摘要：葛洲坝枢纽泄水过流面包括泄水闸、冲沙闸的闸孔侧墙与底板以及消力池护坦板，机组进水口以及蜗壳与尾水管，排沙底孔、排沙洞、排漂孔进水口以及流道等。这些建筑物的混凝土泄水过流面长年在水流的冲蚀下受到磨损，需要周期性检修。葛洲坝枢纽泄水过流面采用了多种检修方法和混凝土修补技术，修补效果良好。
关键词：葛洲坝枢纽； 过流面； 磨损； 检修方法； 修补效果
中图分类号：TV 698 文献标识码：B
1 概述
长江葛洲坝水利枢纽是以通航、发电为主要效益的大型径流式水利工程，也是三峡水利枢纽的反调节水库和航运梯级，由泄水闸，电站厂房和船闸等建筑物组成，包含的两座河床式电站总装机容量2715MW。每年汛期，上游洪水带有大量泥沙过坝，入库洪水年平均含沙量1.2kg/m3，年均输沙量达5.3亿t。枢纽泄水建筑物经过汛期排洪、排沙和发电过流，过水面均受到不同程度的磨损，需要周期性检查和修补。葛洲坝枢纽泄水过流面包括泄水闸、冲沙闸的闸孔侧墙与底板以及消力池护坦板，机组进水口以及蜗壳与尾水管，排沙底孔、排沙洞、排漂孔进水口以及流道等。其中，二江泄水闸是主要泄水建筑物，每年过流时间长达5～6个月，大江泄洪冲沙闸过流时间长的也有一个多月。此外，为了减轻泥沙对发电机组的磨损，电站排沙底孔及排沙洞每年汛期交替排沙运行。这些泄水建筑物，汛期泄洪时间长、过流流速大（泄水、冲沙闸室流速达10～22m/s）、过流含沙量也较高，在枢纽运行初期以及三峡工程施工期，大量的围堰填料和工程弃渣在洪水水流挟持下通过葛洲坝枢纽，因此过水面的磨蚀程度基本上与水流含沙量和过流时间的长短相关。一般情况下，每隔5～6年要对泄水建筑物过流面进行一次全面检修。
2 混凝土过流面检修方法
葛洲坝枢纽二江泄水闸为27孔开敞式平底闸，闸孔净宽12m，闸底板长65m，闸室后接长180m的一级消力池护坦，护坦内设有二道纵向隔墙，使护坦分成左、中、右3个区，闸孔底板以及消力池护坦板长年淹没水下。二江泄水闸作为主要泄水排沙建筑物，每隔5年需要对全部闸孔及护坦板水平段轮修一遍。检修方法采用专用工程船、浮式检修门、压气排水式沉柜、水下电视等检修设备以及潜水检修等。
2.1 工程船
葛电1#工程船专用于二江泄水闸过流面检修。它设有供水、供电、供气系统和修补材料储存拌和系统，备有25t起重吊车，可以在作业区内自航移动。工程船体两侧设有升降式桩脚稳定船体，船甲板和船舷可以吊装、携带、移动和停靠浮式检修门、压气排水式沉柜、潜水设备等。该工程船实际上是多功能水上检修平台。
2.2 浮式检修门
专用于二江泄水闸单孔闸室检修的0#、1#、2#浮式检修门，采用门舱内充水沉底、排水上浮移位操作方式，按需要分别就位于边墩、缝墩或中墩闸孔的下游口门处挡水。0#、1#浮式检修门挡水作业高度2.5～6m，2#浮式检修门挡水作业高度2.4～4.6m。浮式检修门就位于闸孔下游口门后，由浮式检修门两侧及底侧橡胶止水，借助闸孔弧门拉力定位，使水封贴紧闸墩止水钢板和底板，由检修门水泵向门舱充水和抽干闸室余水。闸室余水抽干后，松开弧门拉力，浮式检修门在自重和水头压力作用下顶紧闸墩起到挡水作用，达到闸室检修无水作业条件。
2.3 压气排水式沉柜
压气排水式沉柜适用于水深2.5～12.5m的水下平面或坡度1∶12的斜面混凝土底板检修，实际上常用于护坦板水平段底板检修。它由盾首、浮箱、通道、平盾底和斜盾底、配重块以及供水、供电、供风设施等部件组成。沉柜底部为开敞式，根据检修部位以及水深条件分别装配不同长度的通道和底仓。压气排水式沉柜压气挤水，充气压力略大于检修区水压，形成检修舱无水空间，以便检修舱内罩底板混凝土面。沉柜转位时，通过浮箱排水增大沉柜自浮力，使盾底稍微抬离混凝土底板，由检修仓内人力或外力推移。压气排水式沉柜在消力池护坦水平段检修水深3～5m，检修舱气压小于0.05MPa。沉柜检修舱覆罩面积为30m2，每年冬季护坦检修约80点次，基本满足二江泄水闸周期性检修和安全运行需要。但是，压气排水式沉柜已不适用消力池底部及斜坡段的混凝土底板检修。目前，正进行新型沉柜方案设计。
2.4 水下电视
