淺析化學(xué)灌漿在壩體裂縫處理中的應(yīng)用

胡 清 焱， 王 抗， 張 國(guó) 壽， 侯 麗 君

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

老撾色拉龍一級(jí)水電站以發(fā)電為主，主要建筑物由碾壓混凝土重力壩、溢流壩、壩式取水口、壩后式發(fā)電廠(chǎng)房、主變GIS樓及尾水渠等組成，水庫(kù)總庫(kù)容為9.53億m3，額定水頭46 m，電站裝機(jī)容量為70 MW，安裝2臺(tái)混流式機(jī)組，年平均發(fā)電量為2.7億kW·h。

樞紐區(qū)攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，混凝土壩頂全長(zhǎng)459 m，壩頂高程219.5 m，最大壩高64.5 m，從左岸至右岸依次為長(zhǎng)175 m的左岸重力壩段，長(zhǎng)71 m的溢流壩段(布置4個(gè)溢流孔)，長(zhǎng)19 m的導(dǎo)流底孔壩段，長(zhǎng)34 m的廠(chǎng)房進(jìn)水口壩段，長(zhǎng)160 m的右岸重力壩段。

大壩分為23個(gè)壩段，壩基C9020二級(jí)配常態(tài)混凝土底板為固結(jié)灌漿的蓋重層，上部為碾壓混凝土壩體。

(1)大壩壩基地質(zhì)條件。大壩建基面主要為J2-4厚層砂巖，間夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖或泥巖透鏡體，基礎(chǔ)下部巖性為砂巖與泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖互層，軟硬相間。各巖層之間接觸良好，結(jié)合緊密，但泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖強(qiáng)度低，為軟巖或較軟巖。J2-4層砂巖中見(jiàn)透鏡體狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖或泥巖夾層。

(2)采石場(chǎng)地質(zhì)條件。原設(shè)計(jì)的1#料場(chǎng)因砂巖整體品質(zhì)較低，進(jìn)場(chǎng)后已廢棄，采用新開(kāi)辟的2#、4#料場(chǎng)替代原1#料場(chǎng)，目前使用的2#料場(chǎng)為主料場(chǎng)。2#料場(chǎng)距壩址約3 km，開(kāi)采面積為4.4萬(wàn)m2，有用料厚度為2～7.3 m，平均為4.6 m，主要為青灰色砂巖，砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為40.4～82.9 MPa，平均強(qiáng)度為66.2 MPa，屬中硬巖。

壩體裂縫主要集中在2 m厚的常態(tài)混凝土底板上，裂縫為縱橫向的貫穿性裂縫，各壩段裂縫數(shù)量不等，分布較為隨機(jī)，裂縫寬度約為1～4 mm，深2 m，出現(xiàn)時(shí)間主要集中在底板常態(tài)混凝土澆筑后的3～15 d內(nèi)，通過(guò)裂縫測(cè)縫計(jì)觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)育一個(gè)月后基本趨于穩(wěn)定。

2 裂縫成因分析及影響

2.1 裂縫成因分析

(1)砂巖壩基地質(zhì)問(wèn)題。壩址區(qū)為砂巖地質(zhì)條件，壩基砂巖水平向緩傾向下游分布，前期勘探鉆孔和進(jìn)場(chǎng)后開(kāi)挖揭露出的實(shí)際地質(zhì)情況表明，水平向夾層裂隙較發(fā)育，夾層為粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，層厚約10～15 cm，為軟弱層；同時(shí)，壩基局部泥質(zhì)粉砂巖開(kāi)挖后遇水較易風(fēng)化崩解，使壩基承載力不均勻，導(dǎo)致壩體出現(xiàn)貫穿性裂縫。

(2)砂巖骨料問(wèn)題。由于采石料場(chǎng)巖性為砂巖，而砂巖抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低、穩(wěn)定性差(較離散)，成品骨料壓碎值偏高，骨料線(xiàn)膨脹系數(shù)大，吸水率高、易軟化，磨耗性高，轉(zhuǎn)運(yùn)和攪拌過(guò)程中易產(chǎn)生石粉，部分指標(biāo)接近或已超出規(guī)范要求，對(duì)混凝土強(qiáng)度有一定的影響。為保證混凝土強(qiáng)度，在增加水泥用量后導(dǎo)致壩體水化熱偏高。

(3)現(xiàn)場(chǎng)混凝土溫度控制問(wèn)題。工程區(qū)地處老撾南部，旱季白天氣溫相對(duì)較高，晝夜溫差較大。盡管采取了對(duì)混凝土出機(jī)口溫度控制、壩體冷卻水管通水流量控制、日常性的養(yǎng)護(hù)、重點(diǎn)部位保溫膜覆蓋等溫控措施，但只能在一定程度上制約壩體裂縫的進(jìn)一步發(fā)育。

