葛洲坝大江电厂排砂底孔进口冲坑处理

摘要：葛洲坝大江电厂排砂底孔在2000年潜水检查时发现其进水口检修门底槛有大小不等的冲坑，部分钢筋网冲蚀外露，为此，使用了PBM聚合物混凝土和963水下环氧混凝土简易法铺填冲坑和专业化修复冲坑。冲坑修复后经过数次运行后的潜水检查，达到了一定效果。本文介绍了葛洲坝大江电厂排砂底孔进口冲坑形成原因的分析、修补技术方案、修补材料的选用以及修补效果。

关键词：葛洲坝 排砂底孔 冲坑处理 修补材料

1 概述

葛洲坝水利枢纽是以通航、发电为主要效益的大型水利工程，是三峡水利枢纽的反调节水库和航运梯级。长江年入库水量4500亿m3,年均输沙量达5.3亿t。为了减少电厂前沿的淤积和泥沙过机，在大江电厂机组进水口下部设置了14个排沙底孔。葛洲坝大江电厂排砂底孔1987年投入运行，根据洪水入库情况，各排砂底孔每年分别开启运行数10天。2001年，在大江电厂排砂底孔进口检修门槽潜水检查时，发现底槛钢板两侧混凝土都有冲蚀，底槛中部区有大小不等的冲坑，冲坑发生在底槛二期混凝土区，多数冲坑大骨料和钢筋出露（冲坑统计见表1）。为此，葛洲坝电厂委托国家电力公司华东勘测设计研究院进行了葛洲坝大江电厂排砂底孔进口检修门底槛冲坑处理设计。江苏省海洋工程总公司承包了底槛冲坑处理工程。

2 冲坑形成原因分析

大江电厂排砂底孔位于机组进水口下端，进口底板高程29.2m，与机组进水口底板高程差约11.5m。排砂底孔进水喇叭口尺寸8.55m×7.1m（高×宽），渐变到流道尺寸为5m×5m，计算水头18.6m下的单孔排沙流量为200m3/s，平均流速3.3～4.7m3/s。流道断面向下游渐变为2.3m×5.5m，流道出口段平均流速可达15.8m3/s。电厂机组进水前沿的淤积和泥沙主要是沙质推移质和卵石推移质。排砂底孔通常在汛期入库流量大于25 000m3/s期间开启冲沙，每年排沙1～2次。根据电厂运行和水下检查情况，排砂底孔进口检修门底槛冲坑形成的原因可能有以下几点：

（1）大江电厂排砂底孔进口检修门底槛冲坑的出现与机组发电、进水口旋流冲磨有关。2004年1月，20#左排砂底孔进口在相邻机组停机情况下，潜水检查和水下摄影显示：进口底板面无淤积，冲坑内充填有卵石推移质，的底板混凝土面上卵石似回旋状，冲坑显然受到挟石水流的冲磨。

（2）排砂底孔开启冲沙，挟沙（卵石）水流通过进口底板磨损区，水流发生紊乱，推移质撞击磨损面，加速了冲坑的形成和发展。

（3）冲坑主要发生在进口底槛二期混凝土区，底槛钢板上下游两侧边缘与底板混凝土的接缝以及底槛二期混凝土区似是薄弱区，容易产生冲蚀磨损。

（4）大江电厂前沿是沙卵石汇集区，排砂底孔是汇集区沙卵石推移质的出库通道，受挟沙（卵石）水流磨损的机率多。葛洲坝上游30km处三峡水利枢纽的施工，大江截流前后大量弃渣入库葛洲坝，也加大了排砂底孔进口底槛冲坑的形成可能性。

（5）排砂底孔进口冲坑形成区的流速约4m/s，排砂底孔流道内流速可达5～15m/s，但是，经过十几年运行，历次抽查排砂底孔流道过流面，其混凝土冲磨痕迹轻微，流道混凝土过流面基本完好。排砂底孔流道内水流顺畅、流态稳定，历年累计开启运行仅数千小时；而排砂底孔进口底槛处水流紊乱，排砂底孔未开启时，进口底槛也受到机组发电水流的影响。例如，2001年3月，13#左、13#右排砂底孔进口检修门底槛冲坑经过PBM聚合物混凝土铺填冲坑的简易修补后，在2001、2002年汛期，该两孔并未开启冲沙，但是在2003年4月的水下检查时发现（该两孔水下检查前均开启冲淤20分钟），该两孔进口冲坑修补面已全部冲失。这些现象表明：排砂底孔进口混凝土过流面磨损和冲坑的形成与排砂底孔开启运行关系并不密切相关。

