化學灌漿技術在水工混凝土裂縫處理中的應用

盧鳳麗

(遼寧省本溪市水庫移民管理局，遼寧 本溪 117000)

水工混凝土是水利水電工程中經常性或周期性受水作用建筑物的重要組成部分，常用于水上、水下和水位變動區等水工建筑物。水工混凝土結構具有體積大、施工環境復雜、質量控制難度高等特點，受采用標準及設計方案、混凝土原材料性能、水工結構體型、分縫分塊、碾壓速率、結構配筋以及施工溫濕度控制等因素的綜合制約，裂縫是混凝土水工結構最常見也是不可避免的質量缺陷[1- 2]。一些規模較小、深度較淺的細微裂縫(縫寬<0.2mm，縫深≤30cm)或表面(淺層)裂縫(0.2mm≤縫寬<0.3mm，30cm<縫深≤100cm)，對混凝土水工結構整體性、穩定性、耐久性和抗滲性等不會帶來較大影響，可不予處理或監測運行。但當溫度應力超過混凝土抗拉強度或外部荷載引起拉伸變形大于混凝土極限拉伸變形時，會直接產生或細微裂縫逐步擴大成縫寬≥0.3mm或縫深超過100cm的深層裂縫，將會造成水工結構內部鋼筋銹蝕及混凝土抗碳化、抗凍融、抗疲勞和抗滲漏等性能降低，給水工混凝土結構受力、耐久性和穩定性帶來較大影響，甚至導致水工結構安全系數降到臨界值以下，嚴重威脅到水工建筑物運行的安全穩定性[3]。

化學灌漿作為快速高效防滲堵漏技術，我國從20世紀50年代開始就對其技術和應用開展研究，并從20世紀70年代開始在水利水電大壩基礎和混凝土缺陷處理、壩基斷層破碎帶防滲加固、大壩滲水或流速較大涌水封堵等工程領域得到廣泛應用，適用于裂縫面滲水的各種特殊環境[4]。同時，DLT 5406—2010《水工建筑物化學灌漿施工規范》的頒布實施，為規范水利水電工程化學灌漿施工行為，確保水工建筑物裂縫處理施工質量，提供了重要技術支撐[5]。因此，結合水工混凝土裂縫質量缺陷實際，合理選用與工程實際相匹配的化學灌漿材料及施工技術，來快速處理水工建筑物滲漏問題，恢復混凝土結構整體性和穩定性尤為重要。

1 工程概況

某大(2)型水庫碾壓混凝土重力壩溢洪道由進口段、控制段、泄槽段、消力池段和海漫段等組成。其中：泄槽段位于樁號(溢)0+35.500～(溢)0+215.500部位，前與閘室段連接，后與消力池段連接，總長180m，底寬36m，底板高程827.50～907.50m。樁號(溢)0+59.500～(溢)0+215.500為臺階式陡槽，長156m，臺階79級，每級臺階高1m，長2m，底板坡比i=1∶2。底板、邊墻均采用抗沖耐磨C30鋼筋混凝土，厚1.0m。溢洪道采用底流式消能，消力池位于樁號(溢)0+215.500～(溢)0+301.500部位，前與泄槽段連接，后與海漫段連接，長86m，底寬45m，底板高程827.50m。底板、邊墻均采用抗沖耐磨C30鋼筋混凝土，厚2.5m。為適應溢洪道基礎不均勻沉降變形，在泄槽段和消力池段均設置縱橫向結構縫，不設縫寬，縫內采用一道“Z”形銅止水，縫面涂刷乳化瀝青。

2 溢洪道裂縫現狀及成因分析

溢洪道泄槽段和消力池段底板和邊墻混凝土采用商品混凝粘土泵送方式，連續澆筑作業。澆筑完成后采用土工布覆蓋并灑水養護。工程于2013年5月竣工，經過壓水試驗等質量檢查，于2014年1月通過驗收。工程歷經2014年、2015年和2016年3a的汛期考驗，各項指標運行狀況良好。2017年7—9月汛期，水庫上游入庫100a一遇洪峰流量，消力池下游持續在852.50～853.00m高水位運行。7月10日開始，大壩廊道排水監測系統連續發出溢洪道泄槽底7-8、消力池底2-3和消力池底3-4部位的3個排水孔存在異常滲漏排水信號，排水量達620L/min。由于處于汛期，隨時起動監測運行機制。監測運行期，排水量有所增加，但增加幅度不太明顯。

汛期結束后2018年1月5日，水庫管理人員會同監理、設計和施工單位對溢洪道異常滲水問題進行現場排查時發現，消力池段底板混凝土表面存在1條基本平行于溢洪道中心線的縱向裂縫，長18.2m，縫寬0.15～0.21mm；泄槽及消力池底板橫向結構縫張開量顯著發展，局部張開達到2.5～3.5mm。查閱工程檔案資料發現，出現異常滲漏問題的3個排水孔處的結構縫，有2處預埋銅止水結構層遭受過施工破壞，后期進行過修復處理。結合現場踏勘、工程檔案資料和鉆孔分析，與會專家共同分析討論認為，導致溢洪道泄槽段和消力池段出現異常大流量滲漏排水問題，主要原因為：①施工時預埋銅止水結構層被破壞，雖經防滲修復處理但其結構縫的銅止水伸縮性能大大降低；②2017年1—4月期間，庫區持續零下10℃以下的低溫及連續7d零下30℃以下的極端低溫冰凍環境，加上春季氣溫快速上升消融，泄槽段與消力池段的水工混凝土結構縫和預埋排水管與混凝土間接觸面在持續冰凍收縮和消融膨脹作用下，混凝土發生拉裂、局部銅止水破壞[4]。加上汛期尾水長時間高水位運行，泄槽及消力池段水流流速及脈動壓力較大，導致異常大流量滲漏排水現象出現。

