5m. 采用封闭式止排水结构型式, 块与块之间设止水, 内部设有排水沟和排水廊道, 右岸布置集水井, 左岸边坡设有破漩丁坝结构 2 水垫塘底板冲蚀磨损情况漫湾水电站水垫塘承担大坝表孔溢洪道左双底孔左冲沙底孔右冲沙底孔的泄洪及排沙的消能和全部机组尾水过流任务, 工作条件异常艰巨从 199

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陌予姚
5 years ago
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1 漫湾水电站水垫塘水下补强加固简树明郭俊岳宏斌 ( 华能澜沧江水电有限公司漫湾水电厂, 云南云县 ) 摘要 : 漫湾水电站水垫塘是电站唯一的消能建筑物, 承担了大部分泄洪设施和 2~6# 机组过水任务, 关系到厂房大坝和左岸边坡的安全本文主要介绍了 2002 年至今水垫塘水下补强加固工程的设计材料实验施工过程, 以及质量控制等方法关键词 : 水垫塘冲蚀磨损 ; 材料实验 ; 补强加固 ; 漫湾水电站 1 工程概况漫湾水电站为澜沧江中游河段第一个开发的大型水电站, 位于云南省云县和景东县交界的澜沧江中游河段上, 总装机容量 1670MW 电站坝址河道曲折如反 S 形, 河谷狭窄, 底部宽度约 60m, 右岸河边有宽约 60m, 长约 400m 的基岩滩地在高程 1000m 处河谷宽约 420m 左岸山体单薄, 三面临江, 岸坡陡峭, 为 40 左右的均匀山坡, 其表面风化, 顺坡向节理裂隙断层及挤压面等构造发育, 稳定性差右岸山体雄厚, 地形坡度 20 ~35 电站工程地区主要岩层为三迭系中统忙怀组流纹岩, 岩性相对均一, 坚硬成块状, 无各相异性, 无原生软弱夹层后期的各类次生蚀变, 虽对岩石强度有所削弱, 但仍为水工建筑物的较好地基枢纽布置采用混凝土重力坝一期坝后式厂房二期地下厂房厂前大差动挑流消能的重叠式布置方案, 拦河坝为混凝土实体重力坝坝轴线为直线, 走向 NE , 坝顶长 418m, 共分 19 个坝段长各为 1 号坝段 23m 8 号坝段 15m,15 号坝段 24m, 非溢流坝段为 20m, 溢流坝段为 26m 其中 9~14 号为河床溢流坝段, 其余为非溢流坝段最大坝高 132m, 坝顶高程 1002m 在 9~13 坝段布置有 5 个溢流表孔, 溢流堰堰顶高程 974m, 宽 13m, 自右至左溢流表孔分长短孔间隔布置, 其中号为长孔,2 4 号为短孔长孔挑角 35, 短孔挑角 23 在校核洪水位时,5 表孔共可泄洪 7480 m3/s 消能方式为厂前大差动挑流消能为充分消能, 保护厂坝基础与边坡安全, 设计上采用了水垫塘布置方案水垫塘紧接机组尾水出口布置, 长宽约 140m, 底板高程 880.0m, 为有效改善流态和防止回淤, 末端设有左右高中间低的尾坎水垫塘底板混凝土厚度为 2~3m, 即水舌主要冲击区为 3m, 尾水出口段的静水区为 2m 底板分块尺寸为 13m 13m, 边坡防护厚度右岸为 2m, 左岸为 3~

