電廠排砂底孔沖坑處理論文

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1概述

葛洲壩水利樞紐是以通航、發(fā)電為主要效益的大型水利工程，是三峽水利樞紐的反調(diào)節(jié)水庫和航運(yùn)梯級。長江年入庫水量4500億m3,年均輸沙量達(dá)5.3億t。為了減少電廠前沿的淤積和泥沙過機(jī)，在大江電廠機(jī)組進(jìn)水口下部設(shè)置了14個(gè)排沙底孔。葛洲壩大江電廠排砂底孔1987年投入運(yùn)行，根據(jù)洪水入庫情況，各排砂底孔每年分別開啟運(yùn)行數(shù)10天。2001年，在大江電廠排砂底孔進(jìn)口檢修門槽潛水檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)底檻鋼板兩側(cè)混凝土都有沖蝕，底檻中部區(qū)有大小不等的沖坑，沖坑發(fā)生在底檻二期混凝土區(qū)，多數(shù)沖坑大骨料和鋼筋出露（沖坑統(tǒng)計(jì)見表1）。為此，葛洲壩電廠委托國家電力公司華東勘測設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行了葛洲壩大江電廠排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻沖坑處理設(shè)計(jì)。江蘇省海洋工程總公司承包了底檻沖坑處理工程。

2沖坑形成原因分析

大江電廠排砂底孔位于機(jī)組進(jìn)水口下端，進(jìn)口底板高程29.2m，與機(jī)組進(jìn)水口底板高程差約11.5m。排砂底孔進(jìn)水喇叭口尺寸8.55m×7.1m（高×寬），漸變到流道尺寸為5m×5m，計(jì)算水頭18.6m下的單孔排沙流量為200m3/s，平均流速3.3～4.7m3/s。流道斷面向下游漸變?yōu)?.3m×5.5m，流道出口段平均流速可達(dá)15.8m3/s。電廠機(jī)組進(jìn)水前沿的淤積和泥沙主要是沙質(zhì)推移質(zhì)和卵石推移質(zhì)。排砂底孔通常在汛期入庫流量大于25000m3/s期間開啟沖沙，每年排沙1～2次。根據(jù)電廠運(yùn)行和水下檢查情況，排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻沖坑形成的原因可能有以下幾點(diǎn)：

（1）大江電廠排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻沖坑的出現(xiàn)與機(jī)組發(fā)電、進(jìn)水口旋流沖磨有關(guān)。2004年1月，20#左排砂底孔進(jìn)口在相鄰機(jī)組停機(jī)情況下，潛水檢查和水下攝影顯示：進(jìn)口底板面無淤積，沖坑內(nèi)充填有卵石推移質(zhì)，裸露的底板混凝土面上卵石似回旋狀，沖坑顯然受到挾石水流的沖磨。

（2）排砂底孔開啟沖沙，挾沙（卵石）水流通過進(jìn)口底板磨損區(qū)，水流發(fā)生紊亂，推移質(zhì)撞擊磨損面，加速了沖坑的形成和發(fā)展。

（3）沖坑主要發(fā)生在進(jìn)口底檻二期混凝土區(qū)，底檻鋼板上下游兩側(cè)邊緣與底板混凝土的接縫以及底檻二期混凝土區(qū)似是薄弱區(qū)，容易產(chǎn)生沖蝕磨損。

（4）大江電廠前沿是沙卵石匯集區(qū)，排砂底孔是匯集區(qū)沙卵石推移質(zhì)的出庫通道，受挾沙（卵石）水流磨損的機(jī)率多。葛洲壩上游30km處三峽水利樞紐的施工，大江截流前后大量棄渣入庫葛洲壩，也加大了排砂底孔進(jìn)口底檻沖坑的形成可能性。

