紫坪铺工程泄洪排沙洞抗高速水流冲磨蚀修补及震后修复.doc

紫坪铺工程泄洪排沙洞抗高速水流冲磨蚀修补及震后修复
张涛1 郭双2 黄俊玮1
1.中国水电十一局郑州科研设计有限公司 2. 河南省建设集团有限公司

【摘要】 本文介绍了紫坪铺水利枢纽泄水建筑物受到高流速水流冲磨蚀破坏和修复处理所采用的新技术，并对该工程“5.12”震后的恢复重建修复处理进行了综述。本文所述的抗冲磨蚀保护和修复新材料技术为同类工程抗高速水流冲磨蚀保护和修复处理提供了很好的借鉴。
【关键词】高流速 泄水建筑物 冲磨蚀 环氧砂浆 保护修复

1 工程概况
紫坪埔水利枢纽工程位于四川省都江堰渠首工程的上游6km处，是以灌溉、供水为主，兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益的大（Ⅰ）型水利枢纽工程。主要建筑物包括156m高钢筋混凝土面板堆石坝、4条引水发电洞及进水塔、1条冲砂放空洞、2条泄洪排砂洞及进水塔、非常溢洪道、地面发电厂房等。水库总库容11.12亿m3，装机容量4×190MW。
两条泄洪排砂洞是由原导流洞以龙抬头方式改造而成，设计最大流量为1667 m3/s，最高流速为45m/s。其中，导泄结合段的洞身为钢筋混凝土衬砌，侧墙5.35m以下全断面采用C50硅粉砼，底板面层50cm全断面采用C50硅粉砼。经2002年一个运行期的导流，在高速水流及推移质的冲刷磨蚀作用下，混凝土衬砌表层磨损较为普遍，局部出现冲蚀坑槽，为确保工程的长期安全运行，需要对冲磨蚀破坏部位进行处理。
2 设计要求和材料选择
借鉴国内类似工程的先进修复经验，通过对多种方案的考察与论证，设计文件对该工程冲蚀破坏处理所选取的材料种类、施工部位和范围均作出了明确规定。
2.1处理方案
2.1.1底板和边墙的渗水处理
采用化学灌浆止水堵漏。
2.1.2 局部冲蚀坑处理
面积大于1m2、深度超过10cm的冲坑，先将混凝土表面清理干净后，再安装间距为30cm×30cm、孔深为50cm的φ16树脂锚杆，布设20cm×20cm的φ16钢筋网，回填浇筑C50细石混凝土；面积小于1m2或深度小于10cm的冲坑，将混凝土表面清理干净后，回填环氧混凝土。
2.1.3边墙和底板保护层处理
边墙5.35m以下涂抹7mm环氧砂浆抗冲磨保护层，面积为，底板涂抹20mm厚的环氧砂浆抗冲磨保护层。
2.2材料的性能要求
聚氨脂浆材：抗拉强度4.0MPa，遇水膨胀倍数＞100%，伸长率＞100%。
环氧混凝土：抗压强度60.0MPa。
环氧砂浆：抗压强度80.0MPa，抗拉强度12.0MPa，抗冲磨强度7.0 h/kg/ m2，线性热膨胀系数≤15×10-6/0C，无毒无污染、符合环保要求。
2.3抗冲磨材料的选择
结合国内水利工程实践经验，经试验对比和工艺性试验研究，最终选用了目前处于国内领先水平的NE-Ⅱ型环氧砂浆材料进行表面抗冲磨防护处理。
表1 NE-Ⅱ型环氧砂浆的各项主要性能
检测项目
技术指标
标准、依据
备注
抗压强度
125.0MPa
GB/T17671-1999/设计