2 5m. 采用封闭式止排水结构型式, 块与块之间设止水, 内部设有排水沟和排水廊道, 右岸布置集水井, 左岸边坡设有破漩丁坝结构 2 水垫塘底板冲蚀磨损情况漫湾水电站水垫塘承担大坝表孔溢洪道左双底孔左冲沙底孔右冲沙底孔的泄洪及排沙的消能和全部机组尾水过流任务, 工作条件异常艰巨从 1993 年汛前第一台机组发电投入运行以来, 至今已经过 18 个汛期的严峻考验, 安全泄放了 2000 多亿 m3 水量, 保证了厂坝和左岸边坡的运行安全漫湾发电厂十分重视安全生产,1996 年曾委托昆明水电设计院测量了水垫塘水下地形, 发现塘内积渣严重, 局部区域发生冲刷 2002 年 1 月, 在例行的安全检查中, 委托专业潜水公司进行了潜水探查和水下录像, 发现部分底板有冲蚀和磨损现象, 特别是左双底孔水舌冲击区的护 7-7 护 7-8~ 护和护 5-6~ 护 5-8 等块, 底板面层混凝土均有不同程度的破坏局部钢筋网已经外露上层止水片被撕裂, 冲磨深度一般在 20 cm~30cm 最大达 70cm( 底板厚度 3m); 桩号 m~ m 范围的底板与二道坝上游斜坡转折部位呈条状冲蚀现象, 二道坝上游斜坡冲蚀高度约 70cm, 底板冲蚀宽度约 40cm, 深度约 35cm, 钢筋裸露左侧靠近坡脚的水垫塘底板高程 m 与高程 m 之间的斜坡全被冲蚀, 钢筋裸露甚至架空底板的锚筋桩, 尚无异常发现经对底板下的排水廊道检查, 在目前塘内水深约 15m 的情况下, 除一处集中渗漏稍大外, 其余部位渗水量均不大, 排水系统处于良好工作状态, 廊道结构尚完好 3 水垫塘底板冲蚀磨损原因分析漫湾电厂对水垫塘底板的冲蚀磨损的检查结果表明, 冲蚀磨损范围分布在水垫塘的左半部, 在桩号坝纵 m~ m 与坝横 m~ m 范围内, 分布有两个冲蚀磨损区即 :450 m2 的扇形冲蚀区为 1 区, 冲蚀深度 10cm~20cm, 钢筋半裸露 ; 1809 m2 的半圆形冲蚀区为 2 区, 多处紫铜片裸露或被冲断, 局部有 113 m2 范围冲蚀稍深, 钢筋裸露或架空, 钢筋保护层以下冲蚀深度达 10 cm~20cm 此外, 水垫塘左侧 m 高程的平台与底板 (880.00m 高程 ) 连接的斜坡被冲蚀 ; 二道坝与底板 (880.00m 的高程 ) 连接处, 底板冲蚀宽度约 40m, 二道坝上游面冲蚀高度约 70cm, 冲蚀深度约 35cm, 钢筋裸露或架空根据漫湾电厂 1994~2010 年期间的统计资料, 各泄水建筑物的泄水累计时间为 : 左

3 双底孔的长孔小时短孔 9089 小时左冲 1971 小时右冲 991 小时 2# 表孔 2517 小时 3# 表孔小时 4# 表孔 2159 小时可见, 左双底孔的泄水时间相对较长, 相比 4# 表孔的泄水时间不算长根据 1990 年 4 月昆明电力勘测设计研究完成的漫湾水电站枢纽整体水工模型试验研究报告 ( 厂前大差动挑流方案优化第三阶段 ) 的试验成果分析, 左双底孔的长孔水舌落点主要集中在坝横 m~ m 范围的高程平台及坡脚处 ; 从该报告的水垫塘底板的压力等值线图分析,4# 表孔的水舌落点范围与目前电厂测得的 2 冲蚀区比较接近, 且该范围的压力值较水垫塘底板的其它区域要大从水工模型试验成果判断, 如果水垫塘底板混凝土施工质量比较均匀, 则 2 冲蚀区应该主要由 4# 表孔泄水引起, 其次还受相邻的左岸双底孔及 3# 表孔的影响水垫塘左侧 