SXD-IVB水下电视设备是中国船舶重工集团公司研制，采用大屏幕液晶监视器、热升华视频打印机及视频无线传输技术，通过水下摄像机观察、存储和打印水下被检设备或部位的图像，作业深度可达到80m。水下摄像机可以悬吊进入水中检查或由潜水员水下手持检查。二江泄水闸护坦水下049缝检查和大江电厂机组排沙底孔上游检修门槽底槛混凝土检修采用SXD-IVB水下电视观察和工程检查都取得令人满意的效果。
2.5 潜水检修
葛洲坝枢纽挡水前沿水下混凝土结构检修，进水口检修闸门、工作闸门的故障处理，检修门槽水下混凝土检修，消力池护坦板检查修补以及其他水下检修设备难以完成的工程，采取潜水作业。潜水员潜入水下，结合水下电视，观察和探摸被检部位破损情况，使用水下不分散混凝土、PBM聚合物混凝土或水下环氧等混凝土修补材料修补作业。
葛洲坝水工建筑物过流面检修曾使用钢叠梁门挡水、土石大围堰全面检修、RCV-225遥控深潜器等。使用钢叠梁门挡水时吊装和挡水堵漏比较困难，现已不使用。1985年底至1986年春，葛洲坝二江泄水闸护坦曾采取了土石大围堰全面检修方法，利用大江工程围堰拆除的弃料，在二江泄水闸护坦周边筑起长600多米、高10多米的土石围堰，使围堰内形成约17万m2的无水检修区域，达到全面检查消力池护坦的运行和磨损情况，彻底修复缺陷的效果。土石大围堰检修通常情况下不采用。
此外，水工建筑物水下检查使用过RCV-225遥控深潜器。RCV-225遥控深潜器是从美国引进的水下检测设备，它包括潜水摄像器、收发操纵架、控制台、监视器等设备，具有体积小、使用操作灵便特点。深潜器自带的水下照明和摄像机可以提供清水中10米以内的清晰图像，可以对水下检查的物体进行测量、照相、录像，其水下检测深度范围为几米至数百米。RCV-225遥控深潜器使用条件也受到一些环境限制，例如：浑水中的检测效果差，检测水域流速要小于1.25m/s,被检测物体表面不能覆盖有淤泥等沉淀物，潜水摄像器在动水中入水或水中转向控制欠灵活，该设备实际检修工程中已不使用。
3 混凝土过流面修补方法
3.1 修补标准
3.1.1 混凝土面磨损修补
（1）磨损深度小于1cm，混凝土小骨料有磨蚀、中骨料少量出露、但表面砂浆层大部分未冲蚀的一般不修补。
（2）磨损深度1～3cm，混凝土表面砂浆层及小骨料大部分磨蚀、中骨料部分出露，根据磨损面的形状和大小采用环氧砂浆或铸石砂浆等修补材料修补。
（3）磨损深度大于3cm，混凝土中骨料大部分出露、磨损面起伏不平、有冲沟槽，应采取表面处理和结构加固措施，采用高强度混凝土或铸石砂浆等修补材料修补。水下修补材料采用水下不分散混凝土、PBM聚合物混凝土或水下环氧混凝土等。
3.1.2 混凝土分缝磨损修补
（1）分缝面磨损深度小于1cm的不处理。
（2）分缝面磨损深度大于1cm的作局部修补处理，分缝面磨损深度大于2cm以及周边混凝土面已有较大面积磨损的须作基面修补及分缝面复原修补。
3.1.3 橡胶带隔离伸缩缝的磨损修补
（1）伸缩缝上橡胶带磨损深度小于1cm的一般不修补。
（2）伸缩缝上橡胶带磨损深度大于1cm的，须进行缝面复原修补以及橡胶带填补修整。
以上磨损面修补时，修补面应压实、抹光，修补面与周边混凝土基面要平顺连接，修补面升跌坎不得大于0.5cm，对超过0.5cm的升跌坎宜修补成1∶20的缓坡。
3.2 主要修补材料和修补方法
（1）高强度抗冲耐磨混凝土
高强度抗冲耐磨混凝土采用525#纯熟大坝水泥、河砂、0.5～2cm的骨料、水、外加FDN减水剂拌和而成，混凝土标号可达C50以上，有较好的抗冲磨能力，主要用于冲蚀磨损深度大于5cm、磨损面积较大的混凝土过流面的修补。
（2）水泥铸石砂浆
水泥铸石砂浆采用525#纯熟大坝水泥、辉绿岩铸石砂、水、外加一定量减水剂，拌制后堆放一段时间后再使用的干硬性水泥砂浆，具有很好的抗冲磨能力，主要用于磨损深度2～5cm、磨损面积较大的过流底板面或磨损深度大于5cm的局部坑槽修补。在闸室抽干、修补大面积底板磨损面时，采用水泥铸石砂浆修补其水泥、砂、铸石的配合比为1∶1∶2，并掺入适量缓凝减水剂。在沉柜内作底板修补或低洼磨损面修补时采用水泥铸石砂浆修补，为了加快砂浆初凝，防止渗水影响，铸石砂浆中可加入2%重量比的SH外掺剂。
