大坝混凝土水下修补技术
张 捷
中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州，310014，[email protected]
摘要：水电站大坝混凝土普遍存在缺陷问题，如混凝土开裂、冲蚀、剥落等，对于水面以上
的缺陷，可以有多种处理材料与工艺，但对于水下部位的缺陷，受修补材料、设备及工艺的
限制，长期以来一直得不到有效的解决。曾有一些工程采用传统方法进行过处理，但效果均
不太好、寿命也不长。本文介绍了近来年开发的一系列水下修补材料，包括可以在水中快速
固化、强度非常高并可以进行薄层修补的PBM 聚合物混凝土，可以在水下进行快速封缝处理
的SXM 水下快速密封剂，可以在水下混凝土及钢结构表面涂刷并具有良好粘接力的环氧水下
涂料，可以对水下伸缩缝进行柔性处理的SR 防渗模块，以及可以在水中固化、综合性能优
异的双组份聚氨酯灌浆材料等，文章对材料的特性及适用范围进行了叙述，同时对目前常用
的水下检查与施工设备进行了介绍，并结合新安江电站大坝横缝水下处理（水下38米）、柘
溪水电站大坝劈头缝水下处理（最大水深60米）、四川龚嘴水电站冲砂底孔浮体闸门封水面
水下修补（水下60米）、云南漫湾电站水垫塘冲坑处理等工程实例，详细叙述了水下施工的
工艺。文章对国内目前水下处理的技术及发展现状进行了总结，并提出了进一步改进的方向，
对混凝土水下处理具有一定的指导意义。
关键词：混凝土水下修补；修补材料；PBM混凝土；施工工艺
1前言
在水电站大坝混凝土中，受材料、环境、运行条件等多方面因素的影响，经常会出现裂缝、冲坑、蜂窝等缺陷，为了保证大坝安全运行，一般均需对产生的缺陷进行修复处理。对于水位以上部位的缺陷，由于可选择的材料较多，工艺也较成熟，因此可通过常规的灌、贴、嵌、涂等方法进行修复处理。而对于水下部位的缺陷，则受材料与施工工艺、设备的影响，长期以来一直得不到有效的解决，对一些急需处理的工程也只能采用常规的方法来处理，其结果往往是不理想的。如比较典型的湖南柘溪电站，其大坝为支墩坝，在建成后即发现大坝上游面形成劈头裂缝，并产生较大漏水险情，针对这一情况，电站先后曾采用瓷泥、手抹环氧胶泥和压贴环氧砂浆块等材料多次进行水下堵漏处理，在当时取得了一定的效果，但随着时间推移，原粘贴块普遍存在松动脱落现象，从而形成新的渗漏。
近年来，在科研、施工企业的共同努力下，开发出了一系列可用于混凝土水下修补的材料，在施工设备和工艺上也有了很大的提高，解决了多项水下处理工程。本文介绍了一些目前常用的水下混凝土缺陷修补材料，并结合工程应用实例介绍了施工工艺，旨在为今后类似工程的处理提供一个参考。
643
2水下修补材料简介
2.1水下修补材料的特点
对于水下修补来说，关键是要解决好修补材料在水中与混凝土的粘接，其实质问题就是材料在带水的混凝土表面必须能够很好地铺展。由于目前用于混凝土缺陷修补的材料大多为有机高分子材料，这些材料在干燥的混凝土表面能够很好地铺展，因此处理效果较好，但在潮湿表面则效果较差，究其原因是由于大多数无机材料（如混凝土、木材等）均为高表面能材料，对水的吸附很大，因而在有水情况下，在其表面会存在着受表面剩余力场作用被吸附在表面的附着水，采用一般的方法无法将其排走。在这种情况下进行粘合，当粘合剂对被粘物表面进行覆盖时，在界面上不可避免地会留下一层水层，如不采取措施，就相当于在粘接面上形成了一个薄弱表面层，因而使得粘接效果大大下降。为了解决这个问题，必须从分子结构的设计上着手，在粘合剂分子结构中利用接枝或共混作用引入强极性亲水基团，这样当粘合剂分子与潮湿界面接触时，亲水性基团就可以溶于水膜，从而既大大降低了粘合剂与水膜的界面张力，同时也降低了水膜的表面张力，因此有利于粘合剂在水膜中自发溶解和扩散，这样就可以减少水的影响，使粘合剂的效果得到充分发挥，由此增加材料与潮湿面的粘接。另外，在粘合剂中添加一些能吸水的无机填料也是提高粘合剂与潮湿面粘接强度的一个有效的办法，当这些吸水性无机填料与水接触时，就发生不可逆的化学反应形成稳定的化合物，从而减少水的影响。
本介绍的几种水下修补用的材料正是基于上述理论的指导，对其分子结构进行了改性，在分子结构中引入了较多的亲水性基团，从而保证了材料与潮湿混凝土的良好粘接。
2.2水下修补材料种类及特点
2.2.1 聚合物混凝土
聚合物混凝土（Polymer Concrete）是以高分子树脂为粘接剂，将其与骨料（石子、砂、水泥）固结而形成的混凝土，它同时具有高分子和无机材料的综合性能。通过选择不同类型的树脂品种可以得到具有不同性能的混凝土，同时还可以通过调节固化剂及促进剂的用量，来改变它在水中的固化速度，从而可以达到快速固化的目的。
目前常用于水下的聚合物混凝土有PBM 水下混凝土 和HK 系列环氧混凝土，表1是它们的基本性能：
表1 两种水下聚合物混凝土的基本性能 项 目
抗压强度
抗折强度
抗拉强度
粘接强度
采用上述两种材料制备的聚合物混凝土均有较高的强度，并且与混凝土和金属有极高的粘接强度。由于它们是通过高分子树脂将骨料包裹起来，通过调整树脂的粘度，可以做到胶料与骨料在水中流动过程中不离析，这样可以保证在水中可以直接通过水层进行浇筑，而不需要采用拔管 644PBM 水下混凝土 >40MPa >14 MPa >6 MPa >2 MPa HK 环氧混凝土 >60MPa >20MPa >10MPa >2MPa
