治本的方法

 
 
屈高见1  韩建新2
1.中国水电三局,陕西西安,710016   2.安康水力发电厂,陕西安康,725011
 
    摘要: 安康电站表孔消力池自1996年至今,针对四类病害进行了五次维修处理,用到了多种工艺和材料。消力池的泄洪运行以及每次处理前的抽水检查对各种处理工艺及修补材料作出了最客观、最权威的评判。结果清楚地表明:环氧砂浆用于水下环境在抗冲磨性能方面效果优于丙乳砂浆和弹性环氧砂浆;在处理裂缝、结构缝张开病害方面,化学灌浆法明显优于缝面凿槽嵌填法,是相对最 “治本的方法”。
    关键词: 表孔消力池病害  化学灌浆
前言
    诚如医生面对疾病,对于工程病害,“工程医护人员” 也在不断追求“治本的方法”。我国化学灌浆事业已有55周年的历史。55年来,几代“化灌人”投入毕生精力运用包括化学灌浆在内的各种手段医治了大量的工程病害。总结这些“临床经验”,对于我们在面对新的工程病害时,找到或接近“治本的方法”是很有借鉴意义的。比如,安康电站表孔消力池多年来数次大型维修过程就是一个不断追求治本的过程。
工程特性及病害概况
    安康电站表孔消力池属安康水电站主要泄洪建筑物之一。设在河床中部11~15坝段五个表孔通过溢流坝面连接消力池,采用宽尾墩与消力池结合的消能方式。池长108m,纵横缝将消力池底板分成37块,堰顶高程315.0m,池底板高程229.0 m,消力池尾坎高程为243.0m,设计洪水标准为千年一遇,设计洪峰流量为36700m3/s,属典型的高水头大流量的消力池结构。消力池平面布置图见图1。
表孔消力池于1991年汛期开始泄洪过水,运行至1996年,首次抽干池内积水对池底板进行检查,发现消力池存在以下四类主要病害:
    病害一:消力池表面抗冲层(1.0m厚)和基础混凝土脱开。检查发现脱开间隙5~50mm。
    病害二:磨蚀和冲坑。最大磨蚀深度30~50mm,最大冲坑面积约10m2,深度达300mm。
    病害三:裂缝。消力池底板出现多达20余条裂缝,最长80余米,缝宽1~5mm;
    病害四:结构缝张开。池地板结构缝都有不同程度的张开,其中最严重的是12#与13#坝段之间的结构缝,缝张开达20mm左右,两侧错台高差达50mm,缝内止水破坏。地板排水廊道内漏水严重。
自消力池出现病害至今近20年里,针对裂缝、结构缝张开漏水、冲蚀坑等工程病害进行了五次较大规模“诊治”,五次“诊治”的施工工艺各有千秋,材料不断更新,耐久性越来越好。
图1:表孔消力池平面布置图

五次治理概况
3.1五次针对四类病害的处理方法见表一
  表一:       安康电站表孔消力池五次维修处理方法一览表
次序
时间
病害一
(层间脱空)
病害二
(冲蚀坑)
病害三
(裂缝)
病害四
(结构缝漏水)
1996.2~1996.5
钢筋锚固,回填灌浆
环氧砂浆修补
沿缝凿槽,环氧砂浆嵌填
沿缝凿槽,环氧砂浆嵌填
2002.2
预应力锚筋,回填灌浆
清理基面,丙乳砂浆抹面
沿缝凿槽,内填橡胶止水,表层环氧砂浆
沿缝做“外刚内柔”止水结构
2002.3月~2002.5
弹性环氧砂浆修补
同上
同上
2004.12~2005.2
环氧砂浆修补
化学灌浆(环氧)
化学灌浆
(聚氨酯)
2008.1~2008.2
环氧砂浆修补
聚脲喷涂
同上
同上
 
