西霞院電站基于高含量推移質水流工況下環氧砂漿修復材料優化研究

謝寶豐，梁國濤，劉煥虎

（黃河水利水電開發集團有限公司，河南省濟源市 454681）

0 引言

黃河流域水流含沙量大，水流中挾帶大量推移質，包括比較粗的砂礫石顆粒，以及在水流推動作用下前移的較大粒徑塊石等[1]。推移質以滾動、滑動、跳躍的方式移動，其破壞力比懸移質更大，往往能對水工泄洪建筑物造成功能性損壞[2]。大中型水利樞紐的泄水和輸水建筑物，常處于流速快、大流量、高水頭的工況下，水流對水工建筑物混凝土破壞形式主要有三種，一是懸移質顆粒對水工建筑物的磨損破壞；二是水流沖擊對混凝土的過流面造成氣蝕破壞[3]；三是推移質，特別是組粒徑等對水利工程過水結構的破壞。推移質造成破壞類型有沖磨或破壞、混凝土表面剝落，甚至出現鋼筋外露及銹蝕，比其他類型更加嚴重[4]。

西霞院工程是位于黃河中下游的大（2）型水利樞紐，自2018年以來，受水量調度及水情影響，連續三年經歷“低水位、大流量、高含沙、長歷時”泄洪運用方式，導致水流挾帶大量的推移質及懸移質，對工程的水下建筑物、金屬結構，特別是對泄水、輸水建筑物造成了嚴重的沖磨破壞。環氧砂漿材料是一種推廣性廣、高性價比的復合結構材料，具有和易性強、固化速度快、力學性穩定、粘接性優良等優點，其在泄洪流道混凝土修復中得到廣泛應用[5]。黃河水利水電開發集團有限公司在2014年研發出的混凝土環氧砂漿修復材料（專利號：ZL201410510917.6），已在西霞院水利樞紐水工建筑中廣泛推廣使用，取得一定的成效[6]。但針對2018年后在高含量推移質及懸移質的特殊工況下，特別是西霞院泄洪流道的混凝土環氧砂漿修復效果并不理想，為此需要對環氧砂漿修復材料的性能優化提升進行研究。

1 現狀問題

1.1 主要問題

（1）2018年以來，高含量推移質、懸移質水流通過泄洪流道成為造成水工建筑物混凝土損壞最主要原因。

（2）推移質以滾動、跳躍、滑動的方式對混凝土造成破壞，特別是流道的底板部分比邊墻部分破壞更加嚴重，2018年汛后流道檢查發現，個別部位混凝土損壞深度達到10cm，出現鋼筋外露銹蝕。

（3）針對目前的工況，環氧砂漿修補材料要求在良好的抗壓強度和粘接強度基礎上，還具有良好的韌性和抗沖磨性能[7]，已有的專利環氧砂漿材料性能難以滿足目前的工況。

1.2 原因分析

（1）2018年以來，西霞院反調節水庫按照大流量、低水位泄洪排沙方式運用，期間實測最大出庫含沙量達到266kg/m3，高含沙水流挾帶大量推移質，大量推移質通過泄洪流道堆積在發電壩段消力池區域。2018年汛后對9條排沙孔洞流道進行了檢查，發現長時間下泄高含沙水流導致流道混凝土普遍出現了磨蝕、掉塊，局部較為嚴重出現露筋現象，9條流道底板平均磨蝕深度在2～10cm之間，泄洪流道底板的損壞程度遠大于邊墻的損壞程度，說明大體積推移質的滾動、碰撞等作用對底板的損壞更大。

（2）2018年汛后，對破壞較深的底板位置采用的修補方法是底部環氧混凝土并加入植筋，表面2cm采用公司原配方專利環氧砂漿覆蓋；邊墻位置采用原專利環氧砂漿按1～2cm厚度修復。經過2019年汛期，檢查發現底板位置仍然損壞嚴重，局部位置出現露筋現象。說明原配方專利環氧砂漿對高含量推移質水流的磨蝕、沖擊抵抗保護能力不足，一是原配方環氧砂漿的強度在60MP，強度不足。二是應對大粒徑推移質的跳躍撞擊、滾動等損傷情況，要求環氧砂漿在耐磨高強度的基礎上，還應具有足夠的韌性。

2 方案的設計研究

2.1 方案初步設計

研究人員通過搜集資料、外出調研、現場試驗等方法對環氧砂漿修復材料進行研究，原配方專利環氧砂漿的主骨料為級配石英砂，其主要礦物成分是SiO2，其莫氏硬度為7級。碳化硅材料目前也在工業應用中推廣，俗稱金剛砂，化學式為SiC，碳化硅的莫氏硬度為9.5級，碳化硅由于化學性能穩定，耐磨性和強度均超過石英砂[8]。研究人員擬采用級配SiC，替代原配方中的石英砂材料。碳化硅耐磨性和強度強于石英砂，但碳化硅材料屬于高硬脆性材料，要保證環氧砂漿修復材料具有足夠的韌性，必須添加增韌改性材料。

本研究擬提出，一種高韌性耐磨環氧樹脂聚合物砂漿配方，初擬按重量份數由15～20份的環氧樹脂漿料、2～4份活性稀釋劑、6～8份固化混合物、70～80份填料混合物以及增韌改性材料混合拌制而成。