（3）环氧砂浆
由环氧树脂、稀释剂、增韧剂、固化剂、偶联剂以及石英砂、铸石砂、金刚砂或河砂等惰性填料（根据修补部位选用）配制而成。环氧砂浆与混凝土面有很高的粘结强度和优良的抗冲耐磨性能，主要用于流速较大的过流面修补。例如：泄水闸、冲沙闸闸室的侧墙和底板，闸门槽及底槛，机组蜗壳以及尾水管过流面上的局部冲坑、沟槽或分缝磨损可采用环氧砂浆修补。环氧砂浆配方见表1。
（4）水下环氧混凝土
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。
（5）PBM聚合物混凝土
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。葛洲坝枢纽过流面检修工程已多次使用PBM聚合物混凝土（砂浆），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、抗冲耐磨性能好等、特别适用于水下或潮湿状态下的混凝土面修补。
（6）环氧橡皮粉胶泥
环氧橡皮粉胶泥由环氧树脂、稀释剂、固化剂、偶联剂、增塑剂、弹性和惰性填料拌制而成，是一种弹性好、强度也比较高的柔性材料，主要用于混凝土的伸缩软缝修补。环氧橡皮粉胶泥配方见表2。
4 过流破损面形成原因、修补工艺及修补效果
4.1 过流面破坏形态及原因
4.1.1 均匀型磨损
泄水闸、冲沙闸的闸室底板及侧墙底部、消力池护坦底板等这些混凝土过流面在洪水推移质和挟沙水流的长期冲磨下，通常的破坏形态是均匀磨损，磨损结果使混凝土的中、粗骨料出露，或修补面（主要是铸石砂浆修补层）的均匀磨损剥离，磨损面上有零星的水流向沟槽。运行检修表明：泄水闸、冲沙闸过流面400#抗冲耐磨混凝土有良好的抗破损性能，铸石砂浆修补层抗冲耐磨性能也很好，这些过流面在水流冲磨下，通常形成均匀磨损
4.1.2 沟槽型磨损剥蚀
沟槽型磨损剥蚀主要发生在消力池护坦板水平段、斜坡段浇筑分块缝及伸缩缝上，在弧门侧止水及底止水破损射流处，新老混凝土接触面或不同的修补材料界面上也会发生。沟槽型磨损剥蚀使沿缝沿界面冲磨成V型槽，槽深可达数十毫米。
4.1.3 成块状剥离
在修补过的过流面上，因修补材料与老混凝土面结合不牢，在过流水冲击下，修补材料沿结合面成块状剥离。主要原因是修补材料选择不当，材料配制不合适，特别是修补界面工艺处理质量问题所致。
4.1.4 冲坑状破损
冲坑状破损主要发生在机组排沙底孔上游检修闸门底槛前后。大江机组排沙底孔每年汛期开启排沙，近几年水下检查时发现，极大多数排沙底孔检修闸门底槛和周边混凝土底板有冲坑，坑深有达数十厘米的，部分底槛钢板磨损。排沙底孔进水口流速4～5m/s，不属于高速水流区，底槛前沿2m处设置有纵向（与坝轴线平行）的底板软缝，但软缝基本上完好。
冲坑状破损的原因主要有以下几点：
（1）大江电站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#机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，裸露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）大江电站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形成的可能性。
（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；但是，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#机左、13#机右排砂底孔进口检修门底槛冲坑经过PBM聚合物混凝土铺填的简易修补后，在2001年、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。
4.2 过流面修补工艺
4.2.1 无水条件下的修补工艺
（1）除去修补面上的疏松物质和充填物，打毛基面，修补面边缘凿成垂面，基面清洗、排净积水、用风枪吹干。