抗拉强度
13.7MPa
GB/T2568-1995/设计

抗冲磨强度
7.66h·kg/m2
SD105-82[515-80]/设计

抗冲击性
2.1KJ/m2
GB/T2571-1995

抗压弹性模量
2.15GPa
GB/T2569-1995

线性热膨胀系数
9.2×10-6/℃
GB/T2572-1981/设计

碳化深度
0.86mm
GBJ82-1985

老化性能
137.0MPa
GB/T17671-1999
800h后抗压强度
不透水系数
19.6MPa·h
DL/T5150-2001

吸水率
0.18%
GB/T1462-1988

毒性物质含量
苯
0.2g/kg
≤5
参照室内装修材料测试方法
甲苯＋二甲苯
＜0.01g/kg
≤200
总挥发物
17.5g/L
≤750
NE-Ⅱ型环氧砂浆主要特性：
（1）具有良好的施工性能，常温条件下类似于水泥沙浆施工方便快捷，施工面平整光洁。
（2）与混凝土的匹配性良好，具有较小的线性热膨胀系数和较低的弹性模量，不宜因两者的变形性能不一致而出现破坏现象。。
（4）具有良好的耐久性，抗老化性能和抗碳化性能优良。
（5）无毒、无污染，符合现代环保要求。
3 施工技术研究与实践
1#导流洞的环氧砂浆施工工程量为11000m3，总工期约75天。由于工程量大、工期短、专业性强且洞内交叉干扰严重，为此业主和总承包商综合考评选择了中水十一局郑州科研设计有限公司这一专业队伍承担了此项施工任务。
3.1混凝土基面处理方法的试验研究与优选
为保证环氧砂浆的施工粘结效果，首先必须对混凝土基面进行糙化处理。由于整个1#泄洪排砂洞改造工程工期很紧，环氧砂浆与洞内混凝土工程交叉施工，干扰严重。在施工中如果采用效率高但污染严重的喷砂法处理混凝土基面，势必对洞内混凝土施工进度造成严重影响，这是业主所不允许的。为此，在确保施工效率和质量的前提下，必须找到一种对外界几乎没有干扰的混凝土基面处理办法。
经过多次现场试验研究（研究成果见表2和表3），最终选定采用金刚石磨轮和电动钢丝刷联合处理基面。施工实践证明，此方法成本较低、操作灵活、对周边干扰小，比较适合中于交叉作业的施工条件。
表2 几种基面处理的粘结拉拔强度

混凝土糙化处理方法
钢丝刷毛
凿毛机凿毛
风砂喷毛
磨轮+电动钢丝刷
最大值
2.4
4.8
5.6
6.3
最小值
0.7
0.5
1.4
1.2
平均值
1.6
2.2
2.9
3.5
离差系数
0.27
0.31
0.17
0.19

表3 几种混凝土基面处理方法的效率和优缺点
方 法
效率（m2/台班）
优 缺 点
钢丝刷刷毛
30~50
操作灵活、损耗少，但效率低、效果差
凿毛机凿毛
5~10
效率低、劳动强度大、不均匀、易扰动骨料
风 砂 喷 毛
80~120
效率高、效果好，但污染严重
磨轮+电动钢丝刷
40~80
效果好，但劳动强度和损耗较大
3.2施工研究与技术要求
3.2.1工艺流程
结合该工程特点，为保证施工质量和进度要求，在正式施工之前首先对施工的程序进行了着重研究，并制定了严格的工艺流程。
基面处理

