水利施工中混凝土裂縫的防治技術

康存鎖

(新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊，新疆 昌吉 831100)

1 混凝土水利工程施工裂縫灌漿基本原理

基于液壓破碎理論，傳統水壩的裂縫灌漿是基于液壓破碎理論的，根據堤壩主體主應力面的基本分布，沿著堤壩軸線排列灌漿孔。沿著裂紋表面主軸軸線的混凝土墻壁形成裂縫和灌漿，形成垂直或連續的漿料滲透，裂縫兩側的所有紙漿均為化學漿料填補緊湊型填料，達到加強堤防滲透更加牢固的目的[1]。

中科院模擬試驗裂縫灌漿在室內，提出漿料與混凝土之間的相互作用分為初始發泡壓縮，裂縫流動和被動壓力3個階段。

1)初始鼓壓實階段：灌漿開始，灌漿壓力相對較小，不能形成裂縫，漿料聚集在口附近的灌漿管中形成灌漿管，作為主要的球形或圓柱形漿泡。當漿料繼續注入并且灌漿壓力持續增加時，紙漿逐漸擴散并繼續擠壓混凝土。

2)被動土壓力階段：混凝土體裂紋在一定程度上發展后，主應力大小改變，水平主應力變化為被動壓力狀態，然后增加灌漿壓力，會擴大原始裂紋寬度，或顯示新裂紋。

3)裂縫灌漿方法在滲透控制和壩體加固方面有很多方面[2]。首先，壩體的內應力分布規律提供沿壩軸方向灌漿的可能性，然后在灌漿過程中填充漿料，在堤壩形成了垂直屏障，這個屏障可以防止滲透。

2 混凝土裂縫的力學特性分類

從調研的結果來分析，對于混凝土裂縫產生的機械性能分類是最重要的，在設計中，還要用混凝土結構的機械性能作為分類指標。

2.1 彎曲裂縫

由構件的彎曲引起的混凝土裂縫稱為混凝土彎曲裂縫，一般情況裂縫呈現垂直狀態。呈現出來的彎曲度裂縫出現在彎矩產生最大的混凝土受力區域。混凝土結構的斷裂一般位于水利水壩的中心位置，裂縫裂開方式從當水面到不當利水面；負矩裂縫位于連續水壩的上邊緣，這種混凝土出現的裂縫發展趨勢由不當水面向當水面方向發展。隨著儲水量的增加，裂縫寬度增加，長度增加，數量增加，雙方開裂面積逐漸形成[3]。

2.2 剪切裂縫

現狀類似剪切形成的裂縫也稱為斜縫，首先發生在較大的剪切應力部位。 剪切裂縫通常發生在壩中部附近，由水沖擊處的應力引起，并沿著中性軸開裂。 隨著儲層蓄水量的增加，裂縫長度不斷向不當水面壓力區發展，裂縫數量增加，分裂加大，裂縫面積逐漸向間隙中間發展。一旦剪切裂縫出現，應高度關注，注意觀察。 如果裂縫繼續發展或靠近壓力區，不管其寬度多大必須及時加固措施[4]。

2.3 扭曲裂縫

由混凝土構件的扭轉和彎曲引起的裂縫稱為扭曲裂紋。這些裂紋通常具有45°的傾斜度，并且有許多其他裂縫跟隨。發生這種裂紋后，混凝土保護層趨于剝離。假設由此演化產生的彎曲力矩由鋼筋承擔，直到加鋼筋滑落，以及出現部件完全破裂。

2.4 斷開裂縫

在混凝土構件受拉力拉伸之后出現截面調用槽引起裂縫的。這種類型的裂縫是由風暴引起的，由洪水引起的持續降雨增加，沿著正常段進行開裂。當載荷小時，混凝土和鋼筋被拉在一起承受力變，接頭處于不開裂狀態。負荷增加，混凝土達到抗拉強度和裂縫的時候。混凝土到達負荷最大值出現裂縫，承受力轉移到鋼筋上，這是允裂縫出現的受力條件。假設荷載逐步加大，鋼筋應力達到最大額度，鋼筋的伸長率加大，；裂縫超出允許范圍，則處于臨界損傷狀態[5]。

2.5 局部應力裂縫

局部受力產生的裂縫是指局部應力引起的裂縫，特別是在支座、錨頭的局部壓力較大的部位或受到現場的突然沖擊部位[6]。在上述各種受力破壞環境之下，由剪切應力損傷危害最大，也更突然，特別要注意。

3 注漿試驗方案及過程

3.1 布置定向裂縫灌漿孔

為了驗證聚氨酯是否有效對于混凝土裂縫的填充方法的可行性，檢查聚氨酯片狀凝固體多孔質體之間的搭接沖擊效果，采用灌漿之后能夠方面鉆開挖勘驗。 所以填料孔排列成一排，孔間距1m，共6個填料孔。 填充孔如圖1所示。