（5）排砂底孔進(jìn)口沖坑形成區(qū)的流速約4m/s，排砂底孔流道內(nèi)流速可達(dá)5～15m/s，但是，經(jīng)過十幾年運(yùn)行，歷次抽查排砂底孔流道過流面，其混凝土沖磨痕跡輕微，流道混凝土過流面基本完好。排砂底孔流道內(nèi)水流順暢、流態(tài)穩(wěn)定，歷年累計(jì)開啟運(yùn)行僅數(shù)千小時(shí)；而排砂底孔進(jìn)口底檻處水流紊亂，排砂底孔未開啟時(shí)，進(jìn)口底檻也受到機(jī)組發(fā)電水流的影響。例如，2001年3月，13#左、13#右排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻沖坑經(jīng)過PBM聚合物混凝土鋪填沖坑的簡易修補(bǔ)后，在2001、2002年汛期，該兩孔并未開啟沖沙，但是在2003年4月的水下檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)（該兩孔水下檢查前均開啟沖淤20分鐘），該兩孔進(jìn)口沖坑修補(bǔ)面已全部沖失。這些現(xiàn)象表明：排砂底孔進(jìn)口混凝土過流面磨損和沖坑的形成與排砂底孔開啟運(yùn)行關(guān)系并不密切相關(guān)。

3沖坑簡易處理

2001年2月，葛洲壩電廠在基本查清了大江電廠排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻沖坑情況后，為了不影響當(dāng)年的排砂底孔沖沙，由電廠潛水員施工，對其中坑深小于30cm的15個(gè)排砂底孔進(jìn)口沖坑進(jìn)行了簡易修補(bǔ)，主要采用PBM聚合物砂漿和963水下環(huán)氧砂漿修補(bǔ)材料水下無筋回填沖坑。

3.1修補(bǔ)方式及材料

開啟排砂底孔沖淤20分鐘，排去進(jìn)口淤積物。

潛水員探摸沖坑，估測面積和深度，確定鋪填沖坑的修補(bǔ)量。

潛水員清理修補(bǔ)面(用鋼刷及清水刷洗)，水下接料，破料袋將修補(bǔ)材料注入沖坑，用戴手套的手拍打修補(bǔ)料，整平修補(bǔ)面；重復(fù)接料，注料，拍打，直至沖坑填滿。

修補(bǔ)材料：PBM聚合物鑄石砂漿及少量PBM聚合物混凝土共計(jì)14t,963水下環(huán)氧砂漿1t。

3.2修補(bǔ)效果

2002年初，簡易無筋鋪填修補(bǔ)的15個(gè)排砂底孔進(jìn)口沖坑，其中大部分排砂底孔經(jīng)歷了2001年、2002年汛期開啟運(yùn)行的考驗(yàn)。結(jié)合其他坑深大于30cm的14個(gè)排砂底孔進(jìn)口沖坑處理工程，江蘇省海洋工程總公司分別在2002年2月～3月對8#右、19#左、21#左、21#右排砂底孔進(jìn)口沖坑無筋回填的修補(bǔ)效果進(jìn)行了檢測，在2003年2月～4月對14#左及13#、15#、16#、17#、18#左右排砂底孔進(jìn)口沖坑無筋回填修補(bǔ)效果進(jìn)行了檢測。檢測情況見表2。

表2的檢測結(jié)果表明：無筋回填修補(bǔ)的15個(gè)排砂底孔進(jìn)口沖坑，經(jīng)過汛期1～2次沖沙使用后，沖坑修補(bǔ)面5處已全部沖失，5處大部分沖失，5處基本上完好，此外，檢查發(fā)現(xiàn)部分沖坑修補(bǔ)面邊緣發(fā)生新的沖槽淺坑。這說明，無筋回填沖坑的簡易修補(bǔ)起不到?jīng)_坑修復(fù)效果和保護(hù)底檻的目的。

4沖坑處理設(shè)計(jì)及專業(yè)公司施工

沖坑處理設(shè)計(jì)委托國家電力公司華東勘測設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行，江蘇省海洋工程總公司承包了沖坑施工處理工程，對葛洲壩大江電廠8#左、19#右以及9#、10#、11#、12#、14#、20#的左右排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻共14處沖坑進(jìn)行修補(bǔ)處理。水下處理方案及工程實(shí)施情況如下：

