某水利枢纽一级消力池底板应急度汛维修设计

2024-05-25孙亮科李春玲

黑龙江水利科技 2024年3期

孙亮科,李春玲

(中水北方勘测规划设计研究有限责任公司,天津 300222)

1 工程概况

某水利枢纽位于黄河中游,由拦河坝、河床式电站、泄流底孔、表孔、排沙洞、下游消能设施、副厂房、开关站等组成,水库总库容1.96亿m3,电站总装机容量为420MW,工程为Ⅱ等工程,工程规模为大(2)型。

该水利枢纽为混凝土重力坝,坝顶高程900m,坝顶全长408m,最大坝高51m。泄水建筑物由10个4.5m×6.5m泄流底孔和2个12.0m×11.0m的泄流表孔组成,均布置在河床右岸,泄流底孔采用底流消能,底孔一级消力池池长75.00m,池宽95.80～98.80m,池底板厚3.0～4.0m,底板顶面高程为858.00m。消力池底板的纵横缝之间设置一道SK-651型橡胶止水带,止水带位置距消力池顶面0.35m,止水带宽0.3m。一级消力池底板下骑缝处布设纵、横向预制混凝土排水半圆管,为防止排水管在施工过程中淤堵,排水管布置沿水流方向采用梳齿形式布置。

2 目前存在的问题

2019年12月,电站管理局对消力池底板进行测量和检查,发现底孔一级消力池底板表面破坏严重,消力池右侧底板冲刷较轻,靠近底孔的底板较为完整,仅横缝分缝位置存在冲刷,深度为5～10cm;其它位置底板破损严重,且面积较大,局部存在冲坑,冲蚀深度平均在10～15cm,最深处达到30cm;冲毁部位有漏筋现象;漏筋和钢筋被冲断卷曲变形情况较多,其余底板破损位置主要集中在纵横缝分缝位置。为保障2020年度汛安全,需对一级消力池底板进行应急度汛维修加固。

3 一级消力池底板检测结果

2017年5月电站管理局对底孔一级消力池进行了清理检查,2017年8月对一级消力池底板高程进行了测量,发现消力池底板局部表面高程相对设计高程最大高出16cm,据此推测混凝土内部或下伏基岩可能存在脱空等缺陷。为查明具体原因,需对消力池底板进行检测,查明安全隐患,并为后期工程处理提供依据。

综合分析物探、钻探、钻孔压水及芯样试验等成果,消力池底板混凝土分层浇筑之间胶结良好,底板浇筑混凝土与基岩之间除个别位置胶结稍差外,其余界面胶结良好,浇筑的混凝土自身除部分发育裂缝、部分质量稍差,多数混凝土质量较好,混凝土完整性整体较好。

以上监测结果分析可知,消力池底板混凝土浇筑整体相对较好,仅局部存在浇筑高度不均匀现象,混凝土层间结合相对较好。

4 破坏原因及危害

4.1 破坏原因分析

黄河是多泥沙河流,据1952—2000年实测输沙量资料统计,多年平均输沙量为1.13亿t,多年平均含沙量5.05kg/m3。

2015年该水库实施了敞泄排沙,一级消力池内淤积了大量的石块,最大石块的尺寸约为2m×2m,2018年3～4月对消力池进行抽排、清理工作,共清理石块约500m3。由此可知,高速水流挟带着泥沙、砾石、块石撞击混凝土表面,引起混凝土表面结构的磨损、冲蚀以及气蚀是消力池破坏的主要原因。

4.2 危害

原设计消力池底板钢筋保护层厚度10cm,底板止水带距消力池顶面35cm。消力池底板存在表面严重冲蚀、不平整、局部冲坑、漏筋、伸缩缝混凝土破坏等现象,若不进行处理,泄洪过程中,冲蚀加重会造成止水破坏,脉动压力向下传播,出现危及底板混凝土安全的可能。本工程原设计泄流坝段下游消力池底板是作为深层抗滑稳定盖重的一部分,对确保泄流坝段深层抗滑稳定满足规范要求至关重要,消力池底板若产生破坏将改变原坝体运行条件,从而降低泄水坝段坝体抗滑稳定安全裕度。

5 维修应急加固设计

5.1 维修应急加固顶高程选择

1)汛期磨蚀深度分析:2017—2019年,电站管理局对一级消力池底板同一测点的多次进行测量,2017年消力池顶面高程最低为857.898m,平均高程857.99m,说明消力池底板表面平均磨蚀深度为1cm,最大冲坑深度10.2cm;2018年消力池顶面高程最低为857.887m,平均高程857.98m,说明消力池底板表面平均磨蚀深度为2cm,最大冲坑深度11.3cm;2019年5月消力池顶面高程最低为857.79m,平均高程857.95m,说明消力池底板表面平均磨蚀深度为5cm,最大冲坑深度21cm;2019年12月消力池顶面最低高程为857.771m,平均高程857.924m,原消力池设计顶面高程为858.00m,说明消力池底板表面磨蚀严重,表面平均磨蚀深度为7.6cm,局部最大冲坑深度22.9cm。综合考虑2017年至2019年平均磨蚀深度,最大增幅约3cm,为保障2020年安全度汛,确定底孔一级消力池底板维修顶高程≥857.93m。

2)汛后永久维修分析:2020年汛后,一级消力池底板即进行彻底永久维修,应急维修顶高程越高,凿除混凝土工程量越大,考虑凿除工程量,底孔一级消力池底板维修顶高程取857.93m。

3)钢筋保护层分析:原设计底孔一级消力池底板顶高程858.00m,钢筋保护层厚度10cm,应急维修顶高程取857.93m,钢筋保护层最小为3cm,考虑表层抹1cm厚环氧砂浆,顶部抗冲磨性加强,根据历年冲刷深度分析,最大增幅约3cm,维修高程取857.93m可保证未进行应急处理的部位,汛后不漏钢筋。

