經(jīng)驗介紹：水庫消能工程防沖抗磨技術(shù)應用研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：曹建國
1 消能工程概況
大伙房水庫主要由主壩、一副壩、二副壩、三副壩、主溢洪道、非常溢洪道和輸水洞組成，在輸水洞后接有泄洪支洞和水電站。輸水洞最大泄流量220m3／s。其中，一支洞直徑5.5m，長度92. 3m，洞后接有水電站，其最大泄流量1 80m3/s；二支洞為泄洪支洞，直徑4m，長度48. 45m，出口漸變段長12m，出口閘門為兩扇2. 25m×2.25m的高壓平板滑動閘門，并設有兩臺油壓啟閉機。
泄洪支洞出口為消能塘和尾水渠。消能塘長60. 5m．底寬21. 2m，頂寬31m，消能塘邊墻坡比為3:1，閘門出口處分水墩底寬7m，高2.2m，底部高程82. 29m，消能塘頂高程98.0m，消能塘后尾水渠底高程91. 0m，長316m，底寬30m，底坡0.09%，邊坡1：2。
2.破損情況及成因分析
經(jīng)普查，消能塘多處出現(xiàn)損壞，損壞特征主要表現(xiàn)為混凝土沖坑、表面剝蝕、集料缺損、沖蝕、汽蝕破壞，鋼板沖毀、空鼓、翹起、錨固螺栓沖毀，混凝土內(nèi)部鋼筋外漏、結(jié)構(gòu)縫嵌縫材料缺失、結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)混凝土缺失，混凝土損壞區(qū)域多處出現(xiàn)滲漏、滲流等。這些破壞區(qū)域主要集中分布在分水墩、臺階、消力池、臺階與消力池連接部位、臺階或底板與邊墻連接部位，詳見圖1~圖2。
輸水洞消能塘出現(xiàn)這些破壞是由于過流所產(chǎn)生的沖蝕和空蝕效應。過流所裹挾的砂石、鋼板殘片、混凝土殘渣等物體反復回旋、沖擊消能塘內(nèi)各種結(jié)構(gòu)體，導致這些構(gòu)件產(chǎn)生反復多次物理性破壞。其中底板與邊墻、臺階與邊墻連接部位出現(xiàn)較多的混凝土凹坑，臺階與消力池連接部位損壞最嚴重，分水墩下游底板損壞也非常嚴重，左墩和右墩下游均出現(xiàn)較大的沖坑，沖坑深度分別為0. 6m和0.3m，尺寸分別為2.Sm×2.Sm和4. 8m×4.8m。分水墩右墩左側(cè)鋼板缺失，其下方混凝土缺損體積達到0. 83m3，墩部混凝土與底板交界處伴有小沖坑和滲流缺陷；分水墩左墩右側(cè)鋼板缺失，鋼板下方混凝土伴有10處小沖坑，平均體積為0. 05H．3。
原鋼板在第一次修補錨固時采用了錨固螺栓固定的形式，長期過流產(chǎn)生的底板振動、鋼板振動導致螺栓套筒、緊固桿松動，加之長期處于水下環(huán)境，水的電化學侵蝕作用致使螺帽在防銹層被水磨損剝落后逐漸銹蝕、失去緊固作用，螺桿松動，這些松動累積最終導致錨固螺栓失效，進而鋼板翹起，局部折斷或整張在焊接處斷裂被水沖掉。
混凝土內(nèi)部缺陷和裂縫導致在多處破損部位有細小水流滲出，水流長期侵蝕，導致了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋嚴重銹蝕，銹脹作用又加重了混凝土順筋破壞。這些破壞主要集中在臺階與消力池連接部位、結(jié)構(gòu)縫附近、底板與邊墻連接部位、臺階與邊墻連接部位。
3 防沖抗磨修補處理的對策及原理
3.1 磨損與空蝕缺陷處理的材料及施工工藝
