高分子聚合物355A3在龍羊峽水電站大壩廊道漏水問題的應用

張曉峰，蘇曉軍，孫玉軍，李貴信

(青海黃河水電開發有限公司，青海西寧810001)

1 問題的提出

龍羊峽水電站位于黃河干流上，是黃河上游龍～青段梯級開發規劃中的龍頭電站，電站壩頂高程為2 610 m。電站總裝機容量為1 280(4×320)MW，電站以發電為主，在西北電網中擔任調峰、調頻和事故備用，是西北地區大型骨干電站之一。該電站于1976年開工，1987年～1989年機組相繼投產發電，1990年主壩完成2 610 m高程封拱。2000年通過安全驗收。從1986年蓄水，電站至今已安全運行20余年。龍羊峽水電站地處我國西部高寒地區，受當時施工技術水平和條件所限，加之冬季施工等，部分部位混凝土出現開裂，加之凍融侵蝕，導致近些年大壩和廊道部位出現局部滲漏。滲漏會引發溶蝕、鋼筋銹蝕、地基凍脹等其他病害，加速壩體混凝土老化，縮短大壩的壽命，滲漏加劇甚至會危及壩體的穩定與安全[1]。

對于混凝土大壩滲漏問題，灌漿是常見的防滲加固處理方式之一。針對滲漏特征(流量、滲透壓力等)，選擇不同的灌漿材料、工藝是防滲灌漿施工核心問題。本文針對龍羊峽水電站大壩廊道滲漏處理問題，以2 585 m高程和2 600 m高程廊道內上游側滲水壩段處理為對象，探討了注漿材料355A3的特點及其防滲處理施工工藝，并與初期選擇的灌漿材料聚氨酯進行了對比。

2 廊道滲漏問題及滲漏原因分析

2.1 滲漏現象

2019年，在對龍羊峽水電站大壩安全檢查過程中發現，龍羊峽水電站大壩下游壩面存在一定程度滲水，其中4號壩段2 595 m高程附近出現滲水現象(見圖1a)，6號壩段2 592 m高程、7號和8號壩段2 592 m高程到2 594 m高程等附近出現潮濕現象(見圖1b、圖1c)。

圖1 下游壩面滲水情況

龍羊峽水電站大壩滲漏主要出現在2 585 m高程和2 600 m高程廊道附近。對9號、15號壩段2 585 m高程廊道處進行鉆孔灌漿，當鉆孔達到9.1 m深時，孔口出現涌水，水柱噴高60 cm，孔口封閉測量水壓1 kg，表面與壩前水位同高?？椎着c閘門槽水平距離是2.5 m。用傳統聚氨酯化學灌漿堵漏處理，每個孔堵漏4 d左右，滲漏量仍未減少，沒有達到預期效果。

2.2 原因分析

2012年黃河上游來水是個特豐年，全年來水較多年平均值偏多33.3%，之后黃河上游持續5年來水為偏枯年份。2018年，來水再次出現一個特豐年，較多年均值偏多44%，洪峰接近10年一遇洪水標準3 660 m3/s。

水庫蓄水后，上游水位升高與廊道有一定的水頭差。在水力作用下，水沿著滲漏通道流向廊道四周[2]，裂縫是水工結構最常見的質量缺陷[3]，混凝土結構大面積架空或呈蜂窩狀，使得壩體上、下游有庫水聯通的可能性。

3 常規聚氨酯灌漿處理工藝及效果

3.1 灌漿材料選擇

一般化學灌漿材料選擇要求漿材具有流動性好、可灌性高、黏度小、有微膨脹性，能夠充填飽滿且快速凝固，達到補強的目的，不會被水沖蝕流失[4-5]的特點，與混凝土裂縫有足夠的粘結強度、不易脫開、抗拉、抗壓強度高，無危害性、不易燃易爆，對環境無污染[6]。

最初在26號和19號壩段2 600 m高程廊道處、15號和9號壩段2 585 m高程廊道處、31號壩段2 497 m高程騎縫廊道處等部位采用傳統化學聚氨酯灌漿堵漏。

