高滩水电站溢流堰及消能工冲蚀成因与治理

李蓓 周卫敏

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市410007）

1 工程概况

高滩水电站工程位于湖南省沅陵县，为沅水一级支流酉水最末一级电站，上游距凤滩水电站13.7 km，下距五强溪水电站112.4 km，是一个以发电为主的低水头径流式电站。坝址多年平均流量504 m3/s，水库正常蓄水位为▽118.0 m，电站设计装机容量57 MW，3台贯流灯泡式机组。枢纽工程由溢流闸坝、厂房、左岸重力坝、右岸重力坝及斜面升船机等主要建筑物组成。溢流闸坝位于河床中央，共14孔，堰顶高程为▽108.5 m，孔口净宽为14 m，闸墩厚2.0 m，闸门为14 m×10 m弧形钢闸门。左侧1#～5#孔为短护坦坝段，护坦面高程▽103.5 m，未端设一排梯形消力墩；中间6#、7#、8#三孔为深消力池坝段，消力池底高程▽101.6 m，池长25 m，池深2.5 m，池内设一排梯形消力墩，消力池尾部设4 m长差动式尾坎，后接10 m长护坦，护坦底板高程▽103.0 m；右侧9#～14#为高消力池坝段，消力池底高程▽103.5 m，池长18 m，池深2.5 m，池内设一排梯形消力墩，消力池尾部设4.5 m长差动式尾坎，后接10 m长护坦，护坦底板顶高程▽104.5 m。按泄流调度程序，先开启6#～8#孔Ⅰ区闸孔，再开启9#～14#为区闸孔，最后开启1#～5#Ⅲ区闸孔。

高滩水电站工程于1992年9月正式开工，1994年1#～8#溢流坝作为一期导流泄水建筑物开始泄流，1996年二期围堰形成后，厂房利用围堰挡水发电，1#～8#溢流坝承担泄流运行，二期工程9#～14#闸坝1998年1月投入运行。

2 工程运行及破坏简况

工程于1996年首台机组发电至今已运行13年，其中1#～8#溢流闸坝运行超过15年。1998年酉水流域遭遇特大洪水，当年闸坝溢流时间达3 127 h，7月22日高滩入库最大洪峰达到18 512 m3/s，超过50年一遇洪水的18 100 m3/s。当年冬，对闸坝进行了检查，发现6#～8#闸坝堰面和消力池、消力墩受到了明显的磨蚀，消力池底出现两个深达3 m多的坛状磨蚀深坑。1999年春对受蚀堰面和冲坑采用硅粉混凝土进行修补。2001年凤滩电站开始扩机400 MW，总装机达到800 MW；从2004年起，凤滩电站运行方式发生改变，调峰成为主要运行方式，调峰时发电下放流量达1 100 m3/s，高滩电站3台机组最大发电流量为780 m3/s，多余流量由闸坝泄至坝下，泄流状况发生了明显的改变。

历经多年运行，至2008年秋对溢流闸坝检查，高滩电站的溢流堰、消力池、消力墩又发生了程度不同的冲蚀损坏，局部冲蚀较严重。

（1）1#～5#坝段是泄洪调度的第Ⅲ区段，无消力池，为带消力墩的护坦坝段，历经10余年的运用，大部分混凝土表面被冲成蜂窝或麻面，冲蚀深度（10～100）mm，局部出现钢筋裸露；部分伸缩缝填充物脱空，缝边混凝土破损；消力墩正面、背面及侧面均被冲蚀成蜂窝。

（2）6#～8#深消力池坝段，为泄洪调度第Ⅰ区段，1998年洪水后检查，堰面及消力池冲蚀严重，1999年春作了修补，但由于工期短，只对消力池和8#孔右侧堰面进行了硅粉混凝土修补，其他堰面和护坦面层仍为原R200号混凝土。目前堰面及消力池磨损严重，堰面多处钢筋出露，消力池普遍磨损深度为（10～50）mm，局部有（200～300）mm的深坑；消力墩正面、背面及侧面均被冲成蜂窝。

（3）9#～14#浅消力池孔段，溢流面混凝土冲蚀受损较轻，但也已出现蜂窝麻面现象，且少量露筋；消力池前段混凝土状况良好，但消力池尾坎及其下游的护坦均被冲刷成蜂窝，尾坎局部钢筋裸露。