3 冲坑简易处理

2001年2月，葛洲坝电厂在基本查清了大江电厂排砂底孔进口检修门底槛冲坑情况后，为了不影响当年的排砂底孔冲沙，由电厂潜水员施工，对其中坑深小于30cm的15个排砂底孔进口冲坑进行了简易修补，主要采用PBM聚合物砂浆和963水下环氧砂浆修补材料水下无筋回填冲坑。

3.1 修补方式及材料

开启排砂底孔冲淤20分钟，排去进口淤积物。

潜水员探摸冲坑，估测面积和深度，确定铺填冲坑的修补量。

潜水员清理修补面(用钢刷及清水刷洗)，水下接料，破料袋将修补材料注入冲坑，用戴手套的手拍打修补料，整平修补面；重复接料，注料，拍打，直至冲坑填满。

修补材料：PBM聚合物铸石砂浆及少量PBM聚合物混凝计14t, 963水下环氧砂浆1t。

3.2 修补效果

2002年初，简易无筋铺填修补的15个排砂底孔进口冲坑，其中大部分排砂底孔经历了2001年、2002年汛期开启运行的考验。结合其他坑深大于30cm的14个排砂底孔进口冲坑处理工程，江苏省海洋工程总公司分别在2002年2月～3月对8#右、19#左、21#左、21#右排砂底孔进口冲坑无筋回填的修补效果进行了检测，在2003年2月～4月对14#左及13#、15#、16#、17#、18#左右排砂底孔进口冲坑无筋回填修补效果进行了检测。检测情况见表2。

表2的检测结果表明：无筋回填修补的15个排砂底孔进口冲坑，经过汛期1～2次冲沙使用后，冲坑修补面5处已全部冲失，5处大部分冲失，5处基本上完好，此外，检查发现部分冲坑修补面边缘发生新的冲槽浅坑。这说明，无筋回填冲坑的简易修补起不到冲坑修复效果和保护底槛的目的。

4 冲坑处理设计及专业公司施工

冲坑处理设计委托国家电力公司华东勘测设计研究院进行，江苏省海洋工程总公司承包了冲坑施工处理工程，对葛洲坝大江电厂8#左、19#右以及9#、10#、11#、12#、14#、20#的左右排砂底孔进口检修门底槛共14处冲坑进行修补处理。水下处理方案及工程实施情况如下：

(1)水下检查，分为排砂底孔进口底槛普查和冲坑测量。冲坑测量采用网格法，由潜水员在水下结合水下摄像，以30cm×30cm间隔对冲坑情况进行测量定位，确定冲坑位置及修补部位所需要的工程量。

(2)采用回弹仪对冲坑区底板进行原混凝土强度检测。

(3)确定基坑开挖边线和挖凿处理。采用液压切割、镐铲设备进行基坑边界10cm深的直立面切凿和坑内修凿。

(4)基坑布设锚筋、钢筋网片。冲坑范围内深度大于15cm区域，设置?25螺纹钢锚筋，锚筋间距及孔深30cm，锚筋采用HK983锚固剂锚固，锚筋顶低于修补面3cm，钢筋网片与锚筋和原混凝土内埋筋焊接连成整体。

(5)高压水清洗基坑面，根据设计浇筑材料基坑分区、分仓，模板分片插设、相临搭接，分仓一般不多于3个。

(6)浇筑水下环氧混凝土或PBM聚合物混凝土。根据基坑分仓浇筑用量,配合比试配，配料和拌料、袋装料、传递到水下作业面,潜水员接料后破料袋将浇筑材料注入基坑、铺平抹光，直至与原底板混凝土面衔接平整，清除底槛钢板面残留的浇筑料。

冲坑修补期间，作业区布置水下灯阵，水下摄像监控，监理（管理单位）工序签证。

主要浇筑材料采用国家电力公司华东勘测设计研究院科研实验厂生产HK963水下环氧树脂和PBM聚合物，浇筑量28m3。

水下环氧混凝土由HK963水下环氧树脂，配以干净河沙、碎石制成。基本配方（重量比）：HK963A400kg、HK963B100kg、中粗沙450kg、碎石450kg、增韧剂25kg，水下环氧混凝土设计抗压强度大于40MPa。