3.2 灌漿施工工藝

3.2.1造孔

(1)化學灌漿鉆孔。對于只穿過一條縫隙的鉆孔，不分段；對穿過多條縫隙的鉆孔，在縫隙處分段，分段穿過縫面，按照從上至下的順序依次處理各條縫隙。

(2)灌漿孔鉆孔采用XY-2型地質鉆機。為保證鉆孔質量，在開孔前，羅盤校正角度，使用鉛直的鉆桿，并使用配套的鉆桿接頭，鉆機均采用地錨固定。

(3)所有鉆孔孔位、孔深、孔斜和分段長度等應按施工圖紙和技術要求規定執行。鉆孔方位、傾角，應按設計圖進行施工，所有鉆孔應統一編號和分次序施工。鉆孔開孔位置與設計孔位偏差一般不大于5 cm。

3.2.2洗孔

(1)沖洗采用導管通入水流進行孔壁沖洗或串孔沖洗，孔壁沖洗從孔底向孔外沖洗的方法進行鉆孔沖洗，串孔沖洗由一孔進水相鄰其他各孔出水的方法進行層面沖洗。

(2)沖洗壓力采用80%的灌漿壓力，最大壓力不超過0.4 MPa，沖至回水澄清后10 min結束，且滿足總時間要求，即單孔不少于10 min，串通孔不少于30 min。

3.2.3壓水試驗

(1)對于澆筑層面(或裂縫)出現滲水情況的灌漿孔要求進行相鄰孔串通性壓水檢查，以保證鉆孔穿過縫面，壓水過程中注意觀察壩后縫面滲漏情況。

(2)縫面串通性壓水檢查，壓水壓力為0.25～0.35 MPa，相鄰孔出水即表明與縫面串通；串通性較差的灌漿孔壓水檢查，壓水壓力為0.3～0.5 MPa，壓水時間為20 min，每5 min測讀一次壓水流量，取最后的流量值作為計算流量，其成果以透水率表示。

3.2.4灌漿

(1)化學灌漿按二次序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。

(2)對灌注廊道內下打的灌漿孔深度為3.5～12.9 m，采用孔口封閉，自上而下分段鉆孔做壓水試驗。若該段不滲水，則不必灌漿直接進入下一段鉆孔；若滲水量較小Q<5 L/min，則直接進行聚氨酯灌漿；若滲水量仍較大，則應按要求先灌注水泥凈漿。

(3)每孔(段)灌漿結束后均待凝72 h，方可拆除閥門或進行下一段的鉆灌。

(4)灌漿壓力按0.3 MPa。

(5)灌漿控制標準。漿液初凝時間采用8～10 h。在設計壓力條件下，注入量q≤0.005 L/min持續30 min或者累計注入量達到80 L/m時，灌漿即可結束。當注入量q≤0.05 L/min時，應盡快提高到設計最大壓力灌注，直至結束。

3.2.5封孔

灌漿結束待凝時間達到要求后，將孔口預埋管和留置漿液鏟除，人工二次采用干硬性砂漿封孔搗實，砂漿比例為水泥∶砂∶水=1∶1∶0.5。

3.2.6灌漿后質量檢查

水泥灌漿結束3 d后，對原漏水量較大的孔(段)進行掃孔或在其附近布置檢查孔，數量按灌漿孔數的5%布置，壓水試驗ω≤1 Lu時，即認為該段灌漿合格。壩后水平縫、廊道周壁或混凝土無砂排水管無集中滲漏水現象，混凝土表面滲水或潮濕屬正常情況。

3.2.7廢棄物處理

灌漿施工所產生的廢水、廢漿經過沉淀后，排至集水井內。廢漿沉淀物和施工所產生的廢渣及時派專職人員清理裝袋，及時運走。

3.3 灌漿效果

采用傳統化學聚氨酯灌漿堵漏，滲漏點的滲漏量仍未減少，沒有達到預期效果。

4 355A3灌漿處理工藝及效果

4.1 高分子聚合物355A3特性

高分子化學堵水材料355A3是一種低黏度，雙組分合成高分子材料，采用高壓灌注進行堵水時，樹脂和催化劑混合在一起反應生成多元網狀彈性體。聚合物材料遇水反應即發生膨脹，膨脹系數為7～20。即使被充填的裂縫水流處于運動狀態，材料也會牢牢固結所填充部分，且不影響其性能。材料凝固后具有持久耐酸、堿腐蝕和抵抗微生物破壞的性能，以達到長時間堵水目的。材料反應迅速，具有較大的強度和硬度，有水或無水情況下均可反應并凝固，環境中有水時，其可與水反應并形成堅硬泡沫，無水情況下，產品反應形成堅硬的晶體狀材料。其操作工藝簡單，反應開始時間(60±15)s，反應時間(80±15)s即可達到堵水效果，而且該材料的粘結強度、抗壓強度較高，不會出現收縮現象。