m 平台与水垫塘底板连接的斜坡冲蚀和二道坝上游面与底板连接处的冲蚀机理较为复杂, 前者在水工模型试验成果中其压力值与周围无明显区别, 后者在水工模型试验成果中其压力等值线密集且相对较高经分析认为水垫塘冲蚀磨损的主要原因如下 : (1) 受水垫塘堆渣的磨损, 在环状水流的推动下, 堆渣受上述界面的约束, 其对界面有磨损作用 (2) 由于界面转折面引起水流流线的改变, 使水压力的冲击作用增大而引起冲蚀 (3) 直接承受泄水水舌的冲击引起的冲蚀同样承受下泄水舌的冲击, 水垫塘左侧斜坡两侧的 m 高程平台及底板的冲蚀不明显, 斜坡比两侧平台增加多大的压力, 待今后进一步观察分析 4 水垫塘冲蚀磨损处理的必要性漫湾坝址位于长约 400m 的狭窄直线河段上, 厂房后 140m 接约 50 的河道弯段, 表孔溢洪道采用厂前挑流消能, 冲坑位置距厂房较近, 左岸自然山坡较陡, 顺坡层节理挤压面小断层和卸荷裂隙极为发育, 因此, 左岸边坡的整体稳定性较差 ; 河床岩体破碎, 并有 F330 和 F331 等 7 条断层分布, 顺河向的 F330 F331 和 F305 断层破碎带宽 2m 左右, 其两侧有 IIb 类岩石约 7m 宽, 因此, 河床抗冲能力低 ; 漫湾电站具有泄洪频繁且流量大历时长及泄洪能量大等特点, 大量的洪水要通过坝顶表孔和左泄双底孔宣泄, 最大下泄功率约 15630MW

4 漫湾水电站的水垫塘就是针对本工程泄洪功率大和地质条件差的特点而设置的它的主要作用就是在泄洪建筑物的下泄水流的冲刷坑范围形成水垫, 以减小下泄水流对底板的冲蚀 ; 在水垫塘底部和岸坡设置混凝土衬砌主要是防止在底部形成较大的冲刷坑而危及大坝厂房和岸坡的安全影响水垫塘安全的因素较多, 如底板混凝土的厚度强度及所采取的加固措施 ; 底部和两岸岩体的强度完整性, 断层及软弱带的分布情况 ; 下泄水流在水垫塘内产生的流态静水压力及动水压力 ; 水垫塘的混凝土施工质量和泄洪建筑物的运行方式等要想分析水垫塘局部破坏后对大坝和左岸边坡安全的影响程度是比较困难的, 即使进行模型试验也难以合理模拟上述因素, 况且在短时间内是不可能做到的因此, 对待水垫塘只能是定期检查, 一旦发现问题就及时处理, 对防止冲蚀磨损的范围进一步扩大和加深是非常必要的 5 处理方案研究鉴于水垫塘安全对保证厂坝和左岸边坡稳定有重要影响, 针对水垫塘底板存在的问题, 及时进行工程处理是必要的考虑到漫湾电厂为云南电力系统的主力电厂, 工程处理只能在电厂不停电的情况下进行即方案拟定宜以电厂不停产水垫塘有水工期短为原则方案一 : 钢围囹木挡板围堰浇筑混凝土 ; 方案二 : 水下浇筑混凝土方案一 : 采用若干节挡土结构组成围堰, 每节围囹体段主要由横梁立柱栏杆及木板构成横梁立柱采用槽钢拉杆采用厚壁钢管, 迎水面和背水面固定木板, 围堰构架沉放就位后, 中间回填粘土或风化砂等防渗土料形成围堰由于设置了围堰, 混凝土浇筑质量容易保证, 但围堰结构制作稍复杂, 存在围堰结构制作就位填筑防渗土料和拆除等问题, 工期稍长, 经研究不拟采用方案二 : 水下浇筑混凝土不需要围堰施工, 工期稍短, 但混凝土拌和物倒入水中, 当其穿过水层时, 骨料便和水泥分离, 并沉入水底 ; 水泥则部分被水带走, 