2.2 裂縫對(duì)壩體安全的影響

(1)形成滲漏通道。若壩體上游裂縫處理不好，在大壩蓄水后會(huì)形成滲漏通道，進(jìn)而影響上游灌漿廊道等建筑物的使用功能；同時(shí)有可能沿上游面裂縫發(fā)生水力劈裂，使裂縫進(jìn)一步發(fā)育，形成貫穿性裂縫而危及壩體安全；或帶走混凝土內(nèi)的部分元素，銹蝕鋼筋，亦會(huì)降低壩體的耐久性。

(2)改變壩體應(yīng)力分布。壩體出現(xiàn)裂縫后，會(huì)使壩體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致上游塊壓應(yīng)力集中，下游塊拉應(yīng)力集中，這些應(yīng)力集中部位有可能會(huì)超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，造成混凝土局部破壞，進(jìn)而影響到大壩的整體安全和穩(wěn)定。

3 裂縫處理材料及設(shè)備

3.1 裂縫處理材料

(1)YDS環(huán)氧灌漿材料。裂縫灌漿采用高滲透性的YDS環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料，可灌入0.01 mm的微小裂縫，且其具有強(qiáng)度高、粘結(jié)性好、流動(dòng)性好等特點(diǎn)，漿液凝固后能很好地和混凝土粘結(jié)在一起，使結(jié)構(gòu)物恢復(fù)其整體性。 YDS環(huán)氧漿材的主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 YDS環(huán)氧漿材主要指標(biāo)表

注：檢驗(yàn)依據(jù)《混凝土裂縫用環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料》(HC/T1041-2007)。

(2)預(yù)縮砂漿。拌制良好的預(yù)縮砂漿具有較高的抗壓、抗拉強(qiáng)度，與原混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度亦較高，常用于修補(bǔ)混凝土裂縫和其他缺陷。預(yù)縮砂漿施工配合比見(jiàn)表2。

表2 預(yù)縮砂漿施工配合比

3.2 裂縫處理設(shè)備

為保證裂縫處理質(zhì)量與高效施工，造孔采用YT-28型手風(fēng)鉆和電鉆，灌漿設(shè)備為DH-512微型高壓電動(dòng)注漿機(jī)，洗孔設(shè)備采用SDB-6.3型手動(dòng)試壓泵沖洗，打磨采用角磨機(jī)。微型高壓電動(dòng)注漿機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 DH-512微型高壓電動(dòng)注漿機(jī)性能參數(shù)表

4 裂縫處理施工工藝及方案

4.1 裂縫處理工藝

鑿U型槽→造孔→高壓水洗孔及壓水檢查→用風(fēng)吹干裂縫積水→表面鑲縫及埋設(shè)灌漿管→化學(xué)灌漿→表面處理。

4.2 裂縫處理方案的實(shí)施

4.2.1 鑿U型槽

沿裂縫縫面用電鎬鑿5 cm×5 cm(寬×深)的U型槽，然后用高壓水將槽內(nèi)縫面沖洗干凈，觀(guān)察縫口的狀況；對(duì)渣?；驖{皮封住縫口的地方用薄刀片挑開(kāi)縫口，再用高壓水沖洗，待縫面干燥后進(jìn)行貼嘴以及打斜孔處理。

4.2.2 造孔施工

(1)采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔，孔徑32 mm。沿縫兩側(cè)鉆斜孔(深孔)，孔深2 m，孔距1.5 m，梅花型布置；孔距裂縫中心線(xiàn)38.8 cm，鉆孔角度為15°，該孔在縫深1.5 m處交叉，鉆孔均斜穿裂縫。

(2)在兩灌漿孔中心線(xiàn)上，沿裂縫兩側(cè)交錯(cuò)布置淺孔(灌漿孔兼作排氣孔)，電鉆造孔，孔徑15 mm，孔深40 cm，孔距1.5 m，梅花型布置；孔距裂縫中心線(xiàn)7.8 cm，鉆孔角度為15°，該孔在縫深29 m處交叉；鉆孔均斜穿裂縫。

(3)在U型槽中部縫口設(shè)騎縫孔，埋設(shè)φ15PVC管，為灌漿排氣孔，間距1.5 m，與深孔平行布置。

(4)鉆孔自下而上順序進(jìn)行；所有孔(包括灌漿孔和排氣孔)均一次鉆完。在混凝土表面采用預(yù)縮砂漿或其他方法粘貼灌漿貼嘴和灌漿斜孔。灌漿孔與灌漿嘴應(yīng)粘貼牢固以保證灌漿效果。