等措施，因此大大方便施工，这也是聚合物混凝土与水下不分散混凝土(NDC)的最大区别。同时由于这两类材料的初始粘度均不是很高，因此在水中可自流平、自密实，并可以进行薄层浇筑，这也是聚合物混凝土的优势。
上述两种聚合物混凝土均能用于水下混凝土的修补，但其应用范围有所不同。PBM聚合物混凝土是以不饱和聚酯为胶结料而形成的具有互穿网络结构的材料，通过引发剂引发链增长反应，因此可在水中快速固化，它的强度增长迅速，数小时即可投入使用，一天的抗压强度可达到30MPa 以上，适用于水下混凝土缺陷的快速修补。同时PBM 只适用于长期处于水中的混凝土的修补，而对于处于水位变化区的混凝土的修补则不合适。而环氧混凝土是以环氧树脂作为胶结料，其固化产物的性能可在较大范围内调节，既可以制备高强度混凝土，也可以制成增韧混凝土甚至是弹性环氧混凝土，其固化速度也可通过加入不同的固化剂来调节，虽然相比PBM 而言速度要慢得多，但其综合性能较PBM 更优，同时还可以用于水位变化区混凝土的修补，因此有较广泛的适用性。
聚合物混凝土曾在葛洲坝大江电厂排砂底孔冲坑处理、湖南柘溪电站大坝劈头缝表面处理、云南漫湾电站水垫塘冲坑处理、青铜峡泄水孔底板淘空水下处理等工程中应用。
2.2.2 SXM水下快速密封剂
SXM 是一种双组份快速密封剂，具有水下不分散、固化快、与水下混凝土粘接力强、无毒、使用方便等特点，可用于水下混凝土裂缝的密封、孔洞的修补，也可用于大坝混凝土伸缩缝、裂缝在进行水下化学灌浆时的灌浆管埋设及缝面止封处理等。其固化速度可在一定范围内进行调节，以满足不同工程的需要。SXM－2的性能指标见表2。
表2 SXM－2水下快速密封剂基本指标 项 目
外 观
凝结时间
（分） （20±2C）
强度指标
抗压强度（MPa）
抗折强度（MPa）
抗拉强度（MPa）
粘接强度（MPa）
2.2.3 水下环氧涂料（粘接剂）
HK 系列环氧涂料是以环氧树脂为主，通过添加增韧剂、活化剂、固化剂等一系列的助剂而制成，以适应不同的工程需要。其中HK-963水下涂料在分子结构中引入了强极性亲水基团，并采用专用的的水下固化剂，使得它在水中具有较好的涂刷性能，且与钢板、混凝土等材料有着很强的粘接力，广泛适用于水下工程的缺陷修补、结构补强、表面保护等等，其基本性能见表3。
645O 指 标 A 组分 B 组分 初凝 终凝 4小时 14.5 3.8 1.8 1.3 8小时 17.6 3.9 2.0 1.2 27.3 6.6 2.9 1.5 灰色粉末 无色透明液体
表3 HK-963水下涂料基本性能 性 能
表干（小时）固化时间 实干（小时）
干燥面
粘接强度(MPa) 饱和面干
水下
附着力（级）
抗 冲（kg·cm）
抗 弯(mm)
由于HK963既能与潮湿混凝土粘接，又能与大多数有机高分子材料粘合，因此它也经常作为其它修补材料的粘结剂使用。
2.2.4 混凝土伸缩缝水下柔性处理材料——SR防渗模块
SR 防渗模块，是由SR 塑性止水材料、SR混凝土防渗盖片、HK963水下粘合剂等系列配套止水材料复合而成。SR塑性止水材料具有塑性大、适应变形能力强、抗老化性能好等特点，是伸缩缝及混凝土裂缝迎水面常用的止水材料；SR 防渗盖片是一种片状防渗材料，可以有效地处理混凝土表面的细微裂缝，并可以防止新裂缝产生的渗漏。SR 防渗模块可以在水中混凝土迎水表面直接施工，形成表面柔性防渗体系，具有施工简便、接缝变形适应性强、防渗效果好、检查维修方便、材料成本低等特性，常用于混凝土大坝及其它建筑物的变形缝的防渗处理。
SR 防渗模块曾先后在新安江电厂大坝横缝水下处理、福建棉花滩电站大坝水下裂缝处理、三峡三期围堰水下裂缝处理等工程中得到成功应用。
2.2.5 双组份LW 水溶性聚氨酯化学灌浆材料
水溶性聚氨酯化学灌浆材料是一种亲水性的高分子堵水材料，它遇水后先乳化分散，同时水又作为它的固化剂最终使其固结，其固结体是一种具有较好延伸性的弹性体，能适应活动缝的变形，同时材料本身还具有遇水膨胀的性能，其水膨胀性可以调节，最高可大于100%，因此它同时具有“弹性止水”和“以水止水”双重功效，是一种理想的活动裂缝处理材料。当用于水下裂缝或结构缝灌浆处理时，为保证灌浆效果，一般常采用双组份LW 化学灌浆材料，它的好处是可以减少水对材料固化的影响，保证固结体的质量。
LW 水溶性聚氨酯化学灌浆材料曾在湖北丹江口电站水下裂缝处理、三峡三期围堰水下裂缝处理、福建棉花滩电站大坝水下裂缝处理等多个水下裂缝处理工程中得到应用，效果较好。
3 水下检查及施工设备
3.1水下检查设备
水下检查是诊断水下混凝土缺陷的最直接的手段，也是制定各种处理方案的前提。水下检查最初主要通过潜水员在水下的探摸及观察，对水中情况的掌握完全取决于潜水员本人，测量数据精度低。水下录像技术的出现，使得潜水员可以携带装有照明灯、电缆的水下摄像机进行水下检查，并将检查的情况通过电缆传送到地面上的监视器，使得无法进行潜水的技术人员可以对水下的情况进行认真的分析，从而制定相应的技术措施，目前水下摄像系统精度非常高，可以辨别毫米级的裂缝。
由于一般潜水员的潜水深度在60米以内，因此上述方法对于深水部位的水下检查就受到了 646指标4～88～12>3.0>2.5>2.01～2501～2
