后仍易發生破損。

因此，本文針對某水電站的引水渡槽破損情況，提出針對性的修補方案，并對其設計狀態、破損狀態以及修復狀態下結構性能進行對比分析，旨在驗證其修復方案的合理性。

1 工程概況

1979年建立的某引水式水電站開發任務以發電為主，兼顧滿足電站周圍人民的用水需求。其水庫總庫容為128萬m3，電站攔水壩為均質土石壩。該水電站原設計總裝機容量為260 kW，由2臺臥軸斜擊式機組組成。由于運行多年而缺乏相應的更新改造，目前100 kW機組已停機，僅有160 kW機組正常運行發電，年發電量為50萬kW·h；其廠房墻面、地面積灰嚴重，衛生環境較差。廠房內部發電機組外觀老舊，油漆剝落，銹蝕嚴重，且運行噪聲較大，相關評估機構曾建議加強日常維護和及時對機電設備進行更新改造。

水電站引水明渠由混凝土結構和漿砌石結構組成，引水渠道全長約5 km，其中包含6個引水隧洞和一段引水渡槽。

該引水渠道雖常有維護，但是經過40多年的運行，襯砌老化破損嚴重，使得防滲結構失去原有的防滲能力，特別是渡槽底部出現了嚴重的混凝土剝蝕現象，嚴重影響水電站的正常運行(見圖1)。

從圖1中可看出，引水渡槽底部混凝土嚴重老化，而且由于施工時混凝土保護層厚度未達到規范要求，渡槽底部的混凝土難以對其內部鋼筋進行有效防護。在潮濕環境下，鋼筋發生銹蝕并膨脹，使混凝土結構出現破損，降低了混凝土對鋼筋錨固力和抵抗彎矩的能力，存在極大的安全隱患。

圖1 渡槽底部混凝土層剝蝕脫落現象

2 修復方案

該水電站不僅水工建筑物出現較嚴重的結構老化損壞，機電設備和主要輔助設備等也急需進行更新改造?，F階段該水電站的效益并不高，不能同時對所有水工建筑物和電氣設備進行徹底維修與更新。就引水建筑物而言，電站引水渠道還普遍存在滲漏問題，局部渠道上的邊坡還存在滑塌隱患，急需治理。從該水電站實際情況出發，暫還不具備對其渡槽進行推倒重建的條件。因此，針對渡槽底部混凝土大面積剝蝕現象，本文提出了一種快速實用的修補措施。

(1)破損混凝土的清除

混凝土渡槽結構修補，應先鑿除老化劣化的混凝土表層，至新鮮堅硬混凝土層；再對結合面鑿毛和清洗，使得修補層和原混凝土基層之間形成粘結面。需要注意的是：混凝土鑿除深度不應小于15 mm，本次渡槽內外側鑿除深度控制為25 mm，鑿除深度應保持一致，避免形成薄弱界面。施工時宜用人工鑿除，以加強鑿除尺寸的控制和減小混凝土鑿除對渡槽結構強度的損傷。

(2)新舊結合面的處理

在混凝土鑿除結束后，首先應對外露鋼筋進行除銹，并涂刷阻銹劑和布置鋼筋網，清除老混凝土基面浮塵和松動骨料。待高壓水清洗干燥后，再涂刷混凝土界面劑，隨澆隨涂，以提高新舊混凝土的結合效果。對于渡槽底板外側則應布置鋼絲繩網片，以增強修補結構與原混凝土基層的粘結強度。

(3)修補材料回填

根據混凝土結構的環境類別，渡槽內側的鋼筋保護層厚度為30 mm，新舊結合面的保護層厚度為20 mm；由此可知，該渡槽結構的修補層厚度為50 mm。對于渡槽外側則采用聚合物砂漿補強加固被鑿除的部分，厚度按混凝土剝落厚度而定。澆筑混凝土時，應緩慢地傾倒到預定位置。由于澆搗的厚度較薄，應隨著混凝土澆搗，進行振搗，避免混凝土產生離析現象(見圖2)。

圖2 混凝土置換法施工工藝

3 渡槽結構數值模擬

3.1 計算模型

以現場實測尺寸為基礎，建立修補后渡槽整體有限元模型，研究引水渡槽的實際修補效果。圖3為引水渡槽計算模型(見圖3)，混凝土采用SOLID65實體單元，B層和C層的鋼筋采用SOLID45實體單元，進行靜力分析，結構體均采用彈性模型；其中鋼筋為HPB235，配筋率為0.2%，沿著底板的長度方向和寬度方向均勻放置。鋼筋混凝土結構的密度為2 550 kg/m3，砌石墻基礎的密度為2 410 kg/m3，其修補層的具體材料參數如下所示(見表1)。

表1 某水電站渡槽的材料參數

圖3 計算模型

3.2 結果分析

經上述的修補處理后，基本可以解決渡槽表層材料的老化病害，恢復原有結構的安全性、適用性，減緩由于環境影響因素引起的結構性能衰減。為了更好地反映混凝土置換的修補效果，將修補后的結構簡化成如圖4所示(見圖4)。A層為渡槽外側的聚合物砂漿層，假設平均修補厚度為10 mm，主要保護渡槽外側結構，遏制碳化腐蝕破壞的進一步深入。B層為原鋼筋混凝土基層，厚度為150 mm，澆筑混凝土層前對局部的開裂破壞進行了處理，以恢復基層結構的連續性和增強修補結構的耐久性。C層為渡槽內側回填混凝土層，厚度為50 mm，具有較好的防滲性能，起著保護混凝土基層的作用。同時，結構本身還能與原結構協同工作，對結構整體起著補強加固的作用。

圖4 渡槽修補后的結構分層(單位：mm)

表2和表3分別給出了渡槽底板與側墻有限元計算結果(見表2、表3)。由表2和表3可看出：對比修補狀態下渡槽底板和側墻的應力應變值均比破損狀態小，其中豎直方向的底板應變值較破損時的減小了60.1%，側墻應變值減小了82.51%。由此可知，引水渡槽置換修補方案增加了整體結構有效承載面積，有效地解決引水渡槽材料老化導致整體結構強度降低的問題，提升了引水渡槽安全性能，保證了電站安全穩定的運行以及渡槽周邊地區人民的生命財產安全。

表2 渡槽底板計算結果

表3 渡槽側墻計算結果

4 結 語

針對某水電站引水渡槽的破損情況，提出具體的修補方案，并利用有限元軟件Ansys論證了渡槽結構修復的可行性；可有效地增加整體結構的承載面積，解決引水渡槽因材料老化導致整體結構強度降低的問題，提升引水渡槽安全性能，保障電站安全穩定運行以及渡槽周邊地區百姓生命財產安全。