（4）1＃坝段左侧导墙下部、5＃坝段右侧导墙下部、6＃坝段左侧导墙下部及8＃坝段右侧导墙下部被冲刷形成蜂窝，冲刷深度（20～100）mm。

3 坡损原因分析

堰面、消力池、消力墩受损的基本原因有如下几点：

（1）坝址位于河床砂砾石洲中段，坝上下游砂砾石河床面高程约为（107～108.5）m，基本与闸坝堰顶高程108.5 m持平，施工时虽然在上、下游围堰内做了清理，但数量有限。

（2）从凤滩至高滩坝址13.7 km的河道均为峡谷型河床，而洪水流量很大，洪水时坝前平均行进流速达（3.5～4.0）m/s，部分河段的平均流速达5 m/s以上，搬运砂砾石的力量极强，河床内的砂砾石主要为漂石，直径大的可达40 cm，平均多在15 cm以上，但又不满足抗冲流速，泄洪时大量砂砾及漂石过坝，对堰面、消力池和消力墩造成很大的冲击、磨蚀。凤滩水库虽已建设30余年，但其为高坝挑流消能，坝下冲刷坑尚未稳定，泄洪时对河床基岩的破坏力很大，不断搬运岩块和大漂石，虽经沿程滚磨，但至高滩坝前仍为大漂石，过坝时的冲、磨力甚大，这一天然特点难以改变。因此，高滩电站的堰面、消力池、消力墩的冲磨状况也难以根本改变，即使采取新型高强抗冲磨材料也只能提高其抗冲蚀能力，延长使用寿命。

（3）高滩闸坝及消力池、消力墩中，1＃～8＃原设计为R200号普通混凝土，抗冲磨能力较低，难以抗击漂石的强力冲磨。

（4）消力池差动式尾坎结构不合理，低坎不应设垂直段，不利于漂石出池，坎内壁应全为斜坡形式，方能有利于池内卵漂石出池。

（5）凤滩水库的调蓄能力有限，酉水上游暴雨洪量很大，洪峰流量亦大，造成高滩电站的泄洪频繁。尤其是凤滩电站扩机后，多余的弃水需通过Ⅰ区6#～8#孔下泄，闸门开启更加频繁。

4 修复措施

鉴于本工程的河流特性无法改变，只能从结构材料上采用抗冲磨性能优越的材料以延长结构使用寿命。目前国内外采用的抗冲磨性状良好的材料主要以掺硅粉为基本材料的混凝土或砂浆为主，并适当添加钢纤维或聚丙烯纤维、UEA、铁矿石砂（铁矿石骨料）、粉煤灰等进一步提高其性能。本次修复推荐采用以抗冲磨、抗裂和新老混凝土粘结性状较好的钢纤维硅粉混凝土作为基本材料，辅以环氧树脂类涂料或其它高强水泥材料。根据各个坝段堰面、消力池、护坦、消力墩及伸缩缝等的受损程度和结构性状，分别作出相应的处治。

4.1 溢流堰、消力池及护坦修复

（1）要求对每闸孔堰顶下游以下溢流面、消力池及护坦全表面用风镐凿毛，对原常规混凝土面层（1#～7＃孔和8＃孔左侧堰面，9#～14＃孔消力池面层，所有坝段下游护坦面层）磨损深度小于100 mm要求凿毛至原设计高程以下100 mm，磨损深度为100 mm以上的要求凿毛至露出新混凝土（实际凿毛深度均要求大于30 mm）；对原硅粉混凝土面层（9#～14＃孔和8＃孔右侧堰面，6#～8＃孔消力池面层）磨损深度小于50 mm要求凿毛至原设计高程以下50 mm。

（2）用高压冲毛机把混凝土缺陷表面的污物冲洗干净。

（3）对由于水毁露出的钢筋要求进行除锈处理，并涂刷环氧树脂基液做防锈蚀保护（对凿毛露出钢筋不需进行防锈处理）。

（4）用取芯钻按梅花状钻孔，以防对混凝土破坏，钻孔孔距400 m，孔深300 mm，孔径12 mm；用Φ8的插筋，对插筋先进行除锈防腐处理，再插入孔中，插筋的长度以离回填混凝土的表面20 mm厚为宜；用环氧树脂砂浆（或其它可靠的材料）把插筋预埋好。

（5）对原常规混凝土面层铺设钢筋网，钢筋网规格为Φ4，钢筋间距为100 mm，钢筋网距离面层≥50 mm，并用扎丝把钢筋扎在预埋的锚筋上。

（6）用1 mm厚环氧树脂粘胶（或其它可靠材料）涂刷基面。

（7）对原硅粉混凝土面层浇筑50 mm厚ECH新型环氧树脂砂浆；局部深度超过50 mm的部位，先采用细砾石钢纤维硅粉混凝土浇筑、振捣、压实，浇筑厚度不小于100 mm，然后浇筑50 mm厚ECH新型环氧树脂砂浆。