限制，目前水下遥控潜水器(ROV)的研究也得到了较好的发展，它的工作方式是由水面上的工作人员，通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声纳等专用设备进行观察，它还能通过机械手进行水下作业。
采用现代化的声、光、电技术，目前国内已研制成功了堤坝安全检测水下机器人，它的基本原理是：以ROV 为载体，以既可探测堤坝表面状态的高频图像声纳，又可穿入坝体内部进行探测的剖面声纳为主要探测手段，辅以水下微光电视及其它声学和电磁监听等手段和工具，从水下迎水面对坝体进行全方位巡航查扫和诊断，从而给出一个完整的堤坝坝体的破损和隐患状态图，这将大大有利于混凝土大坝水下缺陷的检查与处理。
3.2水下施工设备
水下施工质量的好坏与施工设备的机械化程度有密切的关系，目前比较先进的是采用体积小、动力大、效率高的液压动力站作为动力源，通过传输管带动液压钻、液压镐、液压切割机、液压铲、液压链锯等工具，在水下实施清缝、开槽、钻孔、立模、锚固等各种操作。对于水下混凝土缺陷修补，一些常用的施工设备见表4：
表4 常用水下施工设备 设备名称
液压动力
站
液压镐
金刚石链
锯
潜孔钻
手持钻
磨削器
高压水切
割
4 水下混凝土缺陷修补典型应用实例
4.1新安江水电站上游面伸缩缝水下防渗施工
新安江水电站经过几十年的运行后，大坝的伸缩缝止水结构有所老化，坝体部分坝段的渗水量有增大的趋势。对于大坝廊道内的渗漏现象，多年来曾经从廊道内进行过不少次防渗处理，但不能达到根治的目的。2001年2月，由国家电力公司华东勘测设计研究院科研所和上海海上救助打捞局大坝水下工程分公司合作，利用先进的水下施工技术，直接在上游面对混凝土伸缩缝进行了水下防渗处理，包括水下灌浆及表面粘贴防渗盖片，取得了较好的效果。
具体的施工工艺如下：
(1)水下检查：通过水下检查确定混凝土裂缝的长度和宽度，为处理方案提供可靠的依据； 647功 能 及 主 要 参 数 提供各种液压工具动力源，有双回路、单回路等多种型号，输出流量为30lmp，输出压力14MPa 适用于混凝土、岩石的破碎，冲击频率1400～1800次/分，工作压力10.5～14MPa 可对混凝土进行部分切割、拐角切割和插入切割等，切割深度最大可达475mm，工作压力7～14MPa 用于在混凝土、岩石等硬制介质上钻孔，最大钻孔直径50mm，最大钻深可达6m，工作压力10.5～14MPa 轻型钻孔设备，携带方便，工作压力7～14MPa 手持式磨削器，可以对各种金属和砖石进行磨削，工作压力10.5～14MPa 可对水下混凝土进行高压切割，压力可达100 MPa以上
(2)混凝土表面清理：沿裂缝或结构缝两侧，用液压磨削器进行打磨，以清除混凝土表面的附着物和疏松层；
(3)扩缝：用金刚石链锯对原有伸缩裂缝进行扩缝，使其成为宽约8mm，深约100mm 的缝槽，以保证灌浆的效果；
(4)埋设灌浆管：按一定的间距埋设灌浆管，并用SXM 快速密封剂进行封缝，并进行压红墨水试验以检查封缝效果，直至不渗漏；
(5)灌浆：采用双组份LW 聚氨酯化学灌浆材料自下而上进行灌浆，灌浆结束扎紧灌浆管；
(6)粘贴SR 防渗模块：待浆液固化后凿除灌浆管，修整表面，并沿缝两侧涂刷HK 水下涂料，粘贴SR 防渗模块，并用射钉枪固定扁铁压条。
通过上述处理，使得在原伸缩缝表面形成了新的两道止水，从而保证了防渗效果。此次处理的水深为38.2m，其意义在于将平时用于旱地施工的处理方案在水下得以实现，并且被证明此方法施工简便，容易操作，止水效果好，从而为大坝普遍存在的裂缝的水下处理积累了宝贵的经验。
4.2柘溪水电站大坝劈头缝水下处理
湖南柘溪水电站大坝为支墩坝，其大坝劈头缝自建成起就已出现，蓄水后形成较大的渗漏，1支墩最大渗漏量达到40L/s，从而影响到大坝的安全运行。电厂曾进行过二次水下处理，但均未取得长久的效果。针对柘溪电站的特点，华东院科研所开展了专题研究，提出了“刚柔结合，综合处理”的处理方案(见图1)，即考虑到支墩坝的特点，决定先沿劈头缝凿槽，嵌填SR 塑性止水材料，表面则采用增韧环氧树脂混凝土进行保护，该方案以柔性的SR 材料作为防渗主体，辅以增韧环氧树脂混凝土刚性防水两者相辅相成，共同发挥作用。
该方案于2001年至2003年实施，经上述处理后，总渗漏量减少95%以上。
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图1 柘溪大坝劈头缝处理示意图
4.3四川龚嘴电站冲砂底孔检修门段修复工程
648
四川龚嘴电站10号冲砂底孔，自投运以来已运行30余年，受高速挟沙水流的影响，底板及侧墙冲蚀严重，已影响到了底孔的正常运行，但由于检修门无法密封，从而无法对底孔进行有效的处理。为创造检修门段洞内旱地施工条件，本次采用了浮体闸门坝前深水封堵底孔进水口。但由于进水口处原坝面经冲蚀后已严重不平整，因此必须首先对混凝土表面进行修补，使其形成一平面，保证浮体闸门的密封。处理方法是在上游面安置整体大型模板浇筑PBM 混凝土（模板外形尺寸为高16.2m，宽9.9m，上下两侧宽60cm，左右两侧宽40cm），由于其位置深（约水下60米）、
，因此若按以往的方法施工，将要耗费大量的人力，混凝土浇筑方量大（需浇筑PBM 混凝土6.5m ）
