混凝土壩裂縫灌漿關鍵技術問題探討

陳彥玉

混凝土壩裂縫灌漿關鍵技術問題探討

陳彥玉

（北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 100191）

混凝土壩施工期或運行期常出現不同程度的裂縫，灌漿作為修補混凝土裂縫的一項主要技術，能顯著提高壩體整體性和承載力。結合國內外混凝土壩裂縫灌漿修補的工程實例，對灌漿技術的應用進行闡述，并對其中幾個關鍵技術問題：灌漿時機的選擇、灌漿壓力的合理取值及灌漿效果評價方法等進行了探討。

混凝土裂縫；灌漿；灌漿時機；灌漿壓力；灌漿效果評價

1 概 述

大壩等大體積混凝土結構，施工期和運行期常因溫度變化而產生較大的拉應力，由于混凝土抗拉強度較低，在拉應力的作用下壩體混凝土常出現不同程度的裂縫［1］。裂縫不但影響結構的美觀和混凝土的耐久性，甚至還會給結構的整體安全性帶來隱患。目前，混凝土壩建設仍沒有擺脫“無壩不裂”的歷史，防止裂縫是壩工結構設計和施工中的重要課題。

灌漿技術作為修補裂縫的常用手段，其主要原理是通過灌漿泵等壓送設備將漿體灌入裂縫內，使其滲透、擴散、膠凝或固化，以恢復壩體的整體性及其承載能力。上世紀初，為提高水閘基礎的抗滲性和承載力，法國工程師Charles首次成功地將水泥漿注入水閘地基裂隙中，并取得了良好的效果［2］。此后，新型灌漿材料的不斷涌現及豐富的工程實踐經驗，推動了灌漿施工技術和理論的不斷發展。

混凝土裂縫問題本身較為復雜，灌漿過程中漿體與壩體混凝土存在流固耦合作用，同時疊加早期殘余溫度應力，使得混凝土壩裂縫灌漿機理更為復雜。工程實踐表明，有的灌漿效果較好，達到了預期目的，但也不乏灌漿過程中出現裂縫擴展等失敗的案例。究其原因，主要是對漿體與混凝土間耦合作用的機理及漿體壓裂過程中裂紋擴展規律研究不夠。因此，開展灌漿作用下，混凝土壩裂縫及灌漿效果研究具有重要的工程意義。本文在總結已有的工程實踐和相關理論的基礎上，探討混凝土壩裂縫灌漿修補中存在的主要問題和研究思路，以期為后續的研究工作提供參考。

2 國內外混凝土壩裂縫灌漿修補工程實踐

作為一種常見的裂縫修補措施，灌漿技術在壩工界受到高度重視。該技術的應用成功地解決了許多工程技術難題，并取得了良好的效益。

我國的灌漿技術發展，源于上世紀50年代。當時為應對三峽工程中可能出現的裂縫，長江科學院等單位相繼開展混凝土灌漿補強工作的研究［3］。三峽二期工程因溫度應力出現不同程度的裂縫，采用化學灌漿技術修補，取得了良好的工程效果［4，5］。

國外有關灌漿技術在混凝土壩中的應用較早。上世紀初，灌漿技術就應用于修補大壩基礎，以提高壩基整體性和承載力［6］。隨著灌漿材料的不斷涌現和灌漿工程實踐經驗的積累，灌漿技術取得了長足的進步。在Big Eddy重力壩水平施工縫修補過程中，首次提出了最大灌漿壓力的概念［7］；瑞士壩工專家Lombardi提出灌漿強度值法，即GIN法，通過定義GIN的取值，來防止灌漿過程中裂縫的張開和擴展［8］，該法在國內外大壩裂縫修補中均得到廣泛應用。

國內外應用灌漿技術修補大壩裂縫的實例很多，包括成功的、較成功的及失敗的。典型工程實例如表1和表2所示。

表1 國內混凝土壩裂縫灌漿修補工程實例Table 1 Examples of repaired concrete dams by grouting in China

表2 國外混凝土壩裂縫灌漿修補工程實例Table 2 Exam ples of repaired concrete dams by grouting in foreign countries

