东北寒冷地区某混凝土重力坝溢流面结构缝修补处理

陆越宽，杨宏亮，高 浩，杨 宇，邵益民

（1.国网东北分部绿源水力发电公司太平湾发电厂，辽宁 丹东，118000；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，310014）

1 概述

1.1 工程概述

东北某引水式水电站位于辽宁省丹东市，发电厂房共安装4台单机容量40.25 MW水轮机，总装机容量161 MW，设计水头36.2 m，年设计平均利用小时2 670 h，多年平均发电量3.3亿kWh，水库总库容2亿m3。

水电站主要建筑物由主坝、副坝、引水系统和发电厂房等组成。拦河坝为混凝土重力坝，坝长556 m，坝高44.2 m。地面式厂房尺寸为99 m×19 m×40 m。设计洪水流量17 100 m3/s（重现期100年），校核洪水流量22 800 m3/s（重现期1 000年）。

1.2 存在问题

水电站大坝已安全运行40 多年，目前大坝溢流面与挑流鼻坎均存在不同程度的缺陷。为了更好地了解大坝的运行状态，2019年6月对大坝进行了详细的检查，发现大坝溢流面、反弧段等部位结构缝均存在较严重的破损。经检测，溢流面混凝土结构缝破损8处（分别是溢流面20号、19号、13号、12号、10号、7号、6号和2号），主要存在砂浆剥离、粗骨料裸露、结构缝混凝土挤压破坏等问题，如图1～2 所示。混凝土破损最宽约80 cm，最深约11 cm，最长约23 m。这些结构缝破损破坏了溢流面的整体性，导致表面钢筋锈蚀，并进一步扩散至溢流面其他位置，导致大面积冲蚀破坏，降低了混凝土表面的抗冲能力，威胁建筑物的安全。

图1 溢流面结构缝破损Fig.1 Damage of structural joints on overflow surface

2 原因分析

在大坝施工和运行中，引起混凝土结构缝破损的原因有很多[1]，现场温度和湿度变化、施工质量、结构受力、不均匀沉降等，都容易造成结构缝破损。分析总结该电站的破坏原因，具体有以下两个方面：

图2 破损细部图Fig.2 Damage detail

（1）温度原因：电站位于寒冷地区，冬季寒冷干燥。根据资料统计[2]，极端最低气温发生在1月，气温在-30℃以下，且冬季漫长，全年有4～5个月气温在0℃以下；夏季炎热短暂，最高气温近30℃，温差较大。1991年以后，多年平均气温为6.6℃。由于坝址处冬季十分寒冷，每年冬季12月10日—次年4月10日，库面冰厚度约l.0～1.5 m。该地区气温变化剧烈，受高温暴晒与低温冻胀影响，混凝土发生冻融循环破坏，且表面未设置防护体系，溢流面经过多次冲刷，表面混凝土随时间推移而逐渐磨损。

（2）施工原因：电站建于20 世纪80年代，由于施工工艺原因，溢流面结构缝在施工操作时，仅在结构缝中填充2 cm 厚的松木板，表面跨缝填充砂浆。受材料强度和施工工艺的影响，木板嵌缝及表面防护薄弱，溢流面在高速水流冲刷、脉动等作用下，易出现混凝土面局部冲蚀、破损。

3 修补方案及材料优选

本次修补的目的主要是恢复结构缝功能，防止结构缝周边混凝土因冻融循环、局部挤压破坏而再次产生崩角破坏，影响大坝安全性。总结相关技术经验[4-5]，针对本工程的工况，结构缝的处理应使其能均匀传递与吸收压力，将缝口线性区域受压扩散为整体缝面受压，使缝口附近更加稳定。相关研究表明，环氧树脂砂浆[6]的低弹性模量可释放大部分基面应力集中，解决修复后易开裂的问题。原混凝土与HK-UW-3环氧砂浆修补材料性能对比见表1。

表1 修补材料性能对比Table 1 Performance indexes of repair materials

若每个溢流面混凝土宽度为10 m，在受到60℃温差时，HK-UW-3 环氧砂浆变形值约18 mm。为减轻结构缝的挤压破坏及空鼓现象，至少需要预留2 cm 的结构缝空间，使干缩或热胀产生的应力得以释放。

因此，对于溢流面结构缝处理，宜采用低温高形变材料进行修补。为保证溢流面混凝土修复砂浆有足够的强度及抗冲磨能力，选用HK-UW-3环氧砂浆进行修补，并沿缝填充高密度XPS 泡沫板。缝口预留2 cm的诱导缝，缝内填HK-8505密封胶，再在表面增设HK-988 单组分聚脲，以增强抗冲磨性能。修复示意图见图3。

图3 结构缝修补示意图Fig.3 Repair of structural joints

HK-988单组分聚脲具有高强度、高弹性、耐低温、抗紫外线等特点，且有更强的粘结效果。该材料可作为混凝土保护涂层使用，具有抗冲耐磨的效果，其主要性能指标见表2。

表2 HK-988单组分聚脲主要性能指标Table 2 Main performance indexes of HK-988 single component polyurea