部分处于悬浮状态当水泥下沉时已呈凝固状态, 失去胶结能力因此, 混凝土浇筑质量难以保证, 尤其在水流动状态更难以保证借鉴一些工程经验和科研成果, 在混凝土拌和物中加入不分散剂 ( 絮凝剂 ), 在水泥颗粒之间形成桥梁结构, 增大了吸附力, 提高了粘性, 抑制了骨料的沉降和离析, 从而使混凝土在水下硬化前获得一定程度的抗分散性, 并且自流平, 自密实, 强度高, 一般七天龄期就可使该水下混凝土的抗压强度达到 20Mpa 以上由于不存在构筑和拆除围堰

5 等问题, 工期较短故经研究, 采用水下混凝土浇筑方案 6 材料研究实验 2002 年 3 月, 经过充分调研, 邀请国内水下不分散混凝土添加剂厂家到现场进行材料实验, 重点进行 HK-NDC 水下不分散混凝土 PBM-3 环氧树脂混凝土模拟水下实验 ( 详见表 6.1 和 6.2), 并成功浇筑 HK-NDC 水下不分散混凝土 39m 3,PBM-3 环氧树脂混凝土 11m 3, 修补面积约 300m 2 经过一个汛期考验,2002 年 12 月, 漫湾电厂对修补区域进行汛后检查, 发现 HK-NDC 水下不分散混凝土大部分被冲毁, 而 PBM-3 环氧树脂混凝土则基本保持原样, 说明 HK-NDC 水下不分散混凝土与原混凝土胶结力不能满足要求 6.1 HK-NDC 水下不分散混凝土的抗压强度水泥品种 : 低碱快硬硫铝酸盐水泥絮凝剂 :HK-NDC 水下不分散剂抗压试件尺寸 : cm 换算系数 :0.95 令期荷载平均荷载 (KN) 抗压强度 ( 天 ) (KN) ( 0.95 系数 ) (MPa) 1 172,175, ,270, ,305, ,397, PBM-3 混凝土的抗压强度水泥品种 : 钱潮牌 42.5 普通硅酸盐水泥树脂品种 :PBM-3 引发剂和促进剂 :PBM-3 0.8% 抗压试件尺寸 : cm 换算系数 :0.95 令期荷载平均荷载 (KN) 抗压强度 ( 0.95 系 ( 天 ) (KN) 数 )(MPa)

6 1 364,368, ,510, ,650, 由于漫湾电站是云南电网主力发电厂, 承担电网调峰和调压任务, 加之水库调洪能力较弱, 每天具备水下施工时间约为 6 小时, 并且在水下不分散混凝土浇筑结束后 1 小时内机组即充水发电, 施工环境复杂, 施工技术要求高为了找到适合漫湾水垫塘补强加固的材料, 电厂又邀请了华东电力设计研究院中国石油化工技术研究院挪威斯瑞特建材公司专家到现场进行了多次实验, 其中,UWB 水下不分散混凝土添加剂具有较好的自流平自密实性, 可配制 C15~C60 水下混凝土, 坍扩度可达 20~25cm, 初凝时间为 5~10 小时终凝时间为 10~50 小时, 凝固时间可调, 抗渗可达 S20 以上, 抗腐蚀系数不小于 0.85, 不污染水域不锈蚀钢筋 2003 年 2 月 -4 月, 漫湾电厂通过招标, 分别由两家水下工程公司施工, 浇筑由华东电力设计研究院生产的 PBM-3 环氧树脂混凝土和中国石油化工技术研究院生产的 UWB 水下不分散混凝土, 共完成 3 个冲坑修补, 其中 UWB 混凝土 166 m3,pbm 环氧混凝土 109 m3, 共计 275 m3 在汛后复查过程中发现,UWB 