小山电站厂房尾水闸墩冻融剥蚀破坏处理

孙庆丰，唐振华

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

小山电站作为松江河梯级水电站的第一级电站，对于保障区域电力需求和促进经济发展具有举足轻重的地位。在电站的运行过程中，厂房尾水闸墩出现了严重的冻融剥蚀破坏现象，给电站的稳定运行带来了潜在风险。因此，本文旨在深入探讨小山电站厂房尾水闸墩冻融剥蚀破坏的原因、影响和处理方法，为保障电站的安全运行提供有力支持。

1 工程概况

小山电站位于吉林省抚松县境内第二松花江上游的松江河干流，由混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道和左岸河弯处引水式电站组成，工程为Ⅱ等大（2）型工程。厂房尾水建筑物由尾水闸墩、尾水渠及两侧的混凝土导墙组成。尾水闸墩底高程为576.97 m，顶高程为590.57 m，中墩宽1.30 m，边墩宽3.02 m，共2 个机组段。两侧混凝土导墙为混凝土重力式挡墙，右岸导墙墙顶宽0.60 m，左岸挡墙墙顶宽0.50 m，迎水面竖直，背水侧坡比为1∶0.3。

2019 年4 月，针对小山电站尾水闸墩及尾水导墙裂缝及冻融剥蚀问题进行了调查检测。经现场检测，尾水闸墩及导墙存在蜂窝、麻面、孔洞、露筋、裂缝及疏松等外观缺陷，混凝土存在压碎、冻融、剥蚀、脱落及冲刷等损伤状态，混凝土存在多条裂缝且存在冻融剥蚀、碳化等问题，钢筋存在锈蚀情况。

2 冻融剥蚀现状及原因分析

2.1 冻融剥蚀现状

小山电站厂房尾水闸墩发生不同程度的冻融剥蚀破坏，剥蚀面积较大，冻融剥蚀深度为5.8～8.2 cm，局部范围存在露筋，钢筋发生严重锈蚀。

1）冻融剥蚀统计结果：根据DL/T 5251—2010《水工混凝土建筑物缺陷检测和评估技术规程》[1]对冻融剥蚀的分类标准，对小山水电站厂房尾水闸墩冻融剥蚀缺陷调查情况进行归类统计，其结果见表1。

表1 厂房尾水闸墩及导墙冻融剥蚀统计表

2）裂缝缺陷统计结果：根据DL/T 5251—2010对水工建筑物混凝土裂缝的分类标准，对小山电站厂房尾水闸墩裂缝缺陷调查情况进行归类统计，其结果见表2。

表2 厂房尾水闸墩及导墙裂缝统计表

由表1、表2 可知，冻融剥蚀危害分类已达到C类，裂缝类型为D 类[1]，已达到深层裂缝，该缺陷亟待处理。

2.2 冻融剥蚀破坏产生原因

根据现场调查情况和检测结果，分析确定冻融剥蚀、裂缝的主要原因有以下两方面。

1）小山水电站位于东北严寒地区，具有四季温差大、昼夜温度变幅大等气候特点[2]，闸墩表面容易形成冰晶，长期受冻融循环作用，表面材料剥落。随着时间的推移，冻融破坏不断加深，最终可能导致混凝土表面剥落至钢筋的钝化保护层，一旦该层被破坏，钢筋将发生锈蚀破坏，从而加剧结构的破坏。此外，在渗水作用下，混凝土会产生溶出性侵蚀，导致内部的CaO 融化析出，形成Ca（OH）2。在出水点，Ca（OH）2与大气中的CO2反应生成白色沉淀物碳酸钙。混凝土的渗水析钙现象标志着其已经发生病变，并且随着CaO 的溶出，混凝土会变得松散而失去强度。该工程每年的冻融循环次数较多，裂缝内的水体在结冰后体积膨胀，冻胀力可能导致剥蚀破坏及裂缝的进一步开展，使建筑物的整体性降低。这些因素将促使小山电站的尾水闸墩及导墙产生冻融剥蚀和裂缝。

2）闸墩采用的材料耐久性不足，长期受环境因素侵蚀，导致材料性能退化。包括厂房尾水水位变化、降雨等因素使不具备饱水条件的混凝土吸水饱和，混凝土在十多年的运行中老化而使表面混凝土抗冻等级有所降低，以及冬季结冰和春季冻融等，造成混凝土表面冻融剥蚀、裂缝等。

3 冻融剥蚀处理方案

根据小山电站厂房尾水闸墩冻融剥蚀的情况，原混凝土存在压碎、冻融、剥蚀、脱落及冲刷等损伤，混凝土存在多条裂缝且存在冻融剥蚀、碳化等问题，钢筋存在锈蚀情况。若要彻底解决以上问题，需要对裂缝和冻融剥蚀进行分类后，对缺陷部位进行修补。其中，冻融剥蚀修补材料抗冻等级不小于F200，修补材料与基层混凝土之间的粘结强度应大于1.0 MPa[3]。