3 溢洪道裂縫修復處理

3.1 裂縫深度鉆孔檢測

為進一步掌握消力池底板長18.2m縱向裂縫的深度，采取鉆孔對裂縫做詳細檢測分析，即：沿裂縫走向布置2組三角形鉆孔，其布孔方式如圖1所示。聲波檢測結果顯示：消力池底板長18.2m的縱向裂縫，沒有貫通，縫深h為0.6～0.8m，為底板混凝土結構厚度D(2.5m)的0.24～0.32倍，屬淺層～深層裂縫。

圖1 檢測鉆孔布置示意

3.2 裂縫防滲加固修復方案

根據溢洪道運行條件及結構要求，按照“上堵下排，以堵為主，以排為輔”原則，對溢洪道底板縱向裂縫和結構縫采取不同的處理方案，對裂縫滲漏通道進行全方位封閉處理[6,7]。結合溢洪道裂縫特性，綜合考慮技術、經濟等因素，最終確定消力池底板縱向長裂縫采用塑性止水材料充填，泄槽和消力池段結構縫采用LW/HW水溶性聚氨酯化學材料進行灌漿處理。

3.2.1縱向裂縫充填防滲加固修復

消力池底板長18.2m縱向裂縫深度，縫深h為0.6～0.8m，屬淺層～深層裂縫。為了便于漿材充填入裂縫深處，沿裂縫在混凝土面層刻深約30mm，寬200mm的矩形槽，并在矩形槽中間刻深50mm“V”形槽，將槽面徹底清洗干凈并烘干后充填入塑性止水材料，并回填環氧砂漿封槽。塑性止水材料充填裂縫處理如圖2所示。

圖2 裂縫塑性止水材料充填處理

SR塑性止水材料是水工混凝土裂縫柔性嵌縫、封縫止水材料，是一種塑性高、抗滲可靠、耐老化且易施工的優質高分子材料改性止水材料[8]。在10～-10℃環境下，該材料斷裂伸長率可達800%～850%；在厚度≤5mm、48h條件下，抗滲性可達2.0MPa；在20～-20℃環境下循環凍融試驗在300次以上。塑性止水材料充填完后，采用環氧砂漿回填至混凝土結構面，并涂刷防滲材料。

3.2.2結構縫化學灌漿防滲加固修復

針對泄槽段和消力池段結構縫由于凍融破壞，造成止水失效大流量滲漏問題，設計在銅止水以上400mm范圍內采用化學灌漿進行防滲加固修復處理。灌漿材料選擇親水性好、粘結性好的LW和水質適應性強、水中固化能力強的HW水溶性聚氨酯化學材料，按照LW∶HW=4∶6的比例進行混合使用，以實現對水工混凝土結構縫補強加固同時實現粘結防滲處理。為保證化學灌漿孔能穿過水工結構縫，在結構縫單側布置45°斜孔。結構縫化學灌漿防滲加固處理方案，如圖3所示。

圖3 結構縫化學灌漿處理

結構縫化學灌漿施工工藝為[9- 10]：布孔(在結構縫單側沿裂縫長度方向布置45°斜孔，孔距2.0m)→鑿槽→鉆斜孔(采用地質鉆機鉆Φ35化學灌漿孔，斜率按1∶1進行控制)→沖孔清理(斜孔鉆孔完畢，采用0.1MPa高壓水進行灌漿孔沖洗)→埋設灌漿管(埋設Φ16化學灌管)→壓水試驗(水壓控制在0.5MPa內)→洗縫(用0.6MPa壓力風吹干灌漿管路及縫面，并采用丙酮進行清洗)→灌漿(初始壓力選擇0.1MPa，并按0.1MPa壓力逐級增加，最大壓力控制在0.5MPa以內)→封孔處理。采用單孔灌漿，其余孔敞開方式灌漿，待相鄰孔冒濃漿為止，依次逐孔進行灌漿。灌漿結束標準為單孔吸漿量約等于0，并繼續加壓灌注30min后方可結束。灌漿結束待漿液冷凝24h后拆除灌漿管，并采用80mm厚丙乳砂漿進行封孔和封縫處理，要求丙乳砂漿層密實，表面平整光滑。

3.3 裂縫防滲加固處理效果

溢洪道消力池底板18.2m縱向裂縫及3處結構縫，經過塑性止水材料充填和LW/HW水溶性聚氨酯混合化學灌漿處理后，3個檢查孔壓水檢測顯示透水率為0.1～0.5Lu，遠低于設計3Lu要求，裂縫得到有效灌注和粘結。2018年7—9月汛期，溢洪道消力池尾水繼續處于852.00～852.30m高水位運行，排水廊道監測的泄槽段及消力池段排水管滲漏量大大降低，由處理前的平均每分鐘635L左右降低到50mL左右。溢洪道泄槽段和消力池段混凝土裂縫和結構縫處理前后滲漏量監測對比數據，見表1。

表1 溢洪道裂縫處理前后排水廊道滲漏量對比

由表1可知，溢洪道縱向裂縫和結構縫經塑性止水材料充填和LW/HW水溶性聚氨酯化學灌漿防滲加固修復處理后，廊道監測總排水量最大為0.052L/min。

4 結論

水庫重力壩溢洪道泄槽段和消力池段水工混凝土裂縫和結構縫張開量顯著發展問題，經塑性止水材料充填和化學灌漿處理后，縱向裂縫和結構縫得到有效灌注和粘結，水工混凝土結構整體性、耐久性和抗滲性與處理前相比有較大提高，透水率和滲漏量處理后檢測結果滿足設計要求，達到了預期防滲加固修復處理效果。