王文全, 喻紅芬, 嚴(yán)琴琴，甄 峰,丁 平, 謝 超

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司, 江蘇 南京 210024；2.南通市水利局, 江蘇 南通 226000；3.南通市新江海河閘管理所，江蘇 南通 226009；4.揚州市水利局,江蘇 揚州 225000)

0 引 言

小水電作為一種清潔可再生、可持續(xù)發(fā)展能源，可在不影響山區(qū)自然環(huán)境的前提下，為附近百姓提供灌溉用水、生活用電，能促進山區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展[1]。但是，小水電站經(jīng)過多年運行，其引水渠道混凝土襯砌會逐漸老化、破損[2_5]。

渡槽是引水渠道的重要組成部分，其破損會降低輸水效率，極大的浪費水資源，影響小水電站的發(fā)電效益。針對混凝土常見破損類型，一些學(xué)者已對其破損形成原因進行了分析，并在此基礎(chǔ)上有針對性地修復(fù)加固[6_15]。然而，這些修復(fù)加固研究未能從結(jié)構(gòu)角度對混凝土的加固效果進行深入分析，修復(fù)后的混凝土渡槽等結(jié)構(gòu)僅在運行一小段時間后仍易發(fā)生破損。

因此，本文針對某水電站的引水渡槽破損情況，提出針對性的修補方案，并對其設(shè)計狀態(tài)、破損狀態(tài)以及修復(fù)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)性能進行對比分析，旨在驗證其修復(fù)方案的合理性。

1 工程概況

1979年建立的某引水式水電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧滿足電站周圍人民的用水需求。其水庫總庫容為128萬m3，電站攔水壩為均質(zhì)土石壩。該水電站原設(shè)計總裝機容量為260 kW，由2臺臥軸斜擊式機組組成。由于運行多年而缺乏相應(yīng)的更新改造，目前100 kW機組已停機，僅有160 kW機組正常運行發(fā)電，年發(fā)電量為50萬kW·h；其廠房墻面、地面積灰嚴(yán)重，衛(wèi)生環(huán)境較差。廠房內(nèi)部發(fā)電機組外觀老舊，油漆剝落，銹蝕嚴(yán)重，且運行噪聲較大，相關(guān)評估機構(gòu)曾建議加強日常維護和及時對機電設(shè)備進行更新改造。

水電站引水明渠由混凝土結(jié)構(gòu)和漿砌石結(jié)構(gòu)組成，引水渠道全長約5 km，其中包含6個引水隧洞和一段引水渡槽。

該引水渠道雖常有維護，但是經(jīng)過40多年的運行，襯砌老化破損嚴(yán)重，使得防滲結(jié)構(gòu)失去原有的防滲能力，特別是渡槽底部出現(xiàn)了嚴(yán)重的混凝土剝蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水電站的正常運行(見圖1)。

從圖1中可看出，引水渡槽底部混凝土嚴(yán)重老化，而且由于施工時混凝土保護層厚度未達(dá)到規(guī)范要求，渡槽底部的混凝土難以對其內(nèi)部鋼筋進行有效防護。在潮濕環(huán)境下，鋼筋發(fā)生銹蝕并膨脹，使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損，降低了混凝土對鋼筋錨固力和抵抗彎矩的能力，存在極大的安全隱患。

圖1 渡槽底部混凝土層剝蝕脫落現(xiàn)象

2 修復(fù)方案

該水電站不僅水工建筑物出現(xiàn)較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)老化損壞，機電設(shè)備和主要輔助設(shè)備等也急需進行更新改造?，F(xiàn)階段該水電站的效益并不高，不能同時對所有水工建筑物和電氣設(shè)備進行徹底維修與更新。就引水建筑物而言，電站引水渠道還普遍存在滲漏問題，局部渠道上的邊坡還存在滑塌隱患，急需治理。從該水電站實際情況出發(fā)，暫還不具備對其渡槽進行推倒重建的條件。因此，針對渡槽底部混凝土大面積剝蝕現(xiàn)象，本文提出了一種快速實用的修補措施。

(1)破損混凝土的清除

混凝土渡槽結(jié)構(gòu)修補，應(yīng)先鑿除老化劣化的混凝土表層，至新鮮堅硬混凝土層；再對結(jié)合面鑿毛和清洗，使得修補層和原混凝土基層之間形成粘結(jié)面。需要注意的是：混凝土鑿除深度不應(yīng)小于15 mm，本次渡槽內(nèi)外側(cè)鑿除深度控制為25 mm，鑿除深度應(yīng)保持一致，避免形成薄弱界面。施工時宜用人工鑿除，以加強鑿除尺寸的控制和減小混凝土鑿除對渡槽結(jié)構(gòu)強度的損傷。