处理工效极差。为解决这一问题，进行了大量的试验，调整了材料的配方，使其能够通过导管直接将PBM 材料从水面上浇筑至水下约60米深的模板内，实现对表面混凝土的修复。本工程于2004年初实施，PBM混凝土浇筑5天后，浮体门封堵成功，满足了冲砂底孔修补的要求。本工程首创了水下60米深直接浇筑PBM 混凝土的先例，大大提高了水下施工的工作效率。
4.4云南漫湾电厂水垫塘冲坑水下快速修补工程
云南漫湾电厂水垫塘经过近10年的运行，冲蚀严重，形成了大量的冲坑，部分钢筋裸露甚至架空。受运行条件限制，每天只能停机5、6个小时进行修补，而且处理后1～2小时就要发电，经受高速水流的冲刷，因此需要修补材料具有固化快、强度高的特点。2003年，分别采用PBM 和快硬NDC 混凝土进行了修补，均采用机械拌制，实现了快速施工。经两个汛期运行后检查，PBM完全能满足要求，而快硬NDC 的抗冲蚀性能则略差。
施工工艺如下：
（1）水下检查；
（2）混凝土破损面修整：将冲坑破损较浅的边缘用水下切割设备垂直挖除一部分，将冲坑由锅底形变为漏斗形或桶形，以增加新老混凝土的粘结，提高修补材料的抗冲击和抗磨蚀能力；
（3）钻孔布筋、立模：根据原钢筋的破坏程度及冲坑的大小确定是否需要进行布筋，若需要，则用水下钻孔设备钻孔，用HK-983水下锚固剂根据设计要求进行植筋，再用水下焊接技术进行布筋，然后立模准备浇筑；
（4）浇筑水下混凝土：根据建筑物的性质确定采用何种水下混凝土。一般来说，对于大体积混凝土(深度一般大于30cm)的浇筑，考虑到经济性，可采用NDC 水下不分散混凝土。而对于较浅的冲坑，则需要采取PBM 或HK 水下环氧混凝土，而如果有快速修补要求的部位最好采用PBM 水下混凝土。
5 水下处理效果分析及发展方向
大坝混凝土水下修补作为一门新兴的技术在水电行业已经得到较好的发展，近几年来先后有十多个电站开展了水下修补处理，均取得了较为显著的成效，为大坝的安全运行提供了保证。
从已完成的工程实例分析，有以下两个特点：
(1)目前对于混凝土裂缝的水下处理效果比较理想。
对于大坝发生的渗漏，如果通过水下检查能够在上游面发现渗水源头，那么就可以通过灌浆、嵌缝、粘贴防渗盖片等水下处理方法来进行处理，由于直接在上游面进行处理，再加之目前的处理材料及工艺设备均能够满足要求，因此处理效果比较理想，而且往往都是立竿见影的。如三峡三期围堰，处理前廊道内最大渗漏量为8350 L/min，经处理后渗漏量减少为250 L/min；棉花滩水下裂缝，处理前廊道内渗漏量为3l/s，经处理后基本上不漏；丹江口水下36米水平缝经处理 6493
后，廊道里的渗漏量减少到处理前的0.3%。
(2)对于水下冲坑处理的效果还有待提高。
对于混凝土冲坑的水下修补，也做了不少工程，但从实际效果上看不如水下裂缝的明显，特别是对于流速较大部位的混凝土冲坑，往往在修补以后运行一段时间后又会重新出现新的破损。究其原因可能还是与施工工艺有关，因为仅仅从材料的性能指标上来看，已完全能满足混凝土修补的需要，但由于在水下处理时，对于新老混凝土接触面无法做到清理干净，这是因为冲坑大多出现在水平位置，当对基面进行清理后，水中的沉淀物不可避免地又会落在粘接面上，这样就会大大影响粘接效果。
水下修补要得到更好的发展，还必须在以下几方面做好工作：
(1)要开发出更多的水下修补材料，特别是材料的施工性能需进一步改善。
从试验数据来看，目前许多材料的性能已经相当优秀，但是如何保证这些性能能够在实际使用中充分发挥才是更重要的。因为水下施工往往是由潜水员穿戴着笨拙的服装在水下进行操作，与实验室相比条件要苛刻得多，因此必须使这些材料具有良好的施工性能(可操作性)，使得潜水员在水下能够非常容易地进行涂刷、嵌填、粘贴等操作，这样才能充分发挥材料的功效，而这一点目前大多数材料还是有欠缺的。
(2)工程处理的长期效果需加强跟踪。
对于水电站大坝来说，其耐久性是非常重要的。由于水下处理开展的时间不算太长，而且修补材料也在不断发展，因此必须对它的长期耐久性进行跟踪观察，及时掌握第一手资料，为今后的工作打基础。如PBM 混凝土，用于水下混凝土缺陷的修补效果非常好，但经过长期观察，发现当用于水位变化部位时，容易发生PBM 混凝土剥落的现象，因此在这些部位进行修补时就不能使用，而必须使用环氧混凝土。
(3)工程处理的费用需大大下降。
对于水下处理工程，由于需要大量的潜水员进行水下操作，而目前专业的水下处理队伍相对较少，因此其费用是相当昂贵的。同样的工程水下处理与水上处理费用可能相差十多倍乃至数十倍，这也是制约水下处理技术发展的一个重要因素。这一方面需要形成专业的施工队伍，通过提高工效来降低单位成本，另一方面也需要重视混凝土的水下缺陷，把它作为一项重要工作来对待，通过扩大水下处理的市场来吸引更多的专业施工队伍。
6结语
大坝混凝土水下缺陷是个普遍存在的问题，但长期以来一直没有得到很好的处理。随着水下处理材料及设备工艺的发展，使得我们对于混凝土缺陷的水下修补有了更好的处理方案，这对于大坝的安全运行无疑是十分有利的。虽然这些材料还处于初期应用阶段，并非十分成熟，但相信随着工程经验的积累，在实践中不断改善，这些材料一定会越来越完善，其应用前景是十分广阔的。
作者简介：张捷（1964～），男，华东勘测设计研究院大坝安全工程公司总工程师，教授级高工，主要从事混凝土缺陷修补材料的研究、开发及应用工作。
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大坝混凝土水下修补技术
张 捷