固定厚度标尺

涂刷 基 液

配制基液

间隔20~60min
间隔10~50min

抹环氧砂浆
配制砂浆

压实找平

厚度检测
不合格

合格

环氧砂浆光面
清理工器具

施工流程图

3.2.2基面处理与技术要求
为了获得良好的施工效果，就首先需要把混凝土面除处理好，并满足技术要求：渗水、漏水部位，用化学灌浆止水堵漏；对冲蚀坑槽，用环氧混凝土回填补强；用电动磨轮磨除混凝土表面乳皮和粘附在表面的污染物、薄弱层及松散颗粒，气泡孔内的泥浆清除干净，基面需外露新鲜骨料；用电动钢丝刷和高压风清除干净混凝土表面上的砂粒、粉尘和其它污染物；根据混凝土基础面的干湿状态选用不同型号的环氧砂浆材料；
3.2.3材料的拌制与施工
施工用的主要材料包括底层基液和环氧砂浆两个系统，如果在材料的拌制和施工工程中出现差错或控制不严，就会严重影响施工质量。为减少称量误差、简化施工中的操作程序和提高施工效率，通过室内试验研究和现场工艺性研究，决定对材料采用双组分半成品包装，把各组分材料的称量、拌制与加工等繁杂环节提前在生产车间内进行，施工现场把两个组分按一定比例混合搅拌均匀即可施工使用。
施工中每个环节的好坏都对整体的施工质量都起着致关重要的作用。就如看似简单的材料混合搅拌操作，如果搅拌时间较短，可能就会搅拌不匀，出现“加生”现象，降低粘结性能；如果搅拌时间偏长，就会导致基液发热，甚至出现暴聚现象，影响基液的施工性能和粘结效果。因此，这些操作程序及技术要求，在正式施工之前就必须结合现场的气温、环境等具体条件进行专项试验研究和论证，并详细、明确的制订出施工中的各项技术要求与操作程序。环氧砂浆施工时，将拌制好的环氧砂浆用抹刀按设计要求的厚度涂抹到已刷好基液的基面上，涂抹时尽可能同方向连续摊料，并注意衔接处压实排气；边涂抹、边压实找平，表面提浆。用于砼表层修补时，要先将砂浆用力摊铺压实，然后用抹刀拍打出浆，对边角接缝处要反复找平；必要时，用拍打出来的浆液填充细微接缝，并反复压实，消除缝茬，保证连接的平滑性。
4 施工质量控制与检测
基面处理施工时，表面必须磨除乳皮、污垢，外露新鲜骨料，气泡孔内的泥浆等杂物应刷除干净，方可进行下道工序的施工。
施工期间用2m标准直尺靠检施工层面发现问题，及时采取补救措施。保证最终施工面满足设计要求，无接缝、麻面、下坠等异常现象。施工时侧重压实—抹平—提浆等关键工序。对底板较厚部位采取分层压实或机械振捣的办法，并根据环氧砂浆的密度来控制涂层密实度。保证拉拔检测试验不断裂在环氧砂浆自身。
本工程施工所用环氧砂浆由中水十一局郑州科研设计有限公司自行研发生产，是国家方面发明专利产品，经国家建筑材料测试中心检验各项力学性能指标均满足设计要求，且施工抽检各项指标均达标。
施工期间对材料的抗压强度、粘结拉拔强度，施工平整度、厚度及时进行现场抽检。粘结拉拔强度的检测方法是采用进口DYNA-Z15型液压拉拔仪进行现场拉拔试验，由监理工程师随机抽样30个测点，左、右边墙和底板各抽取10个测点，检测过程中只有一个点从环氧砂浆和混凝土结合面断裂（粘结拉拔强度为4.5MPa），其余测点均断裂在混凝土本体中，符合设计要求。
表4 施工检测结果统计
检测项目
设计值（MPa）
组数
试验实测值（MPa）
S
（MPa）
Cv
P
（％）
合格率（％）
最大值
最小值
平均值
抗压强度
80.0
50
133.6
84.6
108.2
11.9
0.11
99.1
100
粘结拉拔强度
＞4.0
30
6.2*
1.0*
3.65*

100
平整度检测
3/5mm
60
－
－
－
－
－
－
100
厚度检测
7mm
60
－
－
－
－
－
－
100
注：①.表中“＞4.0”表示设计值为大于4.0MPa或拉拔试件断裂在砼本体。
②.表中标注“*”的数据表示该试验的拉拔试件全部断裂在砼本体。
5 小结
1) NE-Ⅱ型环氧砂浆在紫坪铺水利枢纽工程1#、2#泄洪排砂洞进水塔闸室段、导泄结合段及挑流鼻坎段边墙、溢洪道挑流鼻坎底板与边墙冲砂以及放空洞挑流鼻坎段边墙等部位应用，总施工面积约25000余m2，各项检测指标均满足设计要求。
2) 环氧砂浆修复区域至今已经过了5~7年的运行，修复处理效果理想。
6 震后修复
2008年5月12日，四川省境内发生了震惊中外的“5.12”汶川大地震。紫坪埔水利枢纽工程距离震中仅30余公里，大坝、过水建筑等设施均受到了不同程度的损坏。我公司人员在震后第一时间投入了震后检查工作。通过认真检查发现，大坝混凝土面板出现不同程度的裂缝；泄洪洞、溢洪道等过水建筑混凝土结构出现有裂缝、局部错台、结构缝处环氧砂浆局部掉块以及局部混凝土出现冲蚀坑槽等不同形式的破坏。为确保大坝安全蓄水，需要及时进行修复处理。
6.1 大坝裂缝检查修复
大坝裂缝处理的主要内容有：裂缝调查、化学灌浆、涂刷水泥基渗透结晶渗透材料、取样检测。修复工作于2008年6月15日开工，7月20日完工， 历时35天。
6.1.1 裂缝调查
2008年5月16日现场勘察统计，混凝土面板震损裂缝主要集中在库区水面线以上的二、三期面板施工缝，三期面板局部出现细小裂缝，详见表5。本次检查统计结果，为水利部专家组评定大坝震后的安全性提供了可靠数据。
紫坪铺坝顶高程为880.0m，震后检查发现高程为845.0m的二、三期面板原施工缝破坏比较严重，大坝中部的8#~23#、32#~40#二、三期面板施工缝开裂形成错台，缝宽在1.5cm～20cm之间，缝深为35cm～50cm，已贯穿混凝土面板，施工缝处的钢筋因二、三期面板错开破坏成“S”形。
在破坏严重的二、三期面板原施工缝周边及三期面板870.0m～845.0m范围内出现多条震损裂缝，缝宽在0.1mm～10mm之间，缝深为50mm～500mm，部分裂缝贯穿混凝土面板，总长度600余米。
表5 大坝面板震损裂缝调查统计表
序号
裂缝类型
裂缝宽度(mm)
长度(m)
备注
1
大坝面板原施工缝贯穿裂缝
15～200
368