水下不分散混凝土各项性能指标均满足设计, 性价比超过 PBM-3 环氧树脂混凝土 7 施工技术控制 7.1 水下测量清除冲坑内的卵石钢筋等杂物, 由潜水员水下测量冲坑范围及损坏情况, 通过水下录像水下工具测量电视监控等手段进行实测, 在测点处打上铆钉或锚杆, 用铁丝串联以形成边界, 以便水面上定位绘图确定浇筑方案确定切割边线, 制作钢筋网 7.2 冲坑钢筋清理边缘及内部簿层砼切割撬挖内部浇筑面凿毛钢丝刷清洗冲坏的钢筋如能恢复就留下, 否则割除高于浇筑面以上的钢筋后再焊接恢复钢筋网, 割除面低于原砼面 10 厘米, 以保证保护层厚度不低于 10 厘米 7.3 锚固筋布设锚固筋采用直径 25 毫米的螺纹钢, 间距 100 厘米, 排距 50 厘米, 锚固筋密度确保不少于 2 根 /m2, 交错布置, 孔深 50 厘米, 孔径 4-5 厘米内部充填适量 PBM 树脂水泥砂浆锚固剂, 锚固筋插到底后充填满钻孔, 并进行拉拔实验 ( 抽检 ), 保证握裹力大于 2MPa 7.4 水下焊接限裂钢筋网水下布设锚固筋作业完毕, 锚固砂浆达到一定强度后进行阶段性检查, 合格后开始进行水下分布筋的焊接考虑到水垫塘水温稳定, 分布筋布置可不按原分

7 块进行布置纵横钢筋规格及密度为保护层厚度为 10 30cm 限裂钢筋网与原钢筋网和锚固筋之间采用连接钢筋进行单面焊, 焊缝长度 4cm, 连接钢筋规格 Φ12 限裂钢筋网与原钢筋网之间的连接筋布置为梅花形, 间排距为 100cm, 形状为两端带钩的槽钢形或 Z 字形钢筋限裂钢筋网与锚固筋之间的连接筋为两端带钩的 L 形钢筋限裂钢筋网布置焊接后须进行验收签证 7.5 立模清洗在处理好的基坑周边架立焊接钢板模, 模板高度根据冲坑深度而定, 底板不能高于原砼面, 即原钢筋网水平面以上 30cm; 斜坡面为了方便浇筑, 可凸出原砼面 10cm, 周边立模必须密封, 杜绝漏浆, 在老砼面形成薄层砼 7.6 UWB 水下不分散混凝土浇筑前必须再次用高压水进行基面清洗, 确保基面干净, 每个浇筑仓内预留出 5-10 根高于模板顶面 ( 浇筑面 )10cm 的锚固筋 ( 锚固筋均匀分布整个仓面 ), 并在锚固筋上端焊接 10cm 长的水平钢筋, 高度与模板上表面平齐, 作为砼浇筑顶面的控制线和确定冲蚀破坏的参照物 7.7 砼试验及强度要求采用二级配 C40 UWB 水下不分散混凝土浇筑, 按现场试验的配比配制混凝土取样试件应在接近水垫塘水温环境下养护检测内容包括 : 坍落度扩展度初凝时间终凝时间抗压强度及抗折强度等 a) 新浇筑混凝土要求表面平整, 新老混凝土胶接良好, 高度不超过周围边坡和底板 10cm b) 每次浇筑混凝土需进行仓内取样, 每个冲坑取 3 组, 每组 3 个 ; 试件与浇筑的混凝土同等养护条件下 28 天龄期抗压强度为 40MPa 8 质量评价从 2002 年至 2010 年, 漫湾水垫塘水下补强加固连续进行了九期, 共计浇筑水下不分散混凝土 m3, 其中,NDC39 m3,pbm m3,uwb m3 由于受到机组停机时间和水下施工难度限制, 水下不分散混凝土配比按初凝 40 分钟终凝 60 分钟抗压强度大于 40MPa 自流平自密实设计, 在施工过程中, 漫湾电厂不断总结经验, 优化工艺流程, 