中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州，310014，[email protected]
摘要：水电站大坝混凝土普遍存在缺陷问题，如混凝土开裂、冲蚀、剥落等，对于水面以上
的缺陷，可以有多种处理材料与工艺，但对于水下部位的缺陷，受修补材料、设备及工艺的
限制，长期以来一直得不到有效的解决。曾有一些工程采用传统方法进行过处理，但效果均
不太好、寿命也不长。本文介绍了近来年开发的一系列水下修补材料，包括可以在水中快速
固化、强度非常高并可以进行薄层修补的PBM 聚合物混凝土，可以在水下进行快速封缝处理
的SXM 水下快速密封剂，可以在水下混凝土及钢结构表面涂刷并具有良好粘接力的环氧水下
涂料，可以对水下伸缩缝进行柔性处理的SR 防渗模块，以及可以在水中固化、综合性能优
异的双组份聚氨酯灌浆材料等，文章对材料的特性及适用范围进行了叙述，同时对目前常用
的水下检查与施工设备进行了介绍，并结合新安江电站大坝横缝水下处理（水下38米）、柘
溪水电站大坝劈头缝水下处理（最大水深60米）、四川龚嘴水电站冲砂底孔浮体闸门封水面
水下修补（水下60米）、云南漫湾电站水垫塘冲坑处理等工程实例，详细叙述了水下施工的
工艺。文章对国内目前水下处理的技术及发展现状进行了总结，并提出了进一步改进的方向，
对混凝土水下处理具有一定的指导意义。
关键词：混凝土水下修补；修补材料；PBM混凝土；施工工艺
1前言
在水电站大坝混凝土中，受材料、环境、运行条件等多方面因素的影响，经常会出现裂缝、冲坑、蜂窝等缺陷，为了保证大坝安全运行，一般均需对产生的缺陷进行修复处理。对于水位以上部位的缺陷，由于可选择的材料较多，工艺也较成熟，因此可通过常规的灌、贴、嵌、涂等方法进行修复处理。而对于水下部位的缺陷，则受材料与施工工艺、设备的影响，长期以来一直得不到有效的解决，对一些急需处理的工程也只能采用常规的方法来处理，其结果往往是不理想的。如比较典型的湖南柘溪电站，其大坝为支墩坝，在建成后即发现大坝上游面形成劈头裂缝，并产生较大漏水险情，针对这一情况，电站先后曾采用瓷泥、手抹环氧胶泥和压贴环氧砂浆块等材料多次进行水下堵漏处理，在当时取得了一定的效果，但随着时间推移，原粘贴块普遍存在松动脱落现象，从而形成新的渗漏。
近年来，在科研、施工企业的共同努力下，开发出了一系列可用于混凝土水下修补的材料，在施工设备和工艺上也有了很大的提高，解决了多项水下处理工程。本文介绍了一些目前常用的水下混凝土缺陷修补材料，并结合工程应用实例介绍了施工工艺，旨在为今后类似工程的处理提供一个参考。
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2水下修补材料简介
2.1水下修补材料的特点
对于水下修补来说，关键是要解决好修补材料在水中与混凝土的粘接，其实质问题就是材料在带水的混凝土表面必须能够很好地铺展。由于目前用于混凝土缺陷修补的材料大多为有机高分子材料，这些材料在干燥的混凝土表面能够很好地铺展，因此处理效果较好，但在潮湿表面则效果较差，究其原因是由于大多数无机材料（如混凝土、木材等）均为高表面能材料，对水的吸附很大，因而在有水情况下，在其表面会存在着受表面剩余力场作用被吸附在表面的附着水，采用一般的方法无法将其排走。在这种情况下进行粘合，当粘合剂对被粘物表面进行覆盖时，在界面上不可避免地会留下一层水层，如不采取措施，就相当于在粘接面上形成了一个薄弱表面层，因而使得粘接效果大大下降。为了解决这个问题，必须从分子结构的设计上着手，在粘合剂分子结构中利用接枝或共混作用引入强极性亲水基团，这样当粘合剂分子与潮湿界面接触时，亲水性基团就可以溶于水膜，从而既大大降低了粘合剂与水膜的界面张力，同时也降低了水膜的表面张力，因此有利于粘合剂在水膜中自发溶解和扩散，这样就可以减少水的影响，使粘合剂的效果得到充分发挥，由此增加材料与潮湿面的粘接。另外，在粘合剂中添加一些能吸水的无机填料也是提高粘合剂与潮湿面粘接强度的一个有效的办法，当这些吸水性无机填料与水接触时，就发生不可逆的化学反应形成稳定的化合物，从而减少水的影响。
本介绍的几种水下修补用的材料正是基于上述理论的指导，对其分子结构进行了改性，在分子结构中引入了较多的亲水性基团，从而保证了材料与潮湿混凝土的良好粘接。
2.2水下修补材料种类及特点
2.2.1 聚合物混凝土
聚合物混凝土（Polymer Concrete）是以高分子树脂为粘接剂，将其与骨料（石子、砂、水泥）固结而形成的混凝土，它同时具有高分子和无机材料的综合性能。通过选择不同类型的树脂品种可以得到具有不同性能的混凝土，同时还可以通过调节固化剂及促进剂的用量，来改变它在水中的固化速度，从而可以达到快速固化的目的。
目前常用于水下的聚合物混凝土有PBM 水下混凝土 和HK 系列环氧混凝土，表1是它们的基本性能：
表1 两种水下聚合物混凝土的基本性能 项 目
抗压强度
抗折强度
抗拉强度
粘接强度
采用上述两种材料制备的聚合物混凝土均有较高的强度，并且与混凝土和金属有极高的粘接强度。由于它们是通过高分子树脂将骨料包裹起来，通过调整树脂的粘度，可以做到胶料与骨料在水中流动过程中不离析，这样可以保证在水中可以直接通过水层进行浇筑，而不需要采用拔管 644PBM 水下混凝土 >40MPa >14 MPa >6 MPa >2 MPa HK 环氧混凝土 >60MPa >20MPa >10MPa >2MPa