經(jīng)研究，采用聚合物混凝土和特種砂漿填補B類、C類混凝土磨損與空蝕的部位，修補養(yǎng)護后在混凝土及砂漿表面刮涂抗沖磨材料進行表面防護。主要工藝如下：表面清理打磨、鑿毛、去除老化混凝土一高壓清洗一原有鋼筋除銹、阻銹一聚合物混凝土或砂漿填補凹坑部位一找平一涂刷底涂劑一修補孔洞一刮涂抗沖磨材料（增設胎基布加強）一養(yǎng)護。
3. 2 鋼板修復與鋼筋除銹
鋼板的修復原則為：首先去除缺損的鋼板，更換同厚度、同型號的新板材，改用直徑大于原錨固螺栓的錨固鋼筋進行錨固，錨固后鋼筋與鋼板焊接為一體，經(jīng)應力計算，采用長度大于計算值的錨固深度，新更換鋼板表面采用新型防腐蝕、耐沖刷材料涂裝，延長使用壽命。對外漏鋼筋進行物理除銹后再使用化學方法除銹，表面涂裝防腐材料后進行其他處理。
3.3結(jié)構(gòu)縫修復
臺階混凝土結(jié)構(gòu)縫缺損的修補原則為：去除失效的嵌縫材料，更換成新型的閉孔泡沫板，重新填補縫兩側(cè)混凝土，同時在修復好的混凝土表面涂刮抗沖磨材料進行防護。
4 主要材料及施工技術(shù)
4.1 手刮聚脲及潮濕型界面劑
手刮聚脲具有優(yōu)異的防滲、抗沖磨及防腐等多種功能，可以適應混凝土開裂與耐老化等。主要物理力學性能如表1所列。
潮濕型界面劑是專與手刮聚脲配套使用的，為雙組分樹脂材料。其成膜物質(zhì)與混凝土表面有很高的黏結(jié)強度（經(jīng)測試，常規(guī)施工條件下2. SMPa以上，室溫條件下達到SMPa以上），能增強與混凝土結(jié)合面的黏結(jié)，增強手刮聚脲材料與基層的附著力。
4.2 特種抗沖耐磨聚合物鋼纖維砂漿及配套界面劑
特種抗沖耐磨聚合物鋼纖維砂漿不僅具有聚合物水泥砂漿優(yōu)異的黏結(jié)、抗裂、抗凍、防滲、防腐、抗氯離子滲透、耐磨、耐老化等性能，而且具有超高的強度、抗沖耐磨、抗裂及抗氣蝕性能。其性能指標見表2，
Hl．C-N界面劑為有機聚合物溶液，與混凝土表面有很高的黏結(jié)強度（3MPa以上），能增強新1日混凝土結(jié)合面的黏結(jié)，提高基層強度，增強新材料與基層的附著力。
4.3 主要材料的作用機理及選用理由
特種砂漿中聚合物膠粉提供較好的前期強度及與老舊混凝土之間的黏結(jié)強度；超細微粉組分可以增強材料的整體強度及抗沖磨性能；超細鋼纖維使材料的整體性較好、提高抗沖磨性能，增加材料的韌性和抗剪性能；高效減水劑及特種骨料的應用使材料需水量減少，增加材料的密實度，根據(jù)現(xiàn)場采樣試驗可知，該砂漿具有優(yōu)異的黏結(jié)、抗裂、抗凍、防滲、抗沖耐磨、耐老化等性能。
輸水洞出水口高速水流以及裹挾的泥沙對消能塘分水墩和臺階的沖擊很大，運行以來消能塘混凝土多處部位出現(xiàn)嚴重破損，在20世紀八九十年代，南京水科院分別對破損部位進行了修補加固，在分水墩及臺階部位使用了硅粉混凝土及硅粉砂漿，從現(xiàn)場普查的情況可知，經(jīng)過硅粉混凝土及硅粉砂漿修補過的部位具有較好的耐沖蝕性能，經(jīng)多年運行，砂漿表面出現(xiàn)少量磨蝕痕跡，砂漿與老混凝土的黏結(jié)也非常牢固，分水墩表面的鋼板經(jīng)過多年運行，缺損和松動嚴重，而在當年鋼板缺失部位使用硅粉砂漿修補后的表面破壞并不明顯，由此可見，硅粉砂漿的修補效果非常好。特種砂漿是在原有硅粉砂漿的基礎上，最新研制的新一代特種砂漿，配方中增加了聚合物膠粉、超細鋼纖維、特種