3.2 四类病害的历次处理工艺及效果分析
3.2.1针对“病害一”的处理:
    消力池底板表面抗冲层和基础混凝土脱开形成水平间隙,表孔泄洪时,脉动水压力使缝隙张开或闭合,这样反复作用会使间隙两侧混凝土严重受损,间隙越来越大,以致影响拉应力和剪应力传递,最终威胁消力池的安全。前两次重点对这一病害进行了加固处理,两次分别布设锚筋3952根(ф28mm,间排距1.5m×1.5m,孔深2.5m),预应力锚杆1605根(ф32mm,设计永存吨位20t,在4根锚筋中间布置,孔深4.2m);回填灌浆压力0.2MPa。应当说,两次加固处理有效地恢复了消力池防冲层与基础混凝土之间的整体性,以后的几次检测证明上下两层之间的间隙无显著恶化的迹象,因此可以认为,在无条件重建防冲层的前提下,这一加固措施是最接近“治本的方法”。
3.2.2针对“病害二”的处理:
    高速泄水混凝土建筑物表面出现冲蚀坑是一种常见病害。实际上,发生在消力池底板的冲磨破坏主要是池内堆渣形成的(首次抽水检查,池内各种堆渣1000余立方,以卵石为主),高速水流挟带废渣对池底板产生了机械破坏。因此,定期抽水检查消力池(三至五年一次),清理废渣应当是“治本”措施之一;其次,对已经形成的冲蚀坑及时采用“凿旧补新”法修补。历次修补分别采用了环氧砂浆、丙乳砂浆、弹性环氧砂浆、聚脲等“补新”材料。
    (1)环氧砂浆:环氧砂浆是由环氧树脂E44、固化剂、增塑剂、稀释剂及填料按一定比例配制而成,是最早用于水工混凝土修补的材料之一,具有粘接强度高、抗冲耐磨性能好等特点,缺点是材料易老化。消力池第一、四、五次冲坑修补都用了环氧砂浆,历次抽水检查发现,凡是用环氧砂浆修补过部位,完好率相对最高,说明环氧砂浆非常适合消力池底板冲蚀坑修补。
    (2)丙乳砂浆:丙乳砂浆是丙烯酸酯共聚乳液水泥砂浆的简称。水泥砂浆中掺入丙乳乳液后,在水泥水化结晶中聚集了丙乳有机聚合物相,使刚性无机物之间被坚固、有弹性和粘附性的有机聚合物联结,因此比混凝土的密实性、粘接性要好,且与混凝土热膨胀系数相近,因此抗老化性能较好。广泛用于混凝土修补。消力池第二、三次修补大量用了丙乳砂浆,但泄洪后检查发现,完好率逊于环氧砂浆,因此,第四、五次修补又再次改用环氧砂浆。分析这一现象的原因在于:
    ① 环氧砂浆与混凝土的粘结强度优于丙乳砂浆(环氧砂浆与混凝土粘接强度一般大于5.0MPa);
    ② 环氧砂浆不需要特别养护,而丙乳砂浆需要精心养护,另外冬季施工,丙乳乳液容易发生“破乳”现象;
    ③ 消力池底板常年处于水下,四季温度温度变化不大,这样的环境有利于环氧砂浆的耐久性,恰巧使环氧砂浆的性能得以“扬长避短”(环氧砂浆和混凝土的热膨胀系数差异较大,在温度变化幅度大或阳光长期照射部位易老化)。
    (3)弹性环氧砂浆:弹性环氧砂浆是通过采用柔性固化剂或添加改性剂(如聚硫橡胶)使砂浆既保持环氧树脂优良的粘接力,有表现出类似橡胶的弹性行为。国内用弹性环氧砂浆修补高速过流面冲蚀坑的成功实例不多。消力池第三次修补时,在水流漩滚强烈且表面磨损严重的13坝段的池板快上用弹性环氧砂浆进行试验处理,试验处理面积为342m2。三年后检查发现,90%以上被冲掉。
    (4)聚脲:聚脲喷涂是美国Texaco化学公司于90年代初研制开发的新技术,该技术实现了双组分聚脲树脂按比例快速混合,喷出,迅速反应固化成型的一体化过程,可用于金属、混凝土表面的防水、防侵蚀、耐磨防护喷涂处理,在国内外已广泛应用于工业及民用建筑,造船、机场跑道等防护处理。但国内将此工艺用于水电工程泄水建筑物过流面抗冲磨气蚀的防护处理尚处于试验摸索阶段,可借鉴的成熟的工程实例很少,业界对它的适应性还缺乏足够的认识。消力池第五次修补中选择100m2试验区进行了聚脲喷涂,其有效性目前还没有通过运行检验,作为新材料,期待它在水工混凝土抗冲耐磨修补中有良好的表现。
3.2.3 针对“病害三”的处理:
    由于表孔泄洪时,消力池底板处于震动状态,因此,每次抽水检查,消力池地底板都有新的裂缝出现。裂缝修补方法通常分表面覆盖法、凿槽充填法和灌浆法三种。消力池裂缝修补三种方法都有运用,一般微细裂缝(缝宽小于0.2mm)用“表面覆盖法”处理,即沿缝清理混凝土表面,然后用低粘度环氧浆液浸渍涂覆。消力池前三次修补用了“凿槽充填法”,即沿缝凿槽,在槽中充填密封材料。经过泄洪检验后,发现无论充填什么材料,效果均不理想。若纯粹填充刚性材料(如第一次处理),则短时间内填充体本身会再次出现裂缝;若先填充柔性材料,表层再用刚性材料护面(如弟二、三次处理),泄洪运行后,整个填充体系很容易被全部冲掉,人为凿的槽反而对原混凝土面形成二次破坏。因此,在制定第四次处理方案时,认为“凿槽充填法” “治表不治本”,必须改变处理工艺。第四次处理改用“无损化学灌浆”法,此法无需在缝面凿槽,采用贴嘴或钻细孔方式对裂缝进行化学灌浆,灌浆材料采用低粘度环氧灌浆材料。消力池底板裂缝采用化学灌浆处理后,底地板下面排水廊道内的漏水量显著降低,且多年保持稳定。
3.2.4 针对“病害四”的处理:
    整个消力池底板被纵横结构缝分成37块,结构缝内布设两道止水。1996年初因为池底板排水廊道部分纵横缝漏水量增大(实测达4652ml/s)而重点检查结构缝时,发现部分结构缝张开,最大缝宽达20mm,缝两侧错抬最大达50mm,分析止水已经被拉裂,因而漏水。五次对结构缝漏水的处理过程和历次对裂缝的处理过程类似,第一次凿槽嵌填刚性材料,结果失效;第二、三制定了“内柔外刚”凿槽充填方案(见图2),结果是泄洪后被整体“揭盖子”, 在伸缩缝表面凿槽充填的材料几乎全部被冲掉,仅留下一道道凿开的“U形槽”。
    2004年12月在对消力池进行第四次处理前,对前三次处理工艺进行了总结分析:
    ①伸缩缝处理要求能适应伸缩缝的温度变形开度和高速水流的抗冲刷要求,所用修补材料必须有刚性护面材料和柔性止水材料,即“内柔外刚”的方法,这一处理原则无疑是正确的。
    ②“凿槽充填法”较大面积嵌填柔性材料减少了环氧砂浆与基层混凝土的粘结面,在高速水流作用下很容易被“揭盖子”;
    ③“凿槽充填法”将原状混凝土凿除太多,形成二次破坏;
    ④“凿槽充填法”工序繁琐而复杂,降低了施工的质量保证率。
经过对上分析,制定第四次处理方案:伸缩缝的处理仍然采用“内柔外刚”法,“内柔”改嵌填柔性材料为化学灌浆,灌注材料采用弹性聚氨酯(LW+HW),灌注范围限定在面层砼上层止水以上部分,用“低压、限时、限量”法控制。“外刚”则采用环氧砂浆封闭。见图三。
   