等措施，因此大大方便施工，这也是聚合物混凝土与水下不分散混凝土(NDC)的最大区别。同时由于这两类材料的初始粘度均不是很高，因此在水中可自流平、自密实，并可以进行薄层浇筑，这也是聚合物混凝土的优势。
上述两种聚合物混凝土均能用于水下混凝土的修补，但其应用范围有所不同。PBM聚合物混凝土是以不饱和聚酯为胶结料而形成的具有互穿网络结构的材料，通过引发剂引发链增长反应，因此可在水中快速固化，它的强度增长迅速，数小时即可投入使用，一天的抗压强度可达到30MPa 以上，适用于水下混凝土缺陷的快速修补。同时PBM 只适用于长期处于水中的混凝土的修补，而对于处于水位变化区的混凝土的修补则不合适。而环氧混凝土是以环氧树脂作为胶结料，其固化产物的性能可在较大范围内调节，既可以制备高强度混凝土，也可以制成增韧混凝土甚至是弹性环氧混凝土，其固化速度也可通过加入不同的固化剂来调节，虽然相比PBM 而言速度要慢得多，但其综合性能较PBM 更优，同时还可以用于水位变化区混凝土的修补，因此有较广泛的适用性。
聚合物混凝土曾在葛洲坝大江电厂排砂底孔冲坑处理、湖南柘溪电站大坝劈头缝表面处理、云南漫湾电站水垫塘冲坑处理、青铜峡泄水孔底板淘空水下处理等工程中应用。
2.2.2 SXM水下快速密封剂
SXM 是一种双组份快速密封剂，具有水下不分散、固化快、与水下混凝土粘接力强、无毒、使用方便等特点，可用于水下混凝土裂缝的密封、孔洞的修补，也可用于大坝混凝土伸缩缝、裂缝在进行水下化学灌浆时的灌浆管埋设及缝面止封处理等。其固化速度可在一定范围内进行调节，以满足不同工程的需要。SXM－2的性能指标见表2。
表2 SXM－2水下快速密封剂基本指标 项 目
外 观
凝结时间
（分） （20±2C）
强度指标
抗压强度（MPa）
抗折强度（MPa）
抗拉强度（MPa）
粘接强度（MPa）
2.2.3 水下环氧涂料（粘接剂）
HK 系列环氧涂料是以环氧树脂为主，通过添加增韧剂、活化剂、固化剂等一系列的助剂而制成，以适应不同的工程需要。其中HK-963水下涂料在分子结构中引入了强极性亲水基团，并采用专用的的水下固化剂，使得它在水中具有较好的涂刷性能，且与钢板、混凝土等材料有着很强的粘接力，广泛适用于水下工程的缺陷修补、结构补强、表面保护等等，其基本性能见表3。
645O 指 标 A 组分 B 组分 初凝 终凝 4小时 14.5 3.8 1.8 1.3 8小时 17.6 3.9 2.0 1.2 27.3 6.6 2.9 1.5 灰色粉末 无色透明液体
表3 HK-963水下涂料基本性能 性 能
表干（小时）固化时间 实干（小时）
干燥面
粘接强度(MPa) 饱和面干
水下
附着力（级）
抗 冲（kg·cm）
抗 弯(mm)
由于HK963既能与潮湿混凝土粘接，又能与大多数有机高分子材料粘合，因此它也经常作为其它修补材料的粘结剂使用。
2.2.4 混凝土伸缩缝水下柔性处理材料——SR防渗模块
SR 防渗模块，是由SR 塑性止水材料、SR混凝土防渗盖片、HK963水下粘合剂等系列配套止水材料复合而成。SR塑性止水材料具有塑性大、适应变形能力强、抗老化性能好等特点，是伸缩缝及混凝土裂缝迎水面常用的止水材料；SR 防渗盖片是一种片状防渗材料，可以有效地处理混凝土表面的细微裂缝，并可以防止新裂缝产生的渗漏。SR 防渗模块可以在水中混凝土迎水表面直接施工，形成表面柔性防渗体系，具有施工简便、接缝变形适应性强、防渗效果好、检查维修方便、材料成本低等特性，常用于混凝土大坝及其它建筑物的变形缝的防渗处理。
SR 防渗模块曾先后在新安江电厂大坝横缝水下处理、福建棉花滩电站大坝水下裂缝处理、三峡三期围堰水下裂缝处理等工程中得到成功应用。
2.2.5 双组份LW 水溶性聚氨酯化学灌浆材料
水溶性聚氨酯化学灌浆材料是一种亲水性的高分子堵水材料，它遇水后先乳化分散，同时水又作为它的固化剂最终使其固结，其固结体是一种具有较好延伸性的弹性体，能适应活动缝的变形，同时材料本身还具有遇水膨胀的性能，其水膨胀性可以调节，最高可大于100%，因此它同时具有“弹性止水”和“以水止水”双重功效，是一种理想的活动裂缝处理材料。当用于水下裂缝或结构缝灌浆处理时，为保证灌浆效果，一般常采用双组份LW 化学灌浆材料，它的好处是可以减少水对材料固化的影响，保证固结体的质量。
LW 水溶性聚氨酯化学灌浆材料曾在湖北丹江口电站水下裂缝处理、三峡三期围堰水下裂缝处理、福建棉花滩电站大坝水下裂缝处理等多个水下裂缝处理工程中得到应用，效果较好。
3 水下检查及施工设备
3.1水下检查设备
水下检查是诊断水下混凝土缺陷的最直接的手段，也是制定各种处理方案的前提。水下检查最初主要通过潜水员在水下的探摸及观察，对水中情况的掌握完全取决于潜水员本人，测量数据精度低。水下录像技术的出现，使得潜水员可以携带装有照明灯、电缆的水下摄像机进行水下检查，并将检查的情况通过电缆传送到地面上的监视器，使得无法进行潜水的技术人员可以对水下的情况进行认真的分析，从而制定相应的技术措施，目前水下摄像系统精度非常高，可以辨别毫米级的裂缝。
由于一般潜水员的潜水深度在60米以内，因此上述方法对于深水部位的水下检查就受到了 646指标4～88～12>3.0>2.5>2.01～2501～2