通過以上工程實例，可以獲得以下幾點認識：

（1）新型灌漿材料的不斷涌現。從早期水泥漿到現在的各種化學材料，如環氧樹脂、水溶性環氧漿材等，灌漿材料不斷向低成本、高強度、高抗滲性、綠色無污染的方向發展。

（2）灌漿施工工藝日趨成熟。通過國內外大量大壩裂縫灌漿實例，已總結出系統的灌漿施工步驟，如裂縫普查→鉆孔與埋管→表面封縫→清洗與壓水試驗→灌漿→質量檢查驗收等［9］，便于現場工人操作。

（3）灌漿理論的匱乏。由于目前灌漿多是結合以往工程經驗或現場試驗開展的，灌漿指標的確定和灌漿效果的評價均缺乏理論層面的研究。工程中灌漿理論的匱乏與灌漿技術的迫切需求極不協調。

3 混凝土壩裂縫灌漿中幾個關鍵技術問題

眾所周知，灌漿技術在混凝土壩裂縫修補中的工程實踐遠遠超出其基本理論研究。為滿足工程需要，灌漿指標的確定多局限于現場試驗或借鑒類似工程經驗，這既是科學研究的邏輯步驟，也是在缺乏理論研究成果下的權宜之計。原因是多方面的：混凝土裂縫問題本身的復雜性，導致灌漿前壩體的應力狀態較難確定；灌漿過程中，漿體與裂縫處混凝土存在流固耦合作用，且關系到裂縫擴展的判別，機理較為復雜；灌漿結束后，漿體與壩體混凝土成為整體，灌漿效果的評價涉及到非線性分析問題［26］。目前，混凝土壩裂縫灌漿修補中，工程界極為關注的幾個問題，如灌漿時機的選擇、合理的灌漿壓力及灌漿后效果評價等，并沒有理論層次上的深入分析。因此，灌漿作為一種技術手段，其理論基礎的匱乏與實際工程的需求存在嚴重的矛盾。以下結合已有灌漿理論和工程實踐，就上述3方面問題進行探討。

3．1 灌漿時機的選擇

由于壩體混凝土對溫度變化較為敏感，裂縫產生后，在周而復始的氣溫變化作用下，裂縫張開位移（Crack Mouth Opening Displacement，CMOD）隨之變化，并有可能擴展或出現新裂縫。灌漿時機的選擇直接關系到灌漿效果：灌漿過早，當遭遇氣溫驟降或二期冷卻時，漿體和裂縫處混凝土結合面有脫開的可能；若在裂縫產生很久后開始灌漿，一方面會影響施工進度，另一方面，混凝土表面會出現“白華”現象，嚴重影響漿體和混凝土的粘結效果［27，28］；此外，在溫度應力作用下，原有裂縫有可能擴展或出現新裂縫。目前，國內外常見的做法是：對于淺表裂縫，發現后立即進行灌漿處理，對于深層裂縫，一般在第一年冬季進行灌漿，如果灌漿效果達不到預期目標，則進行二次灌漿，如三峽二期工程中出現的裂縫，在12月至2月低溫季節期間對裂縫進行處理［4］。上述灌漿時機是在總結國內外灌漿效果并結合現場試驗的基礎上提出的，目前對合理灌漿時機的確定從理論層次上仍沒有合理的解釋。

對于壩體混凝土施工期內出現的裂縫，由于此時混凝土只承受溫度荷載，灌漿時機的研究可從以下兩方面入手：其一，分析完整壩體混凝土在內部水化熱及外界氣溫作用下的溫度場和應力場，找出應力最大的時刻，作為灌漿的最佳時機。氣溫降低時，由于沒有考慮裂縫產生后壩體混凝土應力重分布，導致計算的應力往往偏大，但這種計算仍具有指導意義。因為一般來說，溫度應力越大，裂縫張開位移也越大，灌漿結束后，后期裂縫閉合產生的壓應力保證了漿體與混凝土之間的有效粘結。其二，在進行混凝土溫度場和應力場仿真時，引入混凝土開裂模型來模擬既有裂縫，通過分析外界氣溫變化情況下裂縫張開位移，判斷最佳灌漿時機，在裂縫起裂前進行灌漿。但由于目前混凝土溫度場和應力場的求解基于線彈性理論，混凝土開裂問題則涉及到非線性問題，且裂縫與壩體混凝土的尺寸在數量級上相差較大，采用傳統的重新劃分網格的有限單元法基本很難實現。程井等提出基于修正衍射準則的不連續面裂紋模擬方法，應用無單元伽遼金法（Element Free Galekin Method，EFGM）計算溫度應力以及由溫度應力引起的裂紋擴展［29］，由于采用的是線彈性斷裂力學原理，其有效性和合理性有待進一步研究。