(1)水下檢查，分為排砂底孔進(jìn)口底檻普查和沖坑測量。沖坑測量采用網(wǎng)格法，由潛水員在水下結(jié)合水下攝像，以30cm×30cm間隔對沖坑情況進(jìn)行測量定位，確定沖坑位置及修補(bǔ)部位所需要的工程量。

(2)采用回彈儀對沖坑區(qū)底板進(jìn)行原混凝土強(qiáng)度檢測。

(3)確定基坑開挖邊線和挖鑿處理。采用液壓切割、鎬鏟設(shè)備進(jìn)行基坑邊界10cm深的直立面切鑿和坑內(nèi)修鑿。

(4)基坑布設(shè)錨筋、鋼筋網(wǎng)片。沖坑范圍內(nèi)深度大于15cm區(qū)域，設(shè)置25螺紋鋼錨筋，錨筋間距及孔深30cm，錨筋采用HK983錨固劑錨固，錨筋頂?shù)陀谛扪a(bǔ)面3cm，鋼筋網(wǎng)片與錨筋和原混凝土內(nèi)埋筋焊接連成整體。

(5)高壓水清洗基坑面，根據(jù)設(shè)計(jì)澆筑材料基坑分區(qū)、分倉，模板分片插設(shè)、相臨搭接，分倉一般不多于3個(gè)。

(6)澆筑水下環(huán)氧混凝土或PBM聚合物混凝土。根據(jù)基坑分倉澆筑用量,配合比試配，配料和拌料、袋裝料、傳遞到水下作業(yè)面,潛水員接料后破料袋將澆筑材料注入基坑、鋪平抹光，直至與原底板混凝土面銜接平整，清除底檻鋼板面殘留的澆筑料。

沖坑修補(bǔ)期間，作業(yè)區(qū)布置水下燈陣，水下攝像監(jiān)控，監(jiān)理（管理單位）工序簽證。

主要澆筑材料采用國家電力公司華東勘測設(shè)計(jì)研究院科研實(shí)驗(yàn)廠生產(chǎn)HK963水下環(huán)氧樹脂和PBM聚合物，澆筑量28m3。

水下環(huán)氧混凝土由HK963水下環(huán)氧樹脂，配以干凈河沙、碎石制成?；九浞剑ㄖ亓勘龋篐K963A400kg、HK963B100kg、中粗沙450kg、碎石450kg、增韌劑25kg，水下環(huán)氧混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度大于40MPa。

PBM聚合物混凝土由PBM-A、PBM-B聚酯樹脂、促進(jìn)劑和引發(fā)劑與骨料拌和制成?；九浞剑ㄖ亓勘龋篜BM(A＋B)17%、中粗沙40%、碎石33%、促進(jìn)劑0.25%、引發(fā)劑0.25%，PBM聚合物混凝土抗壓強(qiáng)度大于40MPa。葛洲壩電廠已使用PBM聚合物混凝土（砂漿）多年，實(shí)用表明PBM聚合物混凝土具有在常溫下或水中快速固化、自流平，固化后抗壓抗折強(qiáng)度高、粘結(jié)力強(qiáng)、抗沖耐磨性能好、特別適用于水下或潮濕狀態(tài)下的混凝土修補(bǔ)等。

4沖坑處理效果

葛洲壩大江電廠排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻沖坑處理工程由于需要大江電廠停機(jī)配合，前后經(jīng)歷了兩個(gè)非汛期施工，2003年4月底竣工。為了做好葛洲壩大壩第二輪安全定期檢查準(zhǔn)備，葛洲壩電廠委托青島太平洋海洋工程有限公司進(jìn)行葛洲壩壩前進(jìn)水口水下檢查。其中，在2003年12月～2004年1月抽查了14#右、20#左排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻及沖坑處理后使用效果。

