水电站大坝面板裂缝及缺陷处理技术研究与应用

1 引言

近年来，随着我国水电工程向高寒、高海拔区域延伸，面板裂缝问题愈发突出，亟需探索适应极端环境的修复技术。本文以某高寒地区水电站为例，其大坝最大坝高 92.3m ，面板混凝土设计标号为 C35F300W12。2022年安全评估发现，面板存在贯穿性裂缝、表面剥落及止水接缝破损等问题。本文结合该工程实际需求，从裂缝成因、材料优选、工艺创新及全生命周期管理等方面展开系统性研究，旨在形成一套科学、高效的修复技术体系。

2 工程概况与问题诊断

2.1 工程基本参数

该水电站位于某高寒山区，控制流域面积 625km² ，年均气温 5^∘C～10^∘C ，昼夜温差可达 20°C 。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程 2780.5m ，总库容 0.52 亿 m³ 。面板分 24 块，采用双层双向配筋设计，2018 年完成施工后因蓄水延迟，长期暴露于冻融循环环境中。

2.2 缺陷类型与分布

年检测结果显示，面板缺陷主要包括：

裂缝：Ⅰ类（宽度 <0.2mm ，非贯穿）、Ⅱ类（宽度 >0.2mm ，局部贯穿）、Ⅲ类（贯穿性裂缝，最大宽度 6mm ）；

表面损伤：冻融剥落面积占比 8.5% ，局部骨料外露；

接缝缺陷：SR 止水盖片老化开裂，渗漏点 12 处。

3 裂缝成因的多维度分析

3.1 环境与材料因素

高寒地区年均冻融循环达 150 次，混凝土内部孔隙水反复冻结膨胀产生结晶压，诱发微裂纹扩展并降低结构密实度。低温环境下（年均温 5°C ～10^∘C ）混凝土早期水化反应速率下降，导致收缩率增加 30% ，加剧了表面龟裂风险。粗骨料与胶凝材料热膨胀系数差异（实测差值 1.8×10^-6/^∘C ），在温度梯度下引发界面应力集中，加速裂缝形成。材料自身抗冻性（设计标号 F300）虽达标，但长期暴露于冻融环境仍超出其耐久性阈值。

3.2 结构与施工因素

堆石体因过渡料与主堆石区压缩模量差异（实测比值为 1:1.5），蓄水后产生不均匀沉降，诱导面板产生弯矩应力。施工期低温条件（日均温<5℃）下，养护措施未能满足混凝土临界强度发展需求，削弱了抗裂能力。面板分块浇筑间隔超规范限值，新老混凝土界面黏结强度降低，形成薄弱带。此外，延迟蓄水导致面板长期暴露于干湿交替环境，加剧了收缩裂缝发展。

4 分级修复技术与工艺创新

4.1Ⅰ类裂缝：聚脲涂层封闭技术

对于宽度小于 0.2mm 的Ⅰ类非贯穿性裂缝，采用高弹性聚脲材料进行封闭处理。修复过程中，聚脲涂层采用宽度 25cm、厚度不小于 2.5mm 的涂覆方案，确保覆盖裂缝并提供一定的延展冗余。该材料具备优异的低温柔韧性和延伸率（ ⩾400% ），可有效适应高寒地区混凝土微变形，避免二次开裂。

创新点：为提升材料在紫外暴露环境下的稳定性，技术团队在配方中引入纳米二氧化硅改性聚脲进行改性，有效提高抗老化能力，从而延长表面防护周期。

4.2Ⅱ类裂缝：复合灌浆修复技术

Ⅱ类裂缝由于具备一定深度和贯穿风险，处理上采用“开槽—灌浆—补强—防护”四位一体的综合修复路径。首先通过激光定位技术精准开设“V”型槽，深度控制在 4cm，宽度 3cm，避免扰动原有钢筋构造。灌浆阶段注入聚氨酯改性沥青类柔性材料，确保裂缝内部填充饱满，填充率控制在 95% 以上。随后，采用 HKEP2 型弹性环氧砂浆进行表面补强，其抗压强度达到 45MPa，黏结性能优异，能有效提升结构整体性。在最终防护阶段，表面均匀涂覆聚脲—氟碳复合涂层，提高其长期耐候性与耐化学侵蚀能力，特别适应冻融与紫外交替作用的高原环境。