.0
原施工缝开裂形成错台，钢筋扭曲变形
2
大坝面板深层裂缝
0.2～10
205.9
部分裂缝贯穿面板
3
大坝面板表层裂缝
＜0.2
414.8

6.1.2 裂缝处理方案
根据混凝土面板检查情况，在充分论证各类裂缝处理的技术方案后确定：
（1）二、三期面板施工缝开裂形成错台的贯穿裂缝，首先凿除裂缝两边各50cm的面板混凝土，将破坏变形的“S”形钢筋全部割除，置换焊接同型号钢筋，再回填浇注同标号面板混凝土；
（2）宽度大于0.2mm的裂缝，采用化学灌浆的方式灌注低粘度无溶剂环氧结构胶，进行补强加固；
（3）宽度小于0.2mm裂缝，采取在缝面涂刷水泥基渗透结晶材料，进行修补处理。
修复加固材料主要采用NE-Ⅳ型环氧结构胶和ST水泥基渗透结晶材料。
NE-Ⅳ环氧结构胶是一种双组份无溶剂环氧树脂灌注材料，具有黏度低、粘结强度高、柔韧性好、无收缩、无毒、可灌注潮湿裂缝等特点。
表6 NE-Ⅳ型环氧结构胶的主要性能指标
项目
抗拉强度MPa
抗压强度MPa
胶凝时间h
与砼粘结抗拉强度MPa
不挥发物含量％
黏度
（25℃，mPa·s）
指标
≥10.0
≥50.0
2～5
＞4.0
≥99.8
70～150
宽度小于0.2mm表层裂缝的修补材料采用ST水泥基渗透结晶材料，它是以高渗进性活性物质为激发物的复合性材料。涂刷在混凝土表面，其活性化学物质以水为载体渗入混凝土内部，促使混凝土内部未水化的水泥成分二次水化，反应生成不溶于水的结晶体，堵塞混凝土内部孔隙，修补细微裂缝，达到防水效果。
表7 ST水泥基渗透结晶材料性能指标
项目
抗压强度MPa
抗折强度MPa
湿基面粘接强度MPa
抗渗压力MPa
第二次抗渗压力MPa
渗透压力比％
指标
≥20.0
≥3.0
≥1.0
0.7
0.9
300
化学灌浆施工技术措施：缝面清理→灌浆孔布置及钻孔→封缝埋嘴→试漏→灌浆→拆嘴封孔→检验。
化学灌浆施工时首先要把缝面清理干净，然后再根据裂缝的宽度、走向、长度等基本数据确定钻孔的位置和间距。布孔采用骑缝孔和斜孔相结合的方式，且尽量在裂缝两侧布置双排孔。灌浆之前，试漏和排水是不可缺少的重要环节，是保证化学灌浆施工质量的关键步骤。因为是坝的面板混凝土灌浆，灌注的工作压力一般控制在0.3MPa～0.5MPa，且压力由低到高逐级提升，灌浆顺序为从下至上，从深至浅。灌浆采用单孔和多孔并联灌注进浆方式进行。当进浆顺利时应降低灌浆压力；当邻孔出现纯浆后，暂停压浆；将注浆嘴移至邻孔继续灌浆，在规定的压力并浆，直达到灌浆结束。灌浆结束一定龄期后，再进行压水试验和钻孔取芯检查灌浆效果。达不到灌注效果处，需要重新补灌，直至把裂缝灌注饱满。
水泥基渗透结晶渗透材料涂刷施工技术措施：基层处理→基面湿润→制浆→涂刷灰浆→检验→养护。施工前也需要先把混凝土表面清理干净，并用水充分湿润达到饱和面干。按材料供应商提供的配制比例和施工方法进行施工。需要注意的是涂层施工完毕后，应及时检查涂层是否均匀和有暴皮现象，如有须及时进行修补。涂层终凝3-4小时后，采用喷雾式撒水养护，每天喷水养护3-5次，保持表面湿润，连续养护6-7天。
6.1.3 小结
紫坪铺水利枢纽大坝混凝土面板震损裂缝的处理是严格按照修补技术方案执行和控制的，修补后检查结果表明，混凝土裂缝被浆液充填饱满、密实，裂隙中的浆脉清晰，浆液凝固后与混凝土粘结牢固。修补处理结束一年后又对修补部位进行了复查，混凝土面板震损裂缝修补效果良好，缝面平整密实，没有出现二次开裂、凸凹变形等异常现象，修复效果理想。
6.2 泄洪洞、冲沙洞检查修复
“5.12”地震后，我们与业主一起对泄洪洞、排沙洞进行了全面检查，发现由于地震原因而导致的破坏主要是混凝土裂缝、错台和结构缝周边个别部位环氧砂浆掉块等。出现的裂缝有些是原有裂缝受到地震作用力而变宽变长，有些是新增裂缝，对这些裂缝的处理采用的是低黏度环氧浆液和聚氨酯浆液相结合的化学灌浆处理方法；对错台和结构缝周边个别部位脱落的环氧砂浆，采用的修补方案是首先对错台缝和结构缝进行处理，然后再用环氧混凝土和环氧砂浆修复，修复效果理想。
根据这几年的运行情况发现，用环氧砂浆做过抗冲磨处理的部位，运行效果都比较理想，而没有进行环氧砂浆保护的部位，部分部位出现了冲磨蚀现象。因此，设计单位根据运行情况结合中国水力电力科学研究院的《紫坪铺工程泄洪洞体优化试验研究报告》对1#、2#泄洪排沙洞缓坡段进行了灾后恢复重建修复处理。其中2#泄洪排沙洞的处理情况大致为3#掺气坎后在原5.35m高度的基础上侧墙环氧砂浆新增高度为5m，厚度为7mm；4#掺气坎后在原5.35m高度的基础上侧墙环氧砂浆新增高度为2m，厚度为7mm；5#掺气坎后在原5.35m高度的基础上侧墙环氧砂浆新增高度为2.5m，厚度为7mm；共5000多平方米。对F3出口段顶拱环氧砂浆以上的部位进行水泥基渗透复合增强材料处理，共计6500 m2。对洞内裂缝采用化学灌浆材料，共计1450m。工程于2010年6月1日开工，11月15日竣工。各项检测结果均满足设计要求，良好的施工质量和修复效果受到了业主、设计和监理单位的一致好评。
7 结语
1) 紫坪铺水利枢纽工程泄水建筑物设计流速为46m/s，是目前国内最高设计流速工程之一。NE-Ⅱ型环氧砂浆作为抗冲磨材料在该工程上应用超过30000平方米，是目前世界上最大面积的采用环氧砂浆抗冲磨新技术。
2) 环氧砂浆在紫平铺工程上使用已经经过了5~7年的过水运行，没有出现明显的冲磨蚀破坏和其它形式的破坏等现象，使用效果理想，尤其是经历了“5.12”地震考验。因此，为国内外高水头高流速水电工程的抗冲磨蚀保护和修复提供了很好的成功经验。
参考文献
1、 黄俊玮等.紫坪铺水利枢纽1#、2#泄洪洞冲磨蚀修复施工技术方案.中国水利水电第十一工程局（2003年4月）
2、 杨志宏等.紫坪铺水利枢纽灾后恢复重建工程设计更改通知.四川省水利水电勘测设计研究院(2010年5月)

