万家寨水利枢纽5号机组尾水中墩冻融破坏修复处理

侯争光

（黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西省偏关县 036412）

1 工程概况

黄河万家寨水利枢纽位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段内，是中游规划开发的8个梯级中的第一个工程，也是山西省引黄入晋工程的龙头工程。其左岸为山西省偏关县，右岸为内蒙古自治区准格尔旗。

枢纽的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪、防凌作用。枢纽年供水量可达l4亿m3，其中向内蒙古准格尔旗供水2.0亿m3，向山西省供水12.0亿m3。枢纽电站装有6台单机容量l80MW的混流式水轮发电机组，总装机容量为l080MW，多年平均年发电量为27.5亿kWh，年利用小时数2546h。

枢纽工程由拦河坝、泄水建筑物、坝后式电站厂房、GIS开关站、引黄取水口等组成。拦河坝为半整体式混凝土直线重力坝，坝顶高程982.00m，坝顶长度443m，最大坝高105m。水库最高蓄水位980.00m，正常蓄水位977.00m。水库采用“蓄清排浑”运用方式，排沙期运用水位952.00～957.00m。

万家寨枢纽尾水平台宽18.45m，平台高程同发电机层高程909.00m。尾水平台设有一台2×800kN尾水门机。尾水墩墙在平面上呈“山”字形布置，胸墙厚2.0～2.2m。尾水中墩分布在坝下0+112.20～坝下0+122.95，881.03～909.00m高程的位置。闸墩上设有机组尾水检修门门槽，每台机组尾水管由中墩分隔成2个出口，每个出口设置尾水闸门门槽一道。

2 存在问题

万家寨水利枢纽运行十多年来，由于受发电机组开停机影响，尾水位变化频繁，电站所处地区每年有长达4～5个月左右温度处于0℃以下，记录最低气温为-31℃，导致尾水闸墩在水位变化区域冻融破坏比较严重。检查5号机组尾水中墩冻融破坏高程范围为896.80～901.00m，缺陷长度3m，高度2m，最大深度可达15cm，混凝土剥离脱落严重，局部钢筋外露。

3 破坏原因及现状分析

3.1 混凝土冻融破坏原因

混凝土冻融破坏是高寒地区混凝土工程较常见的病害之一，是混凝土受到的物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）产生的损伤。引起混凝土冻融剥蚀的主要原因是混凝土空隙中的水，在干湿交替、冻融循环作用下，形成冰涨压力和渗透压力联合作用的疲劳应力，使混凝土产生由表及里的剥蚀破坏，从而降低混凝土强度。

当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，较后甚至完全丧失。从实际中不难看出，处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题，所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一，另一必要条件是外界气温正负变化，使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环，这两个必要条件，决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏[1]。

3.2 现状分析

4 修复处理

4.1 修复方式确定

由于机组每日不定期配合电网调峰开机引水发电，机组尾水水位随机组过流变化较大，根据2013～2015年尾水水位水情数据统计，尾水水位变化区域处于897.09～902.58m，且机组全停，水位处于897.09m的时间很少，故决定采用水下和水上两部分分开施工，高程896.80～900.00m范围属于水下施工，高程900.00～901.00m范围属于水上施工[4]。

4.2 水下修复材料确定

鉴于尾水中边墩高程891.29m以上部分原混凝土设计标号为R28200D250S8，要求本次修复混凝土标号高于原设计标号，考虑到尾水水位变化频繁，普通混凝土不易施工等因素，水下施工部位决定浇筑UWB-Ⅱ水下不分散混凝土，并考虑到混凝土冻融频繁，本次修复决定提高混凝土强度、抗冻等性能等级，确定混凝土标号为C35F300W8[3]（见表1）。

表1 UWB-Ⅱ型水下不分散混凝土性能指标Table1 UWB-II underwater non-dispersible concrete performance index

4.3 修复施工关键技术及难点

4.3.1 老混凝土处理

冻融破坏部位周边的混凝土很可能也受冻融影响而强度降低，为了处理彻底，增强处理效果，需用液压链锯垂直于闸墩面进行切割。整个破坏区域采用液压镐凿除，要求露出新鲜、密实的混凝土面。

4.3.2 闸墩表面弧形模板制作

支立模板恢复到原混凝土设计面，本工程闸墩表面存在弧形面，制作要求精度高，支立模板需分层支立固定。

闸墩混凝土浇筑后可对模板保留一段时间后进行拆除，钢模板不但能最大程度地加强水下不分散混凝土的结构强度，也能提高混凝土的抗冻融性能。同时钢模板的保留，避免了混凝土在机组开启时的急流状态下被冲刷，也免去了水下不分散混凝土的养护时间和水下拆模时间，从而进一步提高了施工效率（见表2）。