（2）根据所选修补材料种类对修补面打底，涂刷界面处理剂。使用水泥类修补材料的，例如水泥混凝土、聚合物水泥混凝土等，修补前须在修补面上均匀地涂刷薄层水泥净浆或聚合物乳液水泥净浆作粘结剂，然后再填补混凝土。使用环氧类修补材料的，填补前应在修补面上先均匀地涂刷一层环氧基液。
（3）修补面填补水泥混凝土的，用平板震捣器震捣密实，稍后抹平表面，终凝后养护。修补面填补铸石砂浆的须分层（3～5cm）铺料震实、抹压平整，数小时后用湿草袋养护。修补面填补环氧砂浆的应分层（每层约2cm）覆盖，每层要反复抹压，补完后数小时方可进水。纵横缝上填充修补材料时必须用硬纸板导缝。水下修补面浇筑PBM聚合物混凝土的，修补面应彻底清除淤物，有条件的压水冲洗干净，以利修补材料与基面的结合。
4.2.2 水下（进水口）过流面修补
（1）无筋简易修补
开启闸孔冲淤，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。
（2）有筋方案修补
①水下检查，分为过流面普查和冲坑测量。冲坑测量采用网格法，由潜水员在水下结合水下摄像，以合适间隔（20cm～30cm）对冲坑进行纵横深测量定位，确定冲坑位置及修补面所需要的工程量。
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，锚筋顶应低于修补面3cm，钢筋网片与锚筋以及原混凝土内埋筋焊接连成整体。
⑤高压水清洗基坑面，根据浇筑材料作基坑分区、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、袋装浇筑料、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接合平整，清除残余的浇筑料。
冲坑修补期间，宜在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。
4.3 修补效果
(1)泄水、冲沙闸的闸室及消力池护坦过流面使用的二级配400#抗冲耐磨混凝土，其抗冲耐磨性能很好，经过多年的汛期高速水流（10～20m/s）冲磨，过流面呈均匀磨损，通常仅磨损出露中、小骨料。在过流面混凝土普遍磨损深度3～5cm时，采用铸石砂浆均匀修补，利用铸石骨料的耐磨特性，抵抗推移质及悬移质的冲磨破坏，其修补效果优于400#抗冲耐磨混凝土，而且铸石砂浆成本较低（成本为环氧砂浆的1/8），修补后，可以满足4～5年以上检修周期的抗冲耐磨修补效果。
(2)在泄水、冲沙闸的闸室侧墙下部、闸底板、门槽、底槛、消力池护坦等部位的高速水流区，过流面上局部冲坑、孔洞、沟槽、分缝面等的修补，通常采用环氧砂浆。以石英砂或铸石砂为骨料的环氧砂浆强度高，韧性好，与老混凝土面有很高的粘结强度，其修补面经久耐磨，具有很好的抗冲磨强度，抗冲耐磨性能优于400#混凝土和铸石砂浆。但是环氧砂浆成本较高，一般用作小范围修补比较合适，其修补效果完全满足检修周期需要。
(3)PBM聚合物混凝土骨料大多采用铸石砂，其性能适宜于水下或潮湿状态下的混凝土修补，通常用作在水下进行小范围混凝土破损面的修补。
水下修补使用PBM聚合物砂浆和963水下环氧砂浆浇筑材料，如采取无筋简易铺填冲坑，一般起不到好的修补效果。
水下混凝土面修补，特别是较大的水流速区混凝土底板冲坑应采用有筋修补，水下专业施工队伍施工。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、满铺的钢筋网片应与锚筋及原混凝土埋筋焊接连成整体，浇筑基面必须清洗彻底。水下工程严格控制施工质量，宜聘请具有水下工程监理资质的单位进行质量控制，实施修补质量的水下工序验收。
(4)泄水、冲沙闸的弧门面板底缘、底槛及侧轨等金属表面的高速水流过流部位，采用环氧金刚砂浆修补封闭，其抗冲耐磨蚀效果很好。环氧金刚砂浆由环氧树脂、稀释剂、增韧剂、固化剂、偶联剂以及铸石粉、金刚砂配制而成，具有优良的抗冲磨性能，高速过流部位金属表面采用环氧金刚砂浆修补，修补面可以承受长期的高速挟沙水流冲磨，能够很好的保护水下金属面不受损害，其检修周期可以达到8～10年。