PBM聚合物混凝土由PBM-A、PBM-B聚酯树脂、促进剂和引发剂与骨料拌和制成。基本配方（重量比）：PBM(A＋B)17%、中粗沙40%、碎石33%、促进剂0.25%、引发剂0.25%，PBM聚合物混凝土抗压强度大于40MPa。葛洲坝电厂已使用PBM聚合物混凝土（砂浆）多年，实用表明PBM聚合物混凝土具有在常温下或水中快速固化、自流平，固化后抗压抗折强度高、粘结力强、抗冲耐磨性能好、特别适用于水下或潮湿状态下的混凝土修补等。

4 冲坑处理效果

葛洲坝大江电厂排砂底孔进口检修门底槛冲坑处理工程由于需要大江电厂停机配合，前后经历了两个非汛期施工，2003年4月底竣工。为了做好葛洲坝大坝第二轮安全定期检查准备，葛洲坝电厂委托青岛太平洋海洋工程有限公司进行葛洲坝坝前进水口水下检查。其中，在2003年12月～2004年1月抽查了14#右、20#左排砂底孔进口检修门底槛及冲坑处理后使用效果。

江苏省海洋工程总公司按照冲坑处理设计及水下处理方案，在2003年2月对14#右排砂底孔进口检修门底槛冲坑进行了修补，在2002年2月对20#左排砂底孔进口检修门底槛冲坑由进行了修补。

14#右排砂底孔进口冲坑修补后，2004年7月开启运行了200小时。2003年12月水下检查：14#右排砂底孔进口检修门底槛完好，冲坑修补面未发现冲失现象。说明冲坑修补效果良好。

20#左排砂底孔进口冲坑修补后，2002年6月、2003年7月分别开启运行了130小时、200小时。2004年1月水下检查发现：修补面大部分冲失，坑底残留有部分2002年2月修补的锚筋头、钢筋片网和PBM聚合物混凝土；当时修补时完好的底槛钢板中段5m长扭曲变形，200mm宽、16mm厚的钢板磨蚀最窄处仅剩80mm，底槛钢板下的工字钢也已磨损和变形。

20#左排砂底孔进口检修门底槛冲坑修补面被冲失，在某种程度上反映了修补施工质量问题。据了解：冲坑修补施工时，由于停机配合和规定工期紧，基坑开挖边线切割直立面及修凿深度小于6cm；除了坑底深度大于15cm区域，冲坑周边（约占冲坑开挖线内面积五分之三）未采取设置锚筋和钢筋网片；浇筑水下环氧混凝土或PBM聚合物混凝土前，高压水清洗基面也不彻底。此外，管理单位对修补质量未做水下验收。

由于电厂机组发电、检查条件限制，除了14#右、20#左在一年后检查了修补效果外，8#左、14#左、19#右、20#右以及9#、10#、11#、12#、的左右排砂底孔进口检修门底槛冲坑修补面未能实施检查，其修补效果待查。

5 结语

(1)葛洲坝大江电厂排砂底孔进口在机组进水等影响下、水流紊乱，底槛过流面受到冲蚀磨损，容易形成冲坑。

(2)采取PBM聚合物砂浆和963水下环氧砂浆浇筑材料简易无筋铺填冲坑，起不到修补效果。冲坑修补应采用有筋修补，专业公司施工。(3)冲坑修补确定合适开挖线、基坑直立面切边深度宜大于10cm，基坑宜修凿成深度大于10cm的漏斗状，坑内应布设锚筋、满铺钢筋网片与锚筋和原混凝土埋筋焊接成整体。浇筑基面必须清洗彻底。(4)PBM聚合物砂浆和963水下环氧砂浆是比较合适的水下冲坑浇筑材料。其设计配料强度可适当高于原混凝土强度。适当控制材料成本。(5)冲坑修补面应严格做到与周边老混凝土面相平整，尽可能使新老过流面平顺连接，避免产生新的水流阻力。(6)严格控制施工质量，宜聘请具有水下工程监理资质的单位进行质量控制。实施修补质量水下工序验收.