3．2 灌漿壓力的合理取值

灌漿壓力涉及到兩方面的矛盾：灌漿壓力過小，在裂縫處可能存在未粘結的地方，達不到修補裂縫、提高承載力的目的；由于裂縫尖端存在應力集中區域，過大的灌漿壓力易導致裂縫擴展，適得其反。因此，合理的灌漿壓力是指既能達到灌漿密實的效果，又能防止裂縫擴展的壓力。在Big Eddy混凝土重力壩灌漿修補中，為了防止灌漿壓力過大導致裂縫擴展，首次提出合理灌漿壓力的概念，并對灌漿壓力的取值進行了研究，采用水泥漿進行灌漿后，提高了壩體抗滲性和結構整體性［7］。在混凝土壩裂縫修補過程中，不乏因灌漿壓力過大致裂縫擴展的實例［21］，究其原因，主要是對漿體與混凝土間耦合作用的機理及漿體壓裂過程中裂紋擴展規律研究不深入。

灌漿過程的實質是漿體在裂縫中流動，如圖1［30］和圖2［31］所示，漿體與混凝土存在流固耦合作用，合理的灌漿壓力既要保證裂縫處漿體和混凝土之間有效粘結，又要防止裂縫進一步擴展。目前國內對合理灌漿壓力的選擇，亦多基于現場壓水試驗或者類似工程經驗，在理論層次上對灌漿壓力合理取值進行研究的報道較少。張國新等從Ⅰ型二維裂紋模型出發，對混凝土裂縫灌漿的臨界壓力以及灌漿壓力對裂縫穩定性的影響進行定性分析，確定了不同縫長和約束條件下的混凝土裂縫安全灌漿壓力［32］；連志龍等基于流固耦合理論，導出平行裂縫內層流流動壓降方程，以臨界應力作為裂縫擴展原則，模擬了水力導致的裂縫擴展問題［33］，該過程與灌漿過程十分相似，可能成為合理灌漿壓力數值模擬的突破點。由于漿體多具有凝聚力和粘度，屬于伯明翰流體，Amadei給出了伯明翰流體沿裂縫流動時的平衡方程，并根據裂縫表面的不光滑特性對壓力梯度進行修正［34］。ITASCA公司開發的二維離散元軟件能對灌漿過程中的流固耦合進行模擬，但混凝土灌漿過程中裂紋擴展準則如何確定，并沒有標準可循。

圖1 漿體在裂縫中擴散及裂縫表面壓力分布Fig．1 The grout spread and the pressure on the fracture surfaces

圖2 漿體與裂縫處混凝土粘結圖像Fig．2 Cementation Photograph between concrete and grouting

灌漿過程涉及到流體力學、流固耦合以及斷裂力學等多學科知識，同時疊加早期殘余溫度應力，合理灌漿壓力的數值模擬有待于進一步研究。

3．3 灌漿效果評價方法

裂縫修補完成后，在正常蓄水或遭遇地震等其他特殊荷載時，能否安全運行是工程界最為關心的問題。目前工程中常用的灌漿效果評價方法有壓水試驗、鉆孔取樣及聲波探測等［12，35］，這些手段在一定程度上能反映灌漿的補強效果；其局限性在于：檢測方法尚不成熟，缺乏相應的判斷標準，尤其不能反映灌漿后壩體整體應力狀態。目前，混凝土壩裂縫灌漿修補完成后，壩體整體應力狀態并沒有合理、統一的評價方法，國內外一般借助于數值方法對修補后的壩體應力狀態進行評價。