施工效率逐年提高, 混凝土浇筑质量也不断提升, 但仍然存在以下不足 : 8.1 钢筋工程主要存在锚固筋锚固质量水下拉拔实验不能有效开展, 锚固质量未完全达标 ; 限裂钢筋网焊接未做到满焊 ; 8.2 模板工程模板之间模板与老混凝土浇筑面之间存在搭接不严, 有漏浆现象 ; 边模板未能做到 45 角, 增加新浇筑混凝土冲刷机率 ; 8.3 浇筑工程在沉箱法浇筑过程中, 存在沉箱料斗出口高度未完全按要求实施, 混凝土骨

8 料经水洗后, 强度降低 ; 在导管法浇筑过程中, 由于无法实现连续供料, 存在导管反水现象, 降低了混凝土质量 ; 另外, 水下浇筑采取自流平工艺, 导致混凝土浇筑面平整度达不到要求 ; 8.4 保养工程由于水下混凝土浇筑后, 机组即开机发电, 新浇筑混凝土马上受到水流冲刷, 加之流态紊乱, 尽管采取了钢板加薄膜的防冲措施, 但冲刷仍然严重总之, 经过多年努力, 以及施工方法工艺不断创新, 漫湾水垫塘水下混凝土浇筑情况良好, 混凝土表面平整光滑, 与老混凝土结合密实, 未出现掏空等现象, 仅有局部接合缝出现少量冲刷, 水垫塘底板混凝土修补质量是有保证的通过近几年对水垫塘检修廊道渗水量的观测, 发现其渗水得到了有效控制, 渗水量已基本稳定下来, 有效地控制了冲坑的发展, 测值详见下表 : 水垫塘周边廊道渗水过程线 9 结束语水垫塘是针对漫湾水电站枢纽工程泄洪频繁且流量大历时长泄洪功率大和地质条件差的特点而设置的, 其主要作用是在泄洪水流的冲坑范围形成水垫, 以减小水流对底板的冲蚀, 在水垫塘底部和岸坡设置混凝土衬砌主要是防止在底部形成较大的冲刷坑而危及大坝厂房和岸坡的安全漫湾电厂非常重视大坝安全管理, 充分认识到水垫塘冲蚀磨损对大坝安全带来的隐患, 投入大量资金进行补强加固, 在连续 10 年的施工过程中, 不断创新, 积极调研新工艺新材料, 采取有效措施, 遏制了水垫塘冲坑的进一步发展随着漫湾二期上游小湾电站投

9 产发电, 漫湾水电站泄洪时间和频次逐步减少, 水垫塘运行环境不断改善但是, 漫湾电厂仍然关注水垫塘安全, 委托昆明电力勘测设计研究院完成了彻底修补水垫塘冲坑的方案, 并将创造条件促成方案的最终实现参考资料 : 1 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院水垫塘底板冲蚀磨损处理设计说明作者简介 : 简树明, 男, 汉族,1967 年 5 月 22 日生, 云南省兰坪县人, 本科学历, 长期从事大坝安全管理工作, 现为漫湾电厂水库部副主任, 助理工程师职称, 联系电话 , 电子邮箱 @qq.com 郭俊, 男, 汉族,1984 年 9 月 27 日生, 云南省安宁市人, 本科学历, 从事大坝安全监测工作, 现为漫湾电厂水库部主任助理兼水工班班长, 助理工程师职称, 联系电话 , 电子邮箱 @qq.com 岳宏斌, 男, 白族,1966 年 9 月 25 日生, 四川省蓬溪县人, 大学学历, 长期从事大坝安全监测工作, 现为漫湾电厂水库部水工班班维护工程师, 助理工程师职称, 联系电话 , 电子邮箱 @qq.com

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