限制，目前水下遥控潜水器(ROV)的研究也得到了较好的发展，它的工作方式是由水面上的工作人员，通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声纳等专用设备进行观察，它还能通过机械手进行水下作业。
采用现代化的声、光、电技术，目前国内已研制成功了堤坝安全检测水下机器人，它的基本原理是：以ROV 为载体，以既可探测堤坝表面状态的高频图像声纳，又可穿入坝体内部进行探测的剖面声纳为主要探测手段，辅以水下微光电视及其它声学和电磁监听等手段和工具，从水下迎水面对坝体进行全方位巡航查扫和诊断，从而给出一个完整的堤坝坝体的破损和隐患状态图，这将大大有利于混凝土大坝水下缺陷的检查与处理。
3.2水下施工设备
水下施工质量的好坏与施工设备的机械化程度有密切的关系，目前比较先进的是采用体积小、动力大、效率高的液压动力站作为动力源，通过传输管带动液压钻、液压镐、液压切割机、液压铲、液压链锯等工具，在水下实施清缝、开槽、钻孔、立模、锚固等各种操作。对于水下混凝土缺陷修补，一些常用的施工设备见表4：
表4 常用水下施工设备 设备名称
液压动力
站
液压镐
金刚石链
锯
潜孔钻
手持钻
磨削器
高压水切
割
4 水下混凝土缺陷修补典型应用实例
4.1新安江水电站上游面伸缩缝水下防渗施工
新安江水电站经过几十年的运行后，大坝的伸缩缝止水结构有所老化，坝体部分坝段的渗水量有增大的趋势。对于大坝廊道内的渗漏现象，多年来曾经从廊道内进行过不少次防渗处理，但不能达到根治的目的。2001年2月，由国家电力公司华东勘测设计研究院科研所和上海海上救助打捞局大坝水下工程分公司合作，利用先进的水下施工技术，直接在上游面对混凝土伸缩缝进行了水下防渗处理，包括水下灌浆及表面粘贴防渗盖片，取得了较好的效果。
具体的施工工艺如下：
(1)水下检查：通过水下检查确定混凝土裂缝的长度和宽度，为处理方案提供可靠的依据； 647功 能 及 主 要 参 数 提供各种液压工具动力源，有双回路、单回路等多种型号，输出流量为30lmp，输出压力14MPa 适用于混凝土、岩石的破碎，冲击频率1400～1800次/分，工作压力10.5～14MPa 可对混凝土进行部分切割、拐角切割和插入切割等，切割深度最大可达475mm，工作压力7～14MPa 用于在混凝土、岩石等硬制介质上钻孔，最大钻孔直径50mm，最大钻深可达6m，工作压力10.5～14MPa 轻型钻孔设备，携带方便，工作压力7～14MPa 手持式磨削器，可以对各种金属和砖石进行磨削，工作压力10.5～14MPa 可对水下混凝土进行高压切割，压力可达100 MPa以上
(2)混凝土表面清理：沿裂缝或结构缝两侧，用液压磨削器进行打磨，以清除混凝土表面的附着物和疏松层；
(3)扩缝：用金刚石链锯对原有伸缩裂缝进行扩缝，使其成为宽约8mm，深约100mm 的缝槽，以保证灌浆的效果；
(4)埋设灌浆管：按一定的间距埋设灌浆管，并用SXM 快速密封剂进行封缝，并进行压红墨水试验以检查封缝效果，直至不渗漏；
(5)灌浆：采用双组份LW 聚氨酯化学灌浆材料自下而上进行灌浆，灌浆结束扎紧灌浆管；
(6)粘贴SR 防渗模块：待浆液固化后凿除灌浆管，修整表面，并沿缝两侧涂刷HK 水下涂料，粘贴SR 防渗模块，并用射钉枪固定扁铁压条。
通过上述处理，使得在原伸缩缝表面形成了新的两道止水，从而保证了防渗效果。此次处理的水深为38.2m，其意义在于将平时用于旱地施工的处理方案在水下得以实现，并且被证明此方法施工简便，容易操作，止水效果好，从而为大坝普遍存在的裂缝的水下处理积累了宝贵的经验。
4.2柘溪水电站大坝劈头缝水下处理
湖南柘溪水电站大坝为支墩坝，其大坝劈头缝自建成起就已出现，蓄水后形成较大的渗漏，1支墩最大渗漏量达到40L/s，从而影响到大坝的安全运行。电厂曾进行过二次水下处理，但均未取得长久的效果。针对柘溪电站的特点，华东院科研所开展了专题研究，提出了“刚柔结合，综合处理”的处理方案(见图1)，即考虑到支墩坝的特点，决定先沿劈头缝凿槽，嵌填SR 塑性止水材料，表面则采用增韧环氧树脂混凝土进行保护，该方案以柔性的SR 材料作为防渗主体，辅以增韧环氧树脂混凝土刚性防水两者相辅相成，共同发挥作用。
该方案于2001年至2003年实施，经上述处理后，总渗漏量减少95%以上。
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图1 柘溪大坝劈头缝处理示意图
4.3四川龚嘴电站冲砂底孔检修门段修复工程
648
四川龚嘴电站10号冲砂底孔，自投运以来已运行30余年，受高速挟沙水流的影响，底板及侧墙冲蚀严重，已影响到了底孔的正常运行，但由于检修门无法密封，从而无法对底孔进行有效的处理。为创造检修门段洞内旱地施工条件，本次采用了浮体闸门坝前深水封堵底孔进水口。但由于进水口处原坝面经冲蚀后已严重不平整，因此必须首先对混凝土表面进行修补，使其形成一平面，保证浮体闸门的密封。处理方法是在上游面安置整体大型模板浇筑PBM 混凝土（模板外形尺寸为高16.2m，宽9.9m，上下两侧宽60cm，左右两侧宽40cm），由于其位置深（约水下60米）、
，因此若按以往的方法施工，将要耗费大量的人力，混凝土浇筑方量大（需浇筑PBM 混凝土6.5m ）