3.2 施工定向裂縫灌漿孔

選擇圖2所示的定向裂紋探頭。 探頭的尺寸如圖2所示。 由于定向裂縫的灌漿孔幾何形狀的特殊性，在構造定向灌漿孔時，只能選擇靜壓力或動力穿透裝置。 在支撐設備孔洞的技術中，有三種類型的設備，包括：液壓靜力成孔機(60t貫入力)、液壓靜力成孔機(50t貫入力)、液壓靜力貫入成孔車(20t貫入力)。根據現場施工條件，土壤特性，灌漿孔的深度，選擇主要設備。文章并將20t穿透力的壓靜力貫入成孔車作為文章的成孔設備。 如圖2所示，通過液壓裝置將特殊的定向裂紋探頭推到規定的深度至3.5m，形成對稱方向裂紋的灌漿孔。

圖1 定向裂縫灌漿孔平面布置圖

圖2 定向裂縫灌漿孔成孔方法示意圖

3.3 放置封孔灌漿管和裂縫灌漿管

首先將灌漿導管放置好位置，將灌漿管底部與灌漿孔的底部距離設置為△h約0.4m，這種設置之后，漿液方便控制，容易流出，并且跟混凝土裂縫能很好吻合，然后將其放在最后用封孔放漿孔底部，密封點為1.0m的相對于地面距離。 如圖3所示。

兩根灌漿管分別露出地面0.1-0.2m，以便實施灌漿，如圖4所示。

封孔布袋采用透氣的高強度材料制作，如土工布或牛仔布。直徑可一般大于等于灌漿孔直徑的2倍，長度約40cm，一端密封，另一端插入灌漿管后，用喉箍箍緊，布袋中間用細繩或膠帶捆扎，以便于植入灌漿孔，如圖5所示。

圖3 灌漿管及封孔灌漿管安放示意圖

圖4 安放灌漿管后照片

圖5 封孔布袋

3.4 灌漿

裂縫灌漿前，先根據封孔布袋的大小，通過封孔灌漿管往封孔布袋內注射適量的聚氨酯，布袋快速膨脹后即封閉了灌漿孔；然后通過灌漿管往封孔后的裂縫灌漿孔內注射聚氨酯，灌漿過程如圖6所示。灌漿量可根據預設裂縫擴展長度來計算。

3.5 灌漿效果設計

聚氨酯漿料的快速膨脹產生更大的膨脹力，膨脹力大于裂紋壓力的擴展壓力后，初始裂紋中的灌漿孔開始膨脹，膨脹方向和原始破碎方向最終一樣，形成圖7所示的整體式聚氨酯薄片，該聚氨酯薄片厚度為約2.0-3.0cm，面積不一樣(具體與灌漿量有關)。

圖6 灌漿

圖7 單孔灌漿效果示意圖

4 灌漿開挖效果與分析

灌漿后，通過定向裂縫灌漿技術得到的灌漿效果如下。①在半無限大集中，沿預設斷裂方向，漿料向外擴散，形成聚氨酯薄片，聚氨酯薄片垂直于孔壁。如圖8所示。描述了聚氨酯定向裂縫灌漿方法理論和可行性和準確性。②聚氨酯固化后薄片之間的重疊可以滿足壩墻驅油墻的技術要求，如圖9所示。③聚氨酯楔形薄片的中心厚實，四周薄，且成橢圓形。薄片的平均厚度約為1.0cm，接近灌漿孔的是最厚。平均值約為2.5cm，值<3.3cm。片材的最大長度L約為68cm，<74cm。高度是一個有效的灌漿孔高度，即3.0m。如圖10所示。④漿液裂縫混凝土體時，因為膨脹力很高，導致漿液滲入到周圍的混凝土的細孔，固化聚氨酯薄片填充有聚氨酯泡沫體，這些物質會滲透到混凝土，會讓周圍混凝土更加結實，并與混凝土結合，可以讓混凝土防滲墻的墻壁的土能緊密結合。⑤聚氨酯薄片楔形物的密度分布不均勻，中間密度大和周圍密度小。測得的密度為0.21-0.25g/cm3。

圖8 開挖效果

圖9 聚氨酯薄片體搭接效果

圖10 聚氨酯薄片體細部照片

[1]姚富民.淺析灌漿技術在水利工程地基處理中的應用[J].民營科技，2009(12)：62-65.

[2]肖恩尚,蘇迎春.大空隙地層控制性灌漿技術綜述[J].水利水電施工，2009(51)：21-22.

[3]王川嬰,鐘聲,孫衛春.基于數字鉆孔圖像的結構面連通性研究[J].巖石力學與工程學報，2009(12)：49-50.

[4]王勝,祝華平,黃潤秋,等.錦屏一級水電站煌斑巖脈化學復合灌漿試驗研究[J].探礦工程(混凝土鉆掘工程)，2009(11)：39-40.

[5]胡國兵.水泥水玻璃漿液在錦屏工程涌水封堵中的應用[J].人民長江，2009(21)：29-30.

[6]劉墅輝,何澤山.左岸抗力體不良地質帶置換平洞開挖支護施工[J].人民長江，2009(18)：66-68.