(2)新舊結(jié)合面的處理

在混凝土鑿除結(jié)束后，首先應(yīng)對外露鋼筋進行除銹，并涂刷阻銹劑和布置鋼筋網(wǎng)，清除老混凝土基面浮塵和松動骨料。待高壓水清洗干燥后，再涂刷混凝土界面劑，隨澆隨涂，以提高新舊混凝土的結(jié)合效果。對于渡槽底板外側(cè)則應(yīng)布置鋼絲繩網(wǎng)片，以增強修補結(jié)構(gòu)與原混凝土基層的粘結(jié)強度。

(3)修補材料回填

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別，渡槽內(nèi)側(cè)的鋼筋保護層厚度為30 mm，新舊結(jié)合面的保護層厚度為20 mm；由此可知，該渡槽結(jié)構(gòu)的修補層厚度為50 mm。對于渡槽外側(cè)則采用聚合物砂漿補強加固被鑿除的部分，厚度按混凝土剝落厚度而定。澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)緩慢地傾倒到預(yù)定位置。由于澆搗的厚度較薄，應(yīng)隨著混凝土澆搗，進行振搗，避免混凝土產(chǎn)生離析現(xiàn)象(見圖2)。

圖2 混凝土置換法施工工藝

3 渡槽結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

3.1 計算模型

以現(xiàn)場實測尺寸為基礎(chǔ)，建立修補后渡槽整體有限元模型，研究引水渡槽的實際修補效果。圖3為引水渡槽計算模型(見圖3)，混凝土采用SOLID65實體單元，B層和C層的鋼筋采用SOLID45實體單元，進行靜力分析，結(jié)構(gòu)體均采用彈性模型；其中鋼筋為HPB235，配筋率為0.2%，沿著底板的長度方向和寬度方向均勻放置。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的密度為2 550 kg/m3，砌石墻基礎(chǔ)的密度為2 410 kg/m3，其修補層的具體材料參數(shù)如下所示(見表1)。

表1 某水電站渡槽的材料參數(shù)

圖3 計算模型

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)上述的修補處理后，基本可以解決渡槽表層材料的老化病害，恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)的安全性、適用性，減緩由于環(huán)境影響因素引起的結(jié)構(gòu)性能衰減。為了更好地反映混凝土置換的修補效果，將修補后的結(jié)構(gòu)簡化成如圖4所示(見圖4)。A層為渡槽外側(cè)的聚合物砂漿層，假設(shè)平均修補厚度為10 mm，主要保護渡槽外側(cè)結(jié)構(gòu)，遏制碳化腐蝕破壞的進一步深入。B層為原鋼筋混凝土基層，厚度為150 mm，澆筑混凝土層前對局部的開裂破壞進行了處理，以恢復(fù)基層結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和增強修補結(jié)構(gòu)的耐久性。C層為渡槽內(nèi)側(cè)回填混凝土層，厚度為50 mm，具有較好的防滲性能，起著保護混凝土基層的作用。同時，結(jié)構(gòu)本身還能與原結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，對結(jié)構(gòu)整體起著補強加固的作用。

圖4 渡槽修補后的結(jié)構(gòu)分層(單位：mm)

表2和表3分別給出了渡槽底板與側(cè)墻有限元計算結(jié)果(見表2、表3)。由表2和表3可看出：對比修補狀態(tài)下渡槽底板和側(cè)墻的應(yīng)力應(yīng)變值均比破損狀態(tài)小，其中豎直方向的底板應(yīng)變值較破損時的減小了60.1%，側(cè)墻應(yīng)變值減小了82.51%。由此可知，引水渡槽置換修補方案增加了整體結(jié)構(gòu)有效承載面積，有效地解決引水渡槽材料老化導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強度降低的問題，提升了引水渡槽安全性能，保證了電站安全穩(wěn)定的運行以及渡槽周邊地區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全。

表2 渡槽底板計算結(jié)果

表3 渡槽側(cè)墻計算結(jié)果

4 結(jié) 語

針對某水電站引水渡槽的破損情況，提出具體的修補方案，并利用有限元軟件Ansys論證了渡槽結(jié)構(gòu)修復(fù)的可行性；可有效地增加整體結(jié)構(gòu)的承載面積，解決引水渡槽因材料老化導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強度降低的問題，提升引水渡槽安全性能，保障電站安全穩(wěn)定運行以及渡槽周邊地區(qū)百姓生命財產(chǎn)安全。