（8）对常规混凝土面层一次性用细砾石钢纤维硅粉混凝土（或其它可靠的材料）把混凝土缺陷表面浇筑、振捣、压实、抹平，表面要平整光滑；堰面较陡部分宜采用立模浇筑，以使堰面符合设计堰面形状；堰面与消力池相接处要平顺衔接。根据实测资料，平均凿毛厚度约90 mm，浇筑钢纤维硅粉混凝土平均厚度约150 mm。

（9）最后用抗冲磨性能优越的环氧树脂粘胶（2 mm厚）在修补后的混凝土表面涂刷一遍。

4.2 消力墩及尾坎缺陷修复

（1）对消力墩及尾坎全表面凿毛至表面全部露出新混凝土为宜。

（2）清除所有表面残留松动块，用压力水将基面冲洗干净。

（3）对消力墩表面钻孔，孔径32 mm，孔深500 mm，侧面孔距500 mm×500 mm、下游坡面孔距650 mm×700 mm；用压力水将孔内冲洗干净；先用Φ20带丝锚杆将钢板焊接，且锚杆端头焊接长30 mm的螺纹钢十字架，确保钢板与锚杆间无缝隙；再用环氧树脂净浆（或其它可靠的材料）将锚杆锚固在消力墩上。

（4）钢板锚固施工完成后，灌水泥砂浆。

（5）对钢板进行敲击检查（或其它探伤检查），如有空隙，则钻孔灌注环氧浆液直至密实，必要时进行再次检查灌浆。

（6）消力墩现有正面钢板较为完好没有被冲毁的，对原有钢板进行打磨防锈蚀处理；如有空鼓部位，进行化学灌浆处理。

4.3 伸缩缝及结构缝破损修复

（1）对缝外两侧各200 mm范围内进行凿毛处理，凿毛深度达到200 mm且全部露出新混凝土。

（2）清除原缝内残留的嵌缝材料，并对缝内进行清洗。

（3）将表面满涂沥青（每侧厚度不小于2 mm）的2 mm厚钢板做为模板和嵌缝材料嵌入缝内。

（4）用钢纤维硅粉混凝土（或其它可靠的材料）浇筑，振捣、压实、抹平，表面要求平整光滑。

（5）最后用抗冲磨性能优越的环氧树脂胶泥（2 mm厚）将混凝土面层再涂刷一遍。

4.4 裂缝处理

1#闸孔溢流面及其它部位出现贯穿性裂缝，处理方法如下：

（1）在对溢流堰面层磨损进行凿除后，在裂缝两侧布置灌浆孔，孔径（5～8）mm，要求钻孔穿过缝面。

（2）当注浆孔达到设计孔深后，用清水清洗孔内岩粉，避免岩粉在压水实验和灌浆过程中进入裂缝，影响灌浆质量和效果。

（3）进行简易的压水实验并冲洗，压力为（0.2～0.3）MPa，压水时间应满足冲洗干净和检查判断裂缝的连通性和可灌性。

（4）预埋灌浆管并保护，待溢流面修补完成后，对该裂缝进行环氧树脂灌浆，最高灌浆压力根据缝面吸浆情况现场调试决定。

5 结语

通过对高滩水电站溢流堰及消能工破坏和加固处治措施的论述和总结，对高滩电站及类似山区河流低水头溢流坝消能问题有几点值得注意：

（1）充分考虑山区河流对推移质的搬运能力，设计时要提高溢流堰面和消能工的抗冲蚀性能。研究和采用新型的抗冲耐磨材料和施工工艺。

（2）在建类似工程应将坝前河床复盖的大量蛮石进行疏挖，施工土石围堰应拆除干净。

（3）消力池差动式尾坎结构应设计合理，以利漂石出池，必要时结合模型试验进行研究。

（4）探讨优化在各种泄洪流量下的闸孔调度方案，以尽量改善水流流态，降低漂石过坝数量，延长维修周期。合理开启闸孔，尽量减少深孔的泄流负担，深孔一般位于河床中央不便维修，应充分发挥浅孔的泄流能力。

（5）充分利用上游梯级凤滩水电站扩机后多余的320 m3/s流量，尽早考虑高滩电站扩机，减少平水时段的闸门开启频率，提高水能的利用效益。