我把自己调整到最佳状态，忘情地读着，希望用自己的声音和情感去感染同学们，让大家走进文章所描绘的意境，嗅闻那青草的芳香，呼吸那甘甜的空气，谛听那嗒嗒的马蹄声……

4.3.3 做好配合比试验，保证混凝土抗冻性能达标

UWB-Ⅱ水下不分散混凝土应根据标号、性能要求、现场温度、初凝时间要求等，做配合比试验，确定配合比，配置时必须严格按此配合比配置，确保混凝土抗冻等级达到F300。

4.4 修复工艺

4.4.1 切边凿除砼

冻融破坏部位周边的混凝土很可能也受冻融影响而强度降低，为了处理彻底，增强处理效果，在破坏边缘线外扩10cm位置划出切割边线，用液压链锯垂直于闸墩面切割边线，切割深度10cm，切割边线必须封闭，齐整。切割边缘上下高程为897.10m和900.50m，左右至两期混凝土交接处。

4.4.2 凿毛

整个破坏区域，采用液压镐凿毛，凿除表层10～20cm松动的混凝土，要求露出新鲜、密实的混凝土面，如凿除后混凝土质量依然较差，则继续凿除，须凿至坚实的混凝土为止。

表2 UWB-II水下不分散混凝土配比单Table 2 UWB-II underwater non-dispersive concrete proportioning list设计等级：C35F300

4.4.3 钻孔、植锚筋

凿除后用高压水冲洗清理凿除面，垂直于混凝土面钻设横纵间距50cm，深度30cm，直径22mm锚筋孔，并用高压水清除孔内屑渣。再向锚孔内注入环氧锚固剂，植入长度为45cm的φ16锚筋，锚固剂须饱满，保证锚筋插入后，锚固剂能够填满锚筋和锚孔之间的环形空间，确保锚固强度。

4.4.4 布设钢筋网、仓面清洗

在施工平台上支立φ12@150双向钢筋网，钢筋网外部预留5cm厚混凝土保护层，钢筋网与锚筋之间用焊接的方式连接，钢筋网固定好之后，浇筑混凝土之前，用高压水对仓面进行彻底冲洗。

4.4.5 支立模板

模板采用3mm厚钢板，尺寸为4m×1.8m，3块模板支立而成，分层支立固定，支立过程使用5t手拉葫芦将模板临时固定和定型，之后采用M16膨胀螺栓（四周部位）固定，植入膨胀螺栓区域的混凝土坚实，能保证模板的固定。

4.4.6 混凝土浇筑

水下修复部位浇筑UWB-Ⅱ水下不分散混凝土，混凝土标号C35F300W8。现场浇筑时为保证混凝土浇筑质量和人员工作不受开机水流影响，浇筑时选择在机组全停的时候进行，最低水位高程897.30m，此时水下部分约20cm。直接使用料斗将混凝土灌注进模板内的方式浇筑，浇筑过程对模板进行适当的敲击，保证混凝土中的大气泡逸出，混凝土密实。

4.4.7 拆模及验收

待混凝土强度达到2.5MPa以上，混凝土浇筑完毕60h后，对模板进行水下拆除，拆模后进行水下录像，检查混凝土浇筑效果。模板拆除后将膨胀螺栓和锚筋切除，切除的螺栓和锚筋部位应与新浇混凝土面齐平，之后以其为中心向四周扩出10cm范围内涂刷HSL-301无溶剂水下环氧防腐涂料，并以切割边线为中心，在其两侧各20cm范围内也涂刷环氧涂料[5]（见表3）。

表3 HSL-301无溶剂水下环氧防腐涂料特性表Table 3 HSL-301 solvent-free underwater epoxy anticorrosive coating characteristics table

5 结束语

万家寨水利枢纽5号机组尾水中墩混凝土缺冻融破坏陷处理为后续其他尾水支墩的缺陷处理提供了可靠的修复标本，为大坝后期维护提供了宝贵经验，水下高标号不分散混凝土的浇筑修复施工，极大地提高了修复效率，保证了闸墩的可靠度和耐久性，为大坝长期、稳定、安全的运行等发挥了重要的作用。5号机组尾水中墩于2016年11月修复完成，运行至今，经历两个冬季，检查闸墩修复部位混凝土无裂缝、脱落等现象，效果良好。2017年相继修复了5号机组尾水边墩，4号、6号机组尾水全部闸墩，计划2019年对1～3号机组尾水闸墩进行修复处理。