2.2 三種配比試驗方案

根據擬訂方案，五種配料詳細組成做細微調整，每種配方內部材料按重量配比見表1，混合后攪拌均勻后備用，再按比例混合，將得到的環氧樹脂聚合物砂漿，分別進行性能檢測，結果見表2。

表1 三種試驗方案配料詳細配比Table 1 Detailed ratio of ingredients in the three test schemes

表2 3種試驗方案性能參數檢測結果Table 2 Test results of the performance parameters of the three test schemes

由表2可以看出，本研究設計試驗方案1/2/3得到的高韌性耐磨環氧樹脂聚合物砂漿在抗壓強度上可以達到98MPa以上，粘接強度達到4.9MPa以上，抗沖磨強度達到418h/（kg/m2）以上，抗折彎強度達到26.0MPa以上；通過表2還可以看出，本研究發明的高韌性耐磨環氧樹脂聚合物砂漿具有很強的穩定性，具備廣泛推廣的條件。

2.3 現場試驗，效果對比

利用本設計研究方案提供的高韌性耐磨環氧樹脂聚合物砂漿和原專利配方環氧樹脂聚合物砂漿進行了現場對比試驗。研究人員在小浪底水利樞紐2號排沙洞出水口段進行了對比試驗，本發明提供的高韌性耐磨環氧樹脂聚合物砂漿，修補厚度為10mm；原專利配方環氧砂漿修補厚度為10mm。經過3個月的泄洪排沙運行，研究方案提供的高韌性耐磨環氧樹脂聚合物砂漿修補面未出現掉塊、沖坑等缺陷，平均磨蝕厚度約0.5mm，專利號為CN201410510917.6環氧樹脂聚合物砂漿約1/2的修補層被完全沖掉，剩余1/2的修補層平均磨蝕厚度約4mm。

經對比本研究發明提供的環氧樹脂聚合物砂漿與現有環氧樹脂砂漿相比，除具有現有環氧砂漿強度高、粘接強度大、方便施工的優點外，還具有很好的韌性和抗沖耐磨性能，針對受高速含沙水流和推移質影響嚴重的水工建筑物過流部位，具有很好的修補和防護作用。

2.4 確定最終方案

根據實驗室配比試驗和現場試驗，確定高韌性耐磨環氧樹脂聚合物砂漿，按重量份數由15～20份的環氧樹脂漿料、2～4份活性稀釋劑、6～8份固化混合物、70～80份填料混合物以及增韌改性材料混合拌制而成（見表3）。

表3 最終方案配料比表Table 3 Ingredients ratio list of final solution

此種高韌性耐磨環氧樹脂聚合物砂漿的應用方法，包括以下步驟：

（1）按照最終配比方案，備齊上述5種配料；

（2）施工前，使用電動工具對修補表面進行處理，清理表面的灰塵、乳皮、松動骨料等；

（3）按重量份數取65份環氧樹脂漿料、10份活性稀釋劑、25份固化混合物，混合攪拌均勻，制成環氧基液，均勻涂刷在修補表面，并陳化20～60min；

（4）按重量份數取15～20份的環氧樹脂漿料、2～4份活性稀釋劑、6～8份固化混合物、70～80份填料混合物以及微量增韌改性材料，混合攪拌均勻，制成環氧樹脂聚合物砂漿；

（5）將環氧樹脂聚合物砂漿均勻涂抹在修補表面，并使用工具壓實抹平。

3 實施效果

3.1 新型環氧砂漿材料性能效果

本研發方案提供的環氧樹脂修補材料與原專利環氧樹脂砂漿材料相比，在抗壓強度、抗拉強度、粘結強度具有一定優勢，在韌性和耐沖磨性能上也優于原配方專利環氧砂漿。針對受高含量推移質水流破壞的泄洪流道的受損位置，起到預防護和修復作用。研究人員首先經過自檢部分指標可達到性能要求，后又委托第三方國家金屬制品質量監督檢驗中心進行檢測，主要性能指標達到預期（見表4）。

表4 新型配方環氧砂漿主要性能指標Table 4 Main performance indexes of the new formula on epoxy mortar

3.2 汛后流道檢查效果

新型環氧砂漿在2019年汛后廣泛應用于西霞院泄洪流道維修底板部分維修中，經過2020年一個汛期累計120天的運用，其中過流5條泄洪流道，平均過流時間為1638小時，與上年度年過流情況類似。經現場檢查，過流的5條排沙孔洞流道整體情況良好，在底板和邊墻的連接部位、流道折彎部位存在輕微磨蝕，證明新型環氧砂漿材料對高含量推移質及懸移質水流工況下泄洪流道運行狀況有較大的改善，其抗磨蝕、沖擊性能有較大的提高。

4 結語

該項研究成果，提升了黃河流域高含量推移質流工況下的泄水和輸水建筑物修復材料的性能，特別是粗粒徑推移質及類推移質造成的沖磨或破壞，導致混凝土表面剝落、鋼筋外露及銹蝕的問題；在實踐過程中提高了流道維修的施工質量、縮短了檢修工期，消除了安全隱患。該研究成果逐步推廣到多個電站的水工建筑物維修維護中，對水工建筑物安全度汛提供保障，取得較大社會效益。