   
    该方案的优点是:
    ①无须凿槽,不对原状混凝土形成二次破坏;
    ②选用材料环氧砂浆和聚氨酯是经大量类似工程实例验证的性能稳定可靠的常用材料;
    ③ 根据修补要求,专门配制环氧砂浆,突出体现粘结性和抗冲耐磨性能;
    ④对于结构缝,改“填”为“灌”增大了环氧砂浆与基层混凝土的粘结面,抗冲性提高;
    ⑤弹性聚氨酯防渗材料灌注到缝内,不易被冲掉;
    ⑥工序相对简单,易于保证施工质量。
    本次处理结束后,实测底板漏水量由处理前的4209ml/s 降到710ml/s 。随后表孔消力池经历了2005年10月的特大洪水后漏水量无明显增加。直到2007年12月消力池再次抽水检查之前,本次处理过的区域漏水量一直保持稳定状态。为此,安康电站有关管理部门2007年11月在安康水电站表孔消力池底板缺陷初步检查报告中的结论是“由于2005年对消力池底板纵横结构缝进行聚胺脂化学灌浆,消力池底板在经历2005~2007年三年的泄洪,从消力池底板廊道检查,纵横缝无渗漏情况。”
结语
    安康电站表孔消力池自1996年以来,针对四类病害进行了五次维修处理,用到了多种工艺和材料。消力池的泄洪运行以及每次处理前的抽水检查对各种处理工艺及修补材料做出了最客观、最权威的评判。结果清楚地表明:环氧砂浆用于水下修补在抗冲磨方面效果优于丙乳砂浆和弹性环氧砂浆;在处理裂缝、结构缝张开病害方面,化学灌浆法明显优于缝面凿槽嵌填法,是相对最“治本的方法”。
当然,这几次维修并没有一劳永逸地解决消力池所有病害,目前消力池安全隐患仍然存在,因此,定期对消力池检查维修是必要的,期待在以后的各次检修中,有更好的新材料、新工艺出现,找到更接近“治本的方法”。
参考文献:
[1] 黄国兴、陈改新,水工混凝土建筑物修补技术及应用,北京:中国水利水电出版社,1998.
 
作者简介:屈高见(1967~),男,陕西商洛人,毕业于成都科技大学水利系,中国水电三局高级工程师,专职从事化学灌浆施工工作。

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