李九紅等對青銅峽電站壩段的3大條貫穿裂縫，運用ANSYS－CAE和SAP有限元軟件，模擬分析了灌漿后裂縫處的應力應變特性，并與完整結構、裂縫結構的模擬分析成果進行對比，分析了裂縫灌漿后對整體穩定性和裂縫局部應力的影響，結果表明灌漿修補后大壩滿足安全運行要求［12］。Pierre Leger采取二維離散元分析軟件UDEC，對一座90m高的重力壩灌漿修補后的壩體響應進行全過程仿真，分析灌漿后壩體的應力狀態［26］。

常規檢測方法只能定性表達灌漿的局部效果，不能反映壩體整體應力狀態，數值方法的優勢在于：能對修補后的壩體進行全過程仿真，并綜合評定灌漿后壩體整體性及灌漿效果。但由于灌漿后，漿體與混凝土粘結狀態不可視，準確描述二者的接觸性態存在困難，導致無法確定接觸問題數值模擬中的參數。

4 結 語

混凝土壩開裂問題是工程界備受關注的問題，本文結合國內外混凝土壩裂縫灌漿修補工程實例和相關理論進展，對灌漿中的幾點關鍵技術問題進行了探討，以期為后續的研究工作提供參考。

（1）目前國內外在灌漿實踐方面，有豐富的工程經驗，并在灌漿材料和灌漿設備的研發方面取得了長足的進步。對混凝土開裂理論、溫度場和應力場數值模擬的研究也比較深入，但將混凝土開裂模型引入到混凝土溫度應力場分析中較困難，原因是目前溫度場和應力場的求解多是基于線彈性理論，而混凝土開裂問題涉及到非線性問題，使得灌漿前、開裂后壩體混凝土的初始應力難以描述。

（2）灌漿過程涉及到流體力學、流固耦合以及斷裂力學等多學科知識。雖然流固耦合等理論比較成熟，但將多場耦合與裂縫擴展結合起來，同時疊加早期殘余溫度應力，在數值模擬方面仍存在較大困難，導致目前對灌漿壓力的確定僅局限于現場試驗或借鑒類似工程經驗。

（3）對于修補后的大壩灌漿效果評價，目前尚缺少合理、統一的方法。常規的檢測方法只能定性地分析，缺乏相應的評判標準，即使采用數值方法進行全壩非線性仿真分析，混凝土與漿體之間接觸參數的描述仍存在困難。

（4）灌漿技術的成敗關系到整個壩體的修復效果及安全性。在灌漿之前，對裂縫及開裂后壩體應力狀態應有合理描述；灌漿壓力的合理取值除借鑒類似工程或現場試驗外，應開展灌漿過程的數值模擬研究；灌漿過程中應加強裂縫張開位移的實時監測，防止灌漿壓力過大導致裂縫擴展；灌漿結束后，應對整個壩體的灌漿效果進行評價，尤其是特殊荷載作用下壩體應力狀態。建議對壩體裂縫灌漿進行全過程仿真分析，以達到修復壩體、提高其安全性的目的。

致謝：感謝加拿大蒙特利爾大學土木工程系Pierre Leger教授為本文的撰寫提供了部分基礎資料。

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（編輯：劉運飛）

Discussion on Key Technical Problems of Grouting to Repair Cracks in Concrete Dam s

CHEN Yan-yu
（Traffic Science and Engineering institute，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

Cracking is a common phenomenon in the construction or operation period of concrete dams due to the low tensile strength of concrete．Grouting is considered to be an effective approach to repair the concrete crack，which can reinstate the integrity and bearing capacity of the dam．The stresses of concrete dam are redistributed by cracks before grouting；the effect of solid-fluid coupling exists between the concrete and the groutingmaterial，and excessive grouting pressure easily leads to crack propagation during grouting；the new state of stress appears as the grout sets，so the effect of the grouting needs to be reasonably evaluated．In this paper，the application achieve-ments of grouting in reparing cracks of concrete dams were reviewed．Then，some problems concerned were dis-cussed，such as the grouting opportunity，themaximum grouting pressure to avoid hydro-fracturing，and the reason-able evaluation method of grouting effect in the repaired dam．

concrete crack；grouting；grouting opportunity；grouting pressure；evaluation of grouting effect

TV543

A

1001－5485（2011）03－0054－05

2010-04-06

陳彥玉（1984-），男，北京市人，碩士研究生，主要從事準大體積混凝土結構溫控防裂研究，（電話）13426017731（電子信箱）che-nyanyu0140＠163．com。