高分子化學堵水材料355A3由樹脂和催化劑組成，其混合體積比為1∶1，樹脂和催化劑的性能參數如表1所示。355A3材料的基本性能參數為最高反應溫度≤140 ℃，膨脹倍數>1，抗壓強度≥50 MPa，抗拉強度≥20 MPa，抗剪強度≥20 MPa，干粘結強度≥4.5 MPa，濕粘結強度≥2.5 MPa，滲透系數≤1×10-6cm/s。355A3材料具有較好的抗老化性和抗凍融性且對水質無影響。

表1 355A3材料的性能參數

4.2 355A3堵漏防滲技術

4.2.1注漿布孔方案

對15號和9號壩段2 585 m高程廊道處進行355A3注漿，注漿孔使用已經打好并出現涌水的鉆孔進行注漿。注漿孔孔徑為56 mm，15號壩段孔深121.9 m，9號壩段孔深87.6 m。用鉆具打孔，根據注漿孔參數保證注漿孔的深度及角度。注漿管路里面接1 m注射花管和2 m注射管，后面接1個封孔器，然后接簡易混合槍，最后接2根長6 m的雙液注漿管，如圖2所示。

圖2 注漿管連接示意

4.2.2施工工藝

根據施工方案下雙液注漿管路，當注漿管路下好后，啟動注漿泵，當封孔器打開后，注漿孔內的水立即被封住，孔口沒有涌水。封孔器打開后，正式往里注漿，當注漿量達到預計注漿量時，繼續注漿3～5 min停止該孔注漿。

注漿設備采用ZQBS-8.4/12.5型氣動注漿泵。氣動注漿泵由氣動馬達帶動下方3個活塞，工作時吸料管分別插到2種液體料桶中，活塞泵通過吸排料管抽運雙組份材料的2種液體介質。2種液體分別通過高壓軟管壓送到雙液注射混合槍里混合，混合物通過注射管送到目的位置。雙液化學注漿泵注漿時將行程與回程的注漿量設計為相等，以便注漿時流量均勻，注漿缸在往復運動過程中負荷相等，運動平穩，沖擊振動小。

采用環向自沖式封孔器進行鉆孔內注漿封孔。封孔器由阻尼片阻止漿液通過封孔器，因此漿液被壓入封孔器橡皮圈直到封孔器被固定在鉆孔壁上，產生環徑向束縛力，造成壓力迅速上升，阻尼片破裂，漿液進入鉆孔內，橡皮片(其功能類似于單向閥)，阻止封孔器松脫。

355A3材料由樹脂和催化劑組成。兩組分均為成品，打開包裝后即可使用。使用專用的雙液注漿泵按1∶1的體積比注入。使用前在 15 ℃以上的條件下儲存組分，在注漿時首先要連接混合管，以使2種組分在注漿過程中達到最佳混合效果。設備清洗在暫停使用時，通過泵將樹脂注入混合管及注漿管進行清洗。

4.2.3灌漿效果評價

傳統注漿工藝一般是灌注水泥漿液，但是灌注水泥漿液的工藝較復雜，水泥漿液的凝固時間較長，水泥漿液易隨水流出現大量流失的現象，造成材料浪費，在涌水量較大的情況下堵水效果差，當水泥漿液凝固后，會出現收縮現象，可能會再次出現出水的情況。

高分子化學材料355A3注漿在水壩堵水領域為一新型注漿技術，從注漿后現場滲漏量測定可知，實際防滲效果好。使用該項技術注漿簡化了注漿工藝、每個孔注漿時間由原來24～48 h縮短到8 min，只需2人8 min完成，大大提高了堵水效果、減小了工人的勞動強度。

5 結論與展望

本文結合龍羊峽水電站大壩廊道滲漏封堵問題，對滲漏原因進行了分析，嘗試了傳統聚氨酯化學灌漿和高分子化學堵水材料355A3注漿，從現場施工效果來看，新型高分子化學堵水材料355A3注漿效果好且注漿工藝簡單，值得進一步推廣應用。