3.1 方案比选

1）方案一：凿除深度为30 cm，浇筑高抗冻性混凝土。凿除尾水闸墩表面深度为30 cm的冻融剥蚀破坏混凝土，老混凝土凿除后若仍有裂缝，要先进行裂缝处理。在老混凝土表面涂刷混凝土界面剂，铺设受力筋22@20 cm、架立筋16@20 cm 钢筋网，浇筑30 cm厚C35F400W6混凝土。

2）方案二：凿除深度为5～15 cm，浇筑环氧混凝土。凿除尾水闸墩表面深度为5～15 cm 的冻融剥蚀破坏混凝土，老混凝土凿除后若仍有裂缝，要先进行裂缝处理。在老混凝土表面涂刷环氧混凝土界面剂，修复破坏的钢筋或重新铺设受力筋22@20 cm、架立筋16@20 cm 钢筋网，浇筑环氧混凝土。

小山电站无法长时间停机，最大停机时间仅为10 h 左右，普通混凝土在如此短时间内达到强度需要掺早强剂，但仍难以保证混凝土的浇筑质量。环氧混凝土与普通混凝土相比具有固化快、早期强度高的特点，环氧混凝土可以保证在10 h内达到较高的强度和较好的施工质量。因此，冻融剥蚀处理方案选择方案二。

3.2 方案详细内容

尾水闸墩冻融剥蚀处理范围为580.20～583.50 m 高程的表面混凝土。凿除表面冻融剥蚀破坏的混凝土，凿除深度为5～15 cm，去除松动的混凝土和杂质，局部冻融剥蚀严重部位的凿除深度应加深，凿除深度应均匀，避免出现薄弱断面，使修复材料能够更好地与原有混凝土结合。混凝土凿除过程中，为保护混凝土整体结构，须采用风镐人工凿除。混凝土凿除后若仍有裂缝，应先进行裂缝处理[4]。裂缝处理结束后，在新老混凝土间设20锚筋，间排距2 m。浇筑新混凝土前需对老混凝土表面进行基面清理，修复破坏的钢筋或重新铺设受力筋22@20 cm、架立筋16@20 cm 钢筋网。在老混凝土表面喷涂环氧混凝土界面剂，保证新老混凝土良好胶结，之后制备环氧混凝土并浇筑，须保证修补面平顺。填充完成后，对表面进行处理，使环氧混凝土与原有混凝土表面平整。浇筑完成后要加强养护，防止修补体和结合面粘结层在尚未能获得足够的强度之前遭受损害，保证其强度和稳定性。

3.3 环氧混凝土技术指标

环氧混凝土是由改性环氧树脂、新型环保固化剂和纳米级特种填料等并配以特殊的加工工艺制成的高性能混凝土缺陷修补及水工抗冲磨保护与修复材料。主要特点：产品为双组份包装，施工操作简单；可操作时间和流动度可以根据不同施工条件进行动态控制，用于顶拱施工，不流挂；采用了新型环氧树脂作主剂，具有良好的抗冲击性；适用于干燥基面、潮湿基面（有水）及低温环境等条件下施工；具有优异的抗渗性能和抗裂性能。

环氧混凝土性能指标见表3。

表3 环氧混凝土性能指标

3.4 方案实施

2021年5—9月，小山电站对尾水闸墩及导墙混凝土冻融剥蚀及裂缝等缺陷进行了修复处理，冻融剥蚀处理施工顺序：原混凝土凿除→基面清理→裂缝检查→裂缝灌浆（需要时）→锚杆施工→钢筋制安（需要时）→恢复止水（原止水不能破坏）→基面清理→界面剂涂刷→浇筑环氧混凝土→养护。

经过2 年对电站正常运行中的观察和检测，未发现修复的闸墩表面有剥落现象，结构稳定性和耐久性得到了显著提升，小山电站厂房尾水闸墩冻融剥蚀处理获得了良好的效果。

4 结语

小山电站厂房尾水闸墩存在冻融剥蚀缺陷是电站运行的安全隐患，通过此次处理，厂房尾水闸墩冻融剥蚀破坏问题得到了有效解决，环氧混凝土强度高，修复后的尾水闸墩强度和稳定性得到了明显提高，能够有效抵抗水流的侵蚀和冲击；环氧混凝土与混凝土粘结力强、防渗性能好，不易产生裂缝和脱落，保证了修复效果的长期稳定性和整体完整性。此外，环氧混凝土修复方法操作简单，施工周期短，对水利工程运行影响较小。建议今后要深入研究新型耐冻融材料的性能和应用前景，寻找更合适的材料来提高闸墩的耐久性；加强数值模拟分析，探究闸墩结构的优化设计方法，提高其抗冻融能力；加强监测和维护管理，定期对闸墩进行检测和维修，及时发现和处理潜在问题，确保电站的安全稳定运行。