4.2.3 洗孔及壓水試驗(yàn)

(1)洗 孔：待全部鉆孔完成后，采用高壓水清洗縫面，沖洗自上而下逐孔進(jìn)行，沖洗壓力為0.2～0.3 MPa，直至縫面清洗干凈為止(即縫面出水清凈)。

(2)壓水檢查：洗孔結(jié)束后，采用壓力水檢查其是否暢通，并根據(jù)出水點(diǎn)打孔埋設(shè)排氣管，封閉縫面，壓水壓力為灌漿壓力的80%。

(3)壓水檢查結(jié)束后，用高壓風(fēng)吹干縫內(nèi)的積水。

4.2.4 嵌縫及預(yù)埋灌漿管

(1)騎縫孔的設(shè)置。騎縫孔為φ15PVC管，先將其插入U(xiǎn)型槽內(nèi)的預(yù)先鉆孔位置，并將其固定。

(2)預(yù)縮砂漿的制備。將按比例配置的砂與水泥混合，并反復(fù)翻拌3～4次，使之混合均勻，再加水(水中已加入減水劑與引氣劑)翻拌3～4次。砂漿的稠度以手捏成團(tuán)、手松砂散、手面潮濕又析不出水為度。拌好后的砂漿仍為松散體，將其歸堆存放0.5～1.5 h，使砂漿預(yù)縮。

(3)預(yù)縮砂漿的填充。預(yù)縮砂漿的填補(bǔ)施工按分層鋪料搗實(shí)、逐層填補(bǔ)的程序進(jìn)行。填補(bǔ)預(yù)縮砂漿前，先在接觸面薄涂一層厚約1 mm、水灰比為0.45～0.5的水泥素漿，然后再分層填入預(yù)縮砂漿，每層鋪料厚度為2～3 cm，用木錘拍打搗實(shí)至表面出現(xiàn)少量漿液為度。層與層之間應(yīng)用鋼絲刷刷毛，以加強(qiáng)層間結(jié)合，如此反復(fù)進(jìn)行至預(yù)填表面為止。預(yù)縮砂漿應(yīng)在拌制好后的2 h內(nèi)用完。

(4)養(yǎng) 護(hù)。施工完成4～8 h后，應(yīng)用塑料薄膜覆蓋，保溫保濕。

4.2.5 化學(xué)灌漿的施工

(1)漿液配制。根據(jù)廠(chǎng)家提供的漿液配合比進(jìn)行摻配，并保持漿液溫度在25 ℃以下，可在水中配漿(將容器置于水中，以達(dá)到降溫效果)，單次配漿量不宜過(guò)多。

(2)施工方法。自下而上依次灌注。先灌注最下部第一個(gè)孔，待上方孔出漿后，可改為上方孔灌注，也可封閉出漿孔，用原孔繼續(xù)灌注，直至附件孔全部出漿；灌注下方孔時(shí)，上方孔兼作排氣孔。

(3)灌漿壓力?？筛鶕?jù)裂縫開(kāi)度和混凝土強(qiáng)度確定灌漿壓力，一般淺孔壓力為0.2～0.3 MPa，深孔壓力為0.3～0.5 MPa。

(4)如出現(xiàn)有未出漿的灌漿孔或排氣孔，需重新鉆孔進(jìn)行補(bǔ)灌。

(5)灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。不吸漿后繼續(xù)灌注10 min；或上方孔出漿后封閉下方灌漿孔，改為上方孔進(jìn)行灌注，直至縫隙飽滿(mǎn)。

4.2.6 灌后縫面的處理

灌漿檢查結(jié)束后，將排氣管和貼嘴割除，采用砂輪機(jī)打磨平整，水泥灰漿填縫使其與原混凝土面外觀(guān)相近。

4.2.7 特殊情況的處理

(1)灌漿時(shí)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)漿且漿液粘度增加，即漿液配合比出現(xiàn)問(wèn)題。處理方法：打開(kāi)機(jī)箱蓋，排棄部分混合液，然后重新灌漿。

(2)灌漿過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿，應(yīng)根據(jù)具體情況采用嵌縫，表面封堵、限量、間歇灌漿等方法進(jìn)行處理。

4.3 灌漿質(zhì)量的檢查及驗(yàn)收

(1)壓水檢查。對(duì)進(jìn)行過(guò)化學(xué)灌漿的混凝土裂縫，在漿材固化強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后應(yīng)鉆檢查孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，孔口壓力為50%～80%設(shè)計(jì)灌漿壓力，最大壓力為0.3 MPa，檢查孔單孔吸水量應(yīng)小于0.01 L/min；不合格時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)灌。