江蘇省海洋工程總公司按照沖坑處理設(shè)計(jì)及水下處理方案，在2003年2月對14#右排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻沖坑進(jìn)行了修補(bǔ)，在2002年2月對20#左排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻沖坑由進(jìn)行了修補(bǔ)。

14#右排砂底孔進(jìn)口沖坑修補(bǔ)后，2004年7月開啟運(yùn)行了200小時(shí)。2003年12月水下檢查：14#右排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻完好，沖坑修補(bǔ)面未發(fā)現(xiàn)沖失現(xiàn)象。說明沖坑修補(bǔ)效果良好。

20#左排砂底孔進(jìn)口沖坑修補(bǔ)后，2002年6月、2003年7月分別開啟運(yùn)行了130小時(shí)、200小時(shí)。2004年1月水下檢查發(fā)現(xiàn)：修補(bǔ)面大部分沖失，坑底殘留有部分2002年2月修補(bǔ)的錨筋頭、鋼筋片網(wǎng)和PBM聚合物混凝土；當(dāng)時(shí)修補(bǔ)時(shí)完好的底檻鋼板中段5m長扭曲變形，200mm寬、16mm厚的鋼板磨蝕最窄處僅剩80mm，底檻鋼板下的工字鋼也已磨損和變形。

20#左排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻沖坑修補(bǔ)面被沖失，在某種程度上反映了修補(bǔ)施工質(zhì)量問題。據(jù)了解：沖坑修補(bǔ)施工時(shí)，由于停機(jī)配合和規(guī)定工期緊，基坑開挖邊線切割直立面及修鑿深度小于6cm；除了坑底深度大于15cm區(qū)域，沖坑周邊（約占沖坑開挖線內(nèi)面積五分之三）未采取設(shè)置錨筋和鋼筋網(wǎng)片；澆筑水下環(huán)氧混凝土或PBM聚合物混凝土前，高壓水清洗基面也不徹底。此外，管理單位對修補(bǔ)質(zhì)量未做水下驗(yàn)收。

由于電廠機(jī)組發(fā)電、檢查條件限制，除了14#右、20#左在一年后檢查了修補(bǔ)效果外，8#左、14#左、19#右、20#右以及9#、10#、11#、12#、的左右排砂底孔進(jìn)口檢修門底檻沖坑修補(bǔ)面未能實(shí)施檢查，其修補(bǔ)效果待查。

5結(jié)語

(1)葛洲壩大江電廠排砂底孔進(jìn)口在機(jī)組進(jìn)水等影響下、水流紊亂，底檻過流面受到?jīng)_蝕磨損，容易形成沖坑。

(2)采取PBM聚合物砂漿和963水下環(huán)氧砂漿澆筑材料簡易無筋鋪填沖坑，起不到修補(bǔ)效果。沖坑修補(bǔ)應(yīng)采用有筋修補(bǔ)，專業(yè)公司施工。(3)沖坑修補(bǔ)確定合適開挖線、基坑直立面切邊深度宜大于10cm，基坑宜修鑿成深度大于10cm的漏斗狀，坑內(nèi)應(yīng)布設(shè)錨筋、滿鋪鋼筋網(wǎng)片與錨筋和原混凝土埋筋焊接成整體。澆筑基面必須清洗徹底。(4)PBM聚合物砂漿和963水下環(huán)氧砂漿是比較合適的水下沖坑澆筑材料。其設(shè)計(jì)配料強(qiáng)度可適當(dāng)高于原混凝土強(qiáng)度。適當(dāng)控制材料成本。(5)沖坑修補(bǔ)面應(yīng)嚴(yán)格做到與周邊老混凝土面相平整，盡可能使新老過流面平順連接，避免產(chǎn)生新的水流阻力。(6)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，宜聘請具有水下工程監(jiān)理資質(zhì)的單位進(jìn)行質(zhì)量控制。實(shí)施修補(bǔ)質(zhì)量水下工序驗(yàn)收。