工艺优化：灌浆工艺方面采用低压缓注法，既确保材料渗透性，又防止浆液流失至堆石体内部，避免结构空洞。

4.3Ⅲ类裂缝：预应力锚固联合修复技术

对于贯穿性强、变形大的Ⅲ类裂缝，则需从结构层面进行加固处理。首先凿除裂缝两侧松散或脱落混凝土，扩槽形成便于灌注的梯形断面。在裂缝两侧沿纵向布设 Φ25mm 精轧螺纹钢锚杆，间距控制在 50cm ，并施加50kN 的预应力，使其产生逆向压应力，从源头上抵消裂缝张拉趋势。随后采用超细水泥基浆液灌注封闭缝隙，灌浆结束后再涂覆弹性防渗涂层，形成新的防护屏障，显著提升了抗裂延寿性能，在力学恢复与防渗效果方面均表现优异。

4.4SR 止水接缝修复技术

针对止水带老化破损造成的渗漏问题，采用局部剥除与重构接缝相结合的方式进行整治。先以热风枪软化原 SR 材料后彻底清除破损段，再植入延伸率达 80% 的 SR2 型塑性止水带，搭接长度不少于 60cm ，确保新旧材料良好过渡与融合。接缝完成后在外部覆盖 EPDM 橡胶盖板，边缘采用双组分聚硫密封胶密封处理，形成“内嵌止水 + 外部封闭”双重防渗体系，显著提升止水区耐压与抗撕裂性能。

5 质量控制与智能化监测体系

5.1 材料性能验证

严格实验室验证修复材料适应性：聚脲涂层（SK902 型）经- ⋅30^∘C 低温弯折无裂纹，耐盐雾老化>5000 小时；环氧砂浆 28d 黏结强度 ⩾3.5MPa ，300 次冻融循环后质量损失率 <1% ；PTNECO 灌浆材料渗透系数 ⩽1× 10-9cm/s ，环保性通过 RoHS 六项重金属检测。

5.2 施工过程控制

融合智能化技术保障工艺精准性：基于BIM 模型与三维点云扫描数据，定位裂缝走向并优化开槽深度（误差 ⩽2mm) ）；灌浆阶段植入光纤传感器，实时监测浆液扩散轨迹与密实度，动态调整压力（0.2\~0.5MPa）；采用机器视觉喷涂机器人控制聚脲涂层厚度（ 2.5±0.1mm ）。关键工序（如锚杆预紧力施加）采用数字扭矩扳手校准，偏差 <±3% 。

5.3 长期健康监测

构建多参数实时感知网络：沿修复区布设 32 个光纤光栅应变计（精度±5μ ε）、16 支渗压计（量程 0～1MPa ）及温度传感器，每小时采集数据并传输至云平台。系统生成月度健康评估报告，指导针对性维护。

6 工程应用与效果评估

修复工程于 2023 年 10 月完成，经 6 个月监测可知，该项目的裂缝区域渗漏量降低 98% ，表面剥落未新增；锚固区应变值稳定在 ±50μ ε以内；SR 接缝耐水压能力提升至 2.0MPa ，本修复工作有效改善了工程质量。

7 结论与展望

本研究基于对高寒地区混凝土面板堆石坝裂缝成因的系统分析，提出了以裂缝分级为核心的差异化修复策略。工程应用表明，该修复方案在提高面板抗渗性、力学性能和耐久性方面成效显著，具备推广价值。未来建议进一步探索具有自愈合功能的新材料与碳纤维增强技术，以提升结构在极端环境下的长期稳定性与可持续性。

参考文献：

[1]GB/T501232019,土工试验方法标准[S].

[2] 张 伟 . 高 寒 地 区 混 凝 土 面 板 抗 冻 耐 久 性 研 究 [J]. 水 利 学报,2021,52(7):88-95.

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[4]某水电设计院.高海拔水电站大坝面板修复技术报告[R].2023.