骨料，新一代特種砂漿具有更多優(yōu)異性能，且與原有硅粉砂漿為同一體系，使用該砂漿將有利于實現(xiàn)抗沖磨、耐沖擊、抗裂、優(yōu)良的黏結(jié)性等諸多修補要求，另外，經(jīng)同條件養(yǎng)護（修補施工環(huán)境水溫度為3℃）的試塊測試結(jié)果可知，在較低的溫度環(huán)境中，該砂漿仍然可以達到較高的工作性能。
手刷聚脲具有優(yōu)異的防滲、抗沖磨及防腐等多種功能，可以適應混凝土開裂，耐老化性好。由于它優(yōu)異的力學性能、耐老化及施工方便、不需要專門的設備等特點，在該工程的防滲、抗沖磨等方面可以作為主要耐磨材料使用。
4.4 典型修補處理方案及施工工藝
4.4.1混凝土沖坑處理
出現(xiàn)較大混凝土沖坑的部位主要分布在分水墩下游底板處，對該部位混凝土沖坑及砂漿缺損部位的修補處理施工工藝具體如下：
基面處理一清洗一原有鋼筋進行除銹、阻銹處理一植筋一澆筑新混凝土一砂漿缺損的修補一防沖保護一養(yǎng)護。
4.4.2分水墩、臺階的補強加固處理與防沖、抗磨損處理
對于臺階、分水墩混凝土脫空部位（剝蝕或凹坑深度大于3 c:m的部分）采用聚合物混凝土進行回填、養(yǎng)護，布置水平筋進行加固處理。，對于分水墩混凝土與底板混凝土之間采用垂直底板的植筋補強加固，灌注聚合物混凝土，修補后混凝土表面以及砂漿脫落部位抹布特種砂漿，直角部位變?yōu)閳A角過渡。插筋采用直徑20mm的螺紋鋼筋，特種砂漿錨固，錨固深度大于43.5cm，錨筋間距20cm，錨筋之問焊接直徑8mm的聯(lián)系筋，形成鋼筋網(wǎng)，混凝土保護層厚度不小于5cm。
對分水墩混凝土缺損及鋼板缺損的主要處理工藝流程如下：
基面處理一清洗一防腐處理一植筋一澆筑新混凝土一砂漿缺損的修補一灌漿一防沖磨保護一養(yǎng)護。
5 測試與效果評價
5. 1 現(xiàn)場采樣測試結(jié)果
為了跟蹤觀測修補施工質(zhì)量，不同養(yǎng)護條件下測試了三組試件，由表3中數(shù)據(jù)可見砂漿的性能指標均在較高數(shù)值。
5.2運行效果
對修補后的混凝土質(zhì)量檢查采取了現(xiàn)場目視、錘擊等外觀檢查，結(jié)果證明修補材料與混凝土結(jié)合密實，無表面裂縫。輸水洞消能塘修補工程開始于201 1年4月，結(jié)束于2011年5月。共使用丙乳180kg，界面劑50kg，特種砂漿1.2t。修補后消能塘恢復運行，運行以來沒有發(fā)現(xiàn)以往出現(xiàn)的共振、嗚叫等現(xiàn)象，通過近幾年的運行觀測，修補工程達到了預期效果。
結(jié)合室內(nèi)試驗和實際工程綜合分析，丙乳混凝土在混凝土沖坑修補中應用效果良好。特種抗沖耐磨聚合物鋼纖維砂漿在抗沖磨、黏結(jié)強度、抗凍和抗?jié)B方面都體現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性；在溫度較低的條件下施工，養(yǎng)護后的砂漿同樣能夠達到預定性能。
應用實例表明，特種抗沖耐磨聚合物鋼纖維砂漿在水利混凝土及砂漿缺陷修補工程中具有一定的應用前景。
6摘要
大伙房水庫輸水洞消能工程因為過流速度較快及水流長期侵蝕等影響，導致消能塘出現(xiàn)了混凝土缺失、分水墩鋼板沖毀、鋼板空鼓、混凝土鋼筋外漏和嚴重銹蝕等問題．．針對分水墩鋼板、混凝土以及消能臺階破損情況，采用丙乳、高強抗沖磨材料、特種抗沖耐磨聚合物鋼纖維砂漿等材料對缺陷進行了全面處理。消能塘出水口分水墩及臺階混凝土表面沖蝕、剝蝕、破損嚴重，使用這些材料進行綜合性修補處理后，該消能工程恢復使用，運行效果良好。