5.2 消力池底板应急处理方案选择

根据消力池底板存在的问题需采取相应的修补措施,目前国内常用的抗冲磨材料主要分为有机类与无机类两种类型。有机类抗冲材料中,以环氧树脂类材料最优,环氧树脂抗冲磨材料既具有良好的抗磨蚀能力,又具有良好的抗冲击能力,国内很早便把环氧抗冲磨材料用于水利工程,是目前应用最多的有机抗冲磨材料,在紫坪铺泄洪洞混凝土表层冲坑处理、瀑布沟泄洪洞混凝土冲坑处理等工程中均有使用,并且其应用仍在不断扩大[1-2]。

结合消力池底板冲刷磨损深度检测资料,考虑各抗冲磨材料的特性、优缺点及施工工期等因素,选择“C25混凝土加环氧砂浆抹面方案”和“环氧混凝土加环氧砂浆抹面方案”两种方案进行比选[3-4]。

5.2.1 方案一:C25混凝土加环氧砂浆抹面方案

1)深度<7cm的冲坑处理方案:冲坑深度<7cm,即高程857.93m以上的部位不做应急处理。

2)深度≥7cm且<10cm且钢筋未出露的冲坑处理方案:7cm≤冲坑深度<10cm,即高程在857.93～857.90m之间的冲坑在混凝土表面凿毛后抹一层1cm厚的环氧砂浆,环氧砂浆顶面应与周围消力池底板表面平顺连接。

3)深度≥10cm或钢筋局部露出的冲坑处理方案:冲坑部位损坏的混凝土应全部凿除,凿至钢筋网以下5cm。冲坑周边凿除要尽量垂直,轮廓线宜构成凸多边形,凿除厚度应均匀,冲坑周围损坏的混凝土应全部凿除,在达到损坏部位边缘后,再向边缘外延伸一段不<10cm的长度,凿除过程中不得损伤钢筋及周围完好的混凝土。混凝土凿除后,如发现表面有松动层、局部裂缝、蜂窝麻面等部位,继续凿除至密实、坚硬的混凝土,混凝土凿除后的表面,必须露出坚固的石子。

清理凿除面,增设锚杆,断裂、冲毁和局部出露的钢筋按原设计的直径与间距重新恢复,锈蚀的钢筋进行除锈处理;冲洗混凝土凿毛面,待老混凝土表面达到饱和面干状态后,在老混凝土表面涂刷界面胶,浇筑C25一级配混凝土(同原设计标号),待新浇混凝土达到设计龄期满足强度要求后,表面进行凿毛,抹1cm厚环氧砂浆,环氧砂浆表面应压实、收光。

锚杆采用全长黏接型环氧树脂锚杆,采用螺纹钢筋,直径为16mm,间、排距80cm,梅花形布置,锚入老混凝土内深度≥50cm,锚杆距离处理边界的距离≤30cm,且单个冲坑锚杆根数≥4根,弯折后与顶部钢筋焊接。

4)伸缩缝处理:原设计底孔一级消力池底板伸缩缝缝宽2cm,缝内充填高压聚乙烯闭孔板,止水带距离顶面距离35cm,止水带宽0.3m。

伸缩缝混凝土损坏部位处理方案如下:凿除结构缝两侧混凝土至密实坚硬的混凝土,单侧凿除宽度20cm,底部凿除至密实混凝土,且凿至下层钢筋网以下至少5cm,露出坚硬的混凝土面;清除凿除物及表层松动的混凝土,增设全长黏接型环氧树脂锚杆,直径为16mm,间、排距50cm,梅花形布置,锚入老混凝土内深度≥50cm,锚杆距离伸缩缝边缘不应<16cm;伸缩缝内充填2cm厚高压聚乙烯闭孔板,顶部距离环氧砂浆顶面5cm;冲洗混凝土凿毛面,待老混凝土表面达到饱和面干状态后,在老混凝土表面涂刷界面胶,浇筑C25一级配混凝土,浇筑顶面应结合周围混凝土现状高程进行,以保证维修顶面与周边的混凝土表面平顺连接,新浇混凝土达到设计龄期,满足强度要求后,表面进行凿毛处理,抹1cm厚环氧砂浆,环氧砂浆表面应压实、收光。

5.2.2 方案二:环氧混凝土加环氧砂浆抹面方案

冲坑深度<7cm、7cm≤冲坑深度<10cm的处理方案同方案一;冲坑深度>10cm处理方案的损坏混凝土凿除、钢筋恢复、锚杆加固措施等也同方案一,主要区别是混凝土凿毛待老混凝土表面达到饱和面干状态后,在老混凝土表面涂刷环氧混凝土底层基液,回填浇筑环氧混凝土,回填顶面应结合周围混凝土现状高程,保证维修顶面与周边的混凝土表面平顺连接,环氧混凝土固化后,表面抹1cm厚环氧砂浆。

伸缩缝处理方案与方案一的区别为浇筑的C25混凝土调整为环氧混凝土。

5.3 处理方案选择

两方案施工难易程度基本相同,方案二采用环氧混凝土,后期整体维修时凿除相对困难;常规混凝土强度增长较环氧混凝土慢,常规混凝土一般施工完成28d以后方可进行下道工序,而环氧混凝土施工完成固化以后,可施工下道工序,方案二维修施工工期较短,但两方案均满足汛前完工的要求;方案一工程部分投资较方案二少1124万元。经过综合分析,考虑应急维修工程投资及后期整体维修时混凝土凿除的难易程度,应急维修方案选择方案一:C25混凝土加环氧砂浆抹面方案。