(2)對(duì)重要部位的裂縫灌漿后可進(jìn)行聲波檢查，灌漿后的聲波檢查孔利用灌前的裂縫聲波檢查孔，通過(guò)灌漿前后聲波波幅的對(duì)比分析判定灌漿效果。

(3)鉆孔取芯。對(duì)重要部位的裂縫灌漿完成21 d后可進(jìn)行鉆孔取芯及鉆孔全景圖像檢查，觀(guān)察其縫面漿液結(jié)合和充填情況，并測(cè)定其力學(xué)指標(biāo)是否達(dá)到相應(yīng)部位混凝土的設(shè)計(jì)要求值。芯樣試驗(yàn)內(nèi)容主要為抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度。

5 針對(duì)裂縫預(yù)防采取的綜合措施

(1)壩體底板混凝土分塊澆筑。設(shè)計(jì)各壩段常態(tài)混凝土底板寬度為20 m，長(zhǎng)度在40～60 m之間，為整體結(jié)構(gòu)，一倉(cāng)澆筑完成。在右岸一期基坑底板澆筑過(guò)程中，出現(xiàn)了規(guī)律性較強(qiáng)的橫向貫穿性裂縫(沿壩軸線(xiàn)方向)，將底板均勻地分成了幾塊；根據(jù)該現(xiàn)象，在左岸二期基坑底板澆筑中，設(shè)計(jì)人員將各壩段底板進(jìn)行了分塊，每塊長(zhǎng)度不超過(guò)20 m，各塊間按施工縫處理進(jìn)行鑿毛、并設(shè)置φ25插筋連接，同時(shí)底板增設(shè)限裂鋼筋，具體為滿(mǎn)鋪φ25鋼筋，間排距為20 cm。通過(guò)該項(xiàng)措施，左岸二期基坑內(nèi)的壩體底板裂縫明顯少于右岸一期基坑，同時(shí)，橫向裂縫進(jìn)一步減少，證明該項(xiàng)裂縫處理措施對(duì)壩體底板裂縫起到了一定的遏制作用。

(2)采用碾壓混凝土替代常態(tài)混凝土底板。該工程為全壩段固結(jié)灌漿，采用2 m厚的C9020常態(tài)混凝土作為固結(jié)灌漿的蓋重層。由于采用砂巖骨料，因骨料自身的一些特殊屬性使得常態(tài)混凝土水泥用量相對(duì)偏高，水化熱偏大，較易出現(xiàn)壩體裂縫。實(shí)踐中，通過(guò)優(yōu)化，取消了2 m厚的常態(tài)混凝土底板，在建基面清基后，澆筑30 cm厚的鋼筋混凝土墊層找平，然后直接進(jìn)行碾壓混凝土澆筑，碾壓混凝土澆筑的第一層作為固結(jié)灌漿蓋重層。如此實(shí)施，既減少了常態(tài)混凝土底板因水泥用量偏高而造成的壩體裂縫，又避免了因固結(jié)灌漿基礎(chǔ)抬動(dòng)帶來(lái)的底板裂縫。實(shí)踐證明：該項(xiàng)措施有效，后期澆筑的大壩底板均未出現(xiàn)裂縫。

6 結(jié) 語(yǔ)

該工程壩基及采石場(chǎng)均為砂巖地質(zhì)條件。由于砂巖作為混凝土骨料存在一些先天性的缺陷，給配合比設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑質(zhì)量控制帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致壩體底板出現(xiàn)裂縫。壩體裂縫給大壩安全和穩(wěn)定帶來(lái)了潛在的隱患。裂縫出現(xiàn)后前期處于發(fā)育期，處理不當(dāng)會(huì)影響裂縫的處理質(zhì)量，給大壩安全留下隱患；處理不及時(shí)會(huì)延誤關(guān)鍵線(xiàn)路工期，有可能使工程工期滯后一年而導(dǎo)致?lián)p失嚴(yán)重。通過(guò)該工程的實(shí)踐和總結(jié)，采用化學(xué)灌漿進(jìn)行壩體裂縫處理，處理后的底板裂縫鉆孔取芯的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)孔內(nèi)成像檢測(cè)，裂縫內(nèi)部的化學(xué)漿液飽滿(mǎn)密實(shí)，達(dá)到了裂縫處理的效果。同時(shí)，提出了裂縫預(yù)防措施，對(duì)國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型工程具有較高的參考意義和實(shí)用價(jià)值。