HK-UW-3环氧砂浆是一种以高强改性环氧树脂浆液、砂、粉料（如粉煤灰、水泥、石粉等）为集料制备的树脂砂浆，具有强度高、抗冲击性能好、耐磨损、耐腐蚀、抗冻性好等优点，其主要性能指标见表3。

表3 HK-UW-3环氧砂浆主要性能指标Table 3 Main performance indexes of HK-UW-3 epoxy mortar

HK-8505 聚氨酯建筑密封胶是一种高性能弹性密封胶，不含焦油、沥青及其他橡胶组分，具有高弹性、耐低温、耐腐蚀等优异性能，特别是在-20℃下仍具有良好的低温柔性，可用于各类建筑结构缝的密封与防水处理，其主要性能指标见表4。

表4 HK-8505密封胶主要性能指标Table 4 Main performance indexes of HK-8505 sealant

4 溢流面结构缝修补施工工艺

由于结构缝处受挤压破坏，混凝土破损剥落严重，修补思路分两步：一是凿除破损的混凝土，嵌填环氧砂浆，恢复结构缝的功能；二是在混凝土表面增设抗冲磨涂层，增强混凝土的抗冲击磨蚀能力。主要施工工艺如下。

4.1 清理结构缝

划定结构缝周边破损的范围，对有裂缝、脱空、松散的混凝土层进行清理，然后对缝内腐蚀破损的松木板进行清除。打磨接缝内壁边缘处，尽可能深地伸入接缝内壁进行打磨，也可用小型钢丝刷伸入接缝清理接缝内壁，直到露出新鲜的混凝土。最后用吹风机清理干净，表面应为毛面，无浮尘污垢。

4.2 涂刷环氧基液

打磨清理后，按照A∶B=5∶1 的比例配比环氧基液，在需修补区域薄涂环氧基液（润湿即可）。待底胶表干，若在环氧砂浆施工时发现基液已完全固化，则需再次薄涂一道基液后方可进行环氧砂浆涂抹。

4.3 环氧砂浆修复

环氧基液表干后，按厂家要求比例配制HKUW-3 环氧砂浆，将修补区填补平整，并沿缝中心预留2 cm 宽的接缝（见图4）。填补材料时尽可能同向连续摊料，边涂抹边压实找平，确保混凝土平顺。

图4 环氧砂浆修复结构缝Fig.4 Repair of structural joints with epoxy mortar

4.4 XPS高密度泡沫板填充

待环氧砂浆固化后，在接缝塞入XPS高密度泡沫板，留出接缝处空间的深度为接缝宽度的0.5～1.0倍。

4.5 嵌填密封胶

在接缝两侧贴上美纹纸或保护胶带，为加强缝内防水功能，在预留封口处涂刷环氧基液封闭。待基液表干后，将HK-8505 密封胶打入接缝内并压实，不得发虚或留有气孔。刮平密封胶，去掉美纹纸或保护胶带，待密封胶硬化。

4.6 HK-988单组分聚脲表面防护处理

为加强结构缝表面的抗冲磨性能，在表面增设一道聚脲抗冲磨涂层，主要施工步骤如下：

（1）打磨清理：对结构缝两侧各50 cm范围内的砂浆进行打磨，保持基面干净整洁。

（2）涂刷聚脲底胶：待表面洁净干燥后，均匀涂刷第一道聚脲底胶，涂刷宽度控制在线内；底胶表干（约0.5 h）后，即可进行聚脲施工；若底胶过分干燥时，需要重新补刷底胶，见图5。

图5 环氧砂浆表面处理Fig.5 Surface treatment of epoxy mortar

（3）待底胶表干后，进行表面聚脲涂刷工作。接缝两侧涂布第一道HK-988 单组分聚脲，厚度1 mm，立即贴合网格布并压实，表干5～15 h。

（4）再次涂刷HK-988 单组分聚脲，直到肉眼看不见网格布眼，厚度约1 mm。

（5）复涂第三道HK-988单组分聚脲，厚度1 mm。三道刮涂之后保证聚脲施工厚度为3 mm，最终效果见图6。

图6 聚脲表面防护处理Fig.6 Surface protective treatment by polyurea

5 结语

溢流面结构缝修复加固后1个月，东北迎来强降雨，电站于2020年8月泄洪。经处理后的溢流面在泄洪情况下，经受住了高速含沙水流的冲击，结构缝表面没有损伤。运行一年后，2021年6月排干反弧段的蓄水，再次检查溢流面状况时，发现结构缝表面聚脲涂层无空鼓、无破损，内部修补的环氧砂浆经敲击依旧密实。经整体现场情况反馈，本次修补处理达到了预期的补强加固效果，使溢流面结构缝恢复了功能，验证了低温高形变结构缝修补方案的可行性。总结本次溢流面结构缝修复施工，得到以下经验：

（1）对于溢流面的抗冲磨修补，宜综合考虑温度变化及冻融循环作用，选择合适材料进行修补。

（2）HW-UW-3 环氧砂浆具有高强度、弹性模量较低、粘结强度好、抗拉性能优良的特点，赋予了材料良好的抗挤压破损特性，适用于有抗冲磨要求的混凝土处理。

（3）寒冷地区低温高形变结构缝修补方案很好地解决了溢流面结构缝的抗冲磨问题，值得在类似工程中推广应用。