处理工效极差。为解决这一问题，进行了大量的试验，调整了材料的配方，使其能够通过导管直接将PBM 材料从水面上浇筑至水下约60米深的模板内，实现对表面混凝土的修复。本工程于2004年初实施，PBM混凝土浇筑5天后，浮体门封堵成功，满足了冲砂底孔修补的要求。本工程首创了水下60米深直接浇筑PBM 混凝土的先例，大大提高了水下施工的工作效率。
4.4云南漫湾电厂水垫塘冲坑水下快速修补工程
云南漫湾电厂水垫塘经过近10年的运行，冲蚀严重，形成了大量的冲坑，部分钢筋裸露甚至架空。受运行条件限制，每天只能停机5、6个小时进行修补，而且处理后1～2小时就要发电，经受高速水流的冲刷，因此需要修补材料具有固化快、强度高的特点。2003年，分别采用PBM 和快硬NDC 混凝土进行了修补，均采用机械拌制，实现了快速施工。经两个汛期运行后检查，PBM完全能满足要求，而快硬NDC 的抗冲蚀性能则略差。
施工工艺如下：
（1）水下检查；
（2）混凝土破损面修整：将冲坑破损较浅的边缘用水下切割设备垂直挖除一部分，将冲坑由锅底形变为漏斗形或桶形，以增加新老混凝土的粘结，提高修补材料的抗冲击和抗磨蚀能力；
（3）钻孔布筋、立模：根据原钢筋的破坏程度及冲坑的大小确定是否需要进行布筋，若需要，则用水下钻孔设备钻孔，用HK-983水下锚固剂根据设计要求进行植筋，再用水下焊接技术进行布筋，然后立模准备浇筑；
（4）浇筑水下混凝土：根据建筑物的性质确定采用何种水下混凝土。一般来说，对于大体积混凝土(深度一般大于30cm)的浇筑，考虑到经济性，可采用NDC 水下不分散混凝土。而对于较浅的冲坑，则需要采取PBM 或HK 水下环氧混凝土，而如果有快速修补要求的部位最好采用PBM 水下混凝土。
5 水下处理效果分析及发展方向
大坝混凝土水下修补作为一门新兴的技术在水电行业已经得到较好的发展，近几年来先后有十多个电站开展了水下修补处理，均取得了较为显著的成效，为大坝的安全运行提供了保证。
从已完成的工程实例分析，有以下两个特点：
(1)目前对于混凝土裂缝的水下处理效果比较理想。
对于大坝发生的渗漏，如果通过水下检查能够在上游面发现渗水源头，那么就可以通过灌浆、嵌缝、粘贴防渗盖片等水下处理方法来进行处理，由于直接在上游面进行处理，再加之目前的处理材料及工艺设备均能够满足要求，因此处理效果比较理想，而且往往都是立竿见影的。如三峡三期围堰，处理前廊道内最大渗漏量为8350 L/min，经处理后渗漏量减少为250 L/min；棉花滩水下裂缝，处理前廊道内渗漏量为3l/s，经处理后基本上不漏；丹江口水下36米水平缝经处理 6493
后，廊道里的渗漏量减少到处理前的0.3%。
(2)对于水下冲坑处理的效果还有待提高。
对于混凝土冲坑的水下修补，也做了不少工程，但从实际效果上看不如水下裂缝的明显，特别是对于流速较大部位的混凝土冲坑，往往在修补以后运行一段时间后又会重新出现新的破损。究其原因可能还是与施工工艺有关，因为仅仅从材料的性能指标上来看，已完全能满足混凝土修补的需要，但由于在水下处理时，对于新老混凝土接触面无法做到清理干净，这是因为冲坑大多出现在水平位置，当对基面进行清理后，水中的沉淀物不可避免地又会落在粘接面上，这样就会大大影响粘接效果。
水下修补要得到更好的发展，还必须在以下几方面做好工作：
(1)要开发出更多的水下修补材料，特别是材料的施工性能需进一步改善。
从试验数据来看，目前许多材料的性能已经相当优秀，但是如何保证这些性能能够在实际使用中充分发挥才是更重要的。因为水下施工往往是由潜水员穿戴着笨拙的服装在水下进行操作，与实验室相比条件要苛刻得多，因此必须使这些材料具有良好的施工性能(可操作性)，使得潜水员在水下能够非常容易地进行涂刷、嵌填、粘贴等操作，这样才能充分发挥材料的功效，而这一点目前大多数材料还是有欠缺的。
(2)工程处理的长期效果需加强跟踪。
对于水电站大坝来说，其耐久性是非常重要的。由于水下处理开展的时间不算太长，而且修补材料也在不断发展，因此必须对它的长期耐久性进行跟踪观察，及时掌握第一手资料，为今后的工作打基础。如PBM 混凝土，用于水下混凝土缺陷的修补效果非常好，但经过长期观察，发现当用于水位变化部位时，容易发生PBM 混凝土剥落的现象，因此在这些部位进行修补时就不能使用，而必须使用环氧混凝土。
(3)工程处理的费用需大大下降。
对于水下处理工程，由于需要大量的潜水员进行水下操作，而目前专业的水下处理队伍相对较少，因此其费用是相当昂贵的。同样的工程水下处理与水上处理费用可能相差十多倍乃至数十倍，这也是制约水下处理技术发展的一个重要因素。这一方面需要形成专业的施工队伍，通过提高工效来降低单位成本，另一方面也需要重视混凝土的水下缺陷，把它作为一项重要工作来对待，通过扩大水下处理的市场来吸引更多的专业施工队伍。
6结语
大坝混凝土水下缺陷是个普遍存在的问题，但长期以来一直没有得到很好的处理。随着水下处理材料及设备工艺的发展，使得我们对于混凝土缺陷的水下修补有了更好的处理方案，这对于大坝的安全运行无疑是十分有利的。虽然这些材料还处于初期应用阶段，并非十分成熟，但相信随着工程经验的积累，在实践中不断改善，这些材料一定会越来越完善，其应用前景是十分广阔的。
作者简介：张捷（1964～），男，华东勘测设计研究院大坝安全工程公司总工程师，教授级高工，主要从事混凝土缺陷修补材料的研究、开发及应用工作。
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