Repair of anti-abrasion of high-speed flow and post-earthquake restoration of Zipingpu Project flood discharge and desilting tunnel
Zhangtao1 guoshuang2 huangjunwei1
1．Sinohydro Corporation Bureau 11 Zhengzhou Scientific Research & Engineer Co,Ltd.
2.Henan Construction Group Co,Ltd.
【Abstract】 The article introduces the new technology adopting of abrasion damage and repair process when zipingpu hydro junction discharge structure suffers high-speed flow, and makes summarization to reconstruction and repair process after the “5.12” earthquake. The anti-abrasion protection and repair new material technology of the aticle describing provides a good reference for anti-abrasion of high-speed flow protection and repair process of similar projects.
【key words】high-speed, discharge structure, abrasion，epoxy mortar, repair
作者简介
张涛，1973年9月出生，男，汉族，河南省宁陵县人，高级工程师，硕士学位，主要从事新型建筑材料的研究开发和工程应用技术研究工作。
郭双，1972年4月出生，男，汉族，河南省南阳市人，工程师，注册一级建造师，学士学位，主要从事建筑材料试验研究和工程施工与管理工作。
黄俊玮，1974年7月出生，男，汉族，四川省荣县人，经济师，注册一级建造师，主要从事工程应用技术研究和工程施工与管理工作。
联系方式
单位名称：中国水电十一局郑州科研设计有限公司
通讯地址：河南省郑州市高新区莲花街9号中国水电大厦429室
邮政编码：450001
电话：[phone]
电子信箱：13839859607@

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