水工混凝土裂縫處理中化學灌漿技術的應用分析

劉巖松

(莊河市水務事務服務中心，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

一般地，水工混凝土多用于水位變動區、水下和水上等周期性或經常性受水作用的水工建筑物。水工混凝土結構具有質量控制難度大、施工環境復雜、體積大等特點，受施工溫濕度控制、結構配筋、碾壓速率、分縫分塊、水工結構體型、原材料性能、設計方案及標準等因素的綜合作用。裂縫是一種不可避免且最常見的質量缺陷，一些深度較淺、規模較小的表面(淺層)裂縫(30cm<縫深≤100cm，0.2mm≤縫寬<0.3mm)或細微裂縫(縫深≤30cm，縫寬<0.2mm)，對水工混凝土結構抗滲性、耐久性、穩定性和整體性等不會造成較大影響，可監測運行或不予處理[1-2]。然而，當外部荷載引起拉伸變形超過極限值或溫度應力大于混凝土抗拉強度時會直接產生細微裂縫或逐步擴大成縫深超過100cm、縫寬≥0.3mm的深層裂縫，并進一步導致混凝土抗滲漏、抗疲勞、抗凍融、抗碳化等性能的降低及水工結構內部鋼筋的銹蝕，嚴重影響水工混凝土結構穩定性、耐久性和安全性，大大降低結構安全系數[3-4]。

關于化學灌漿技術的應用研究我國最早起始于1950s，并于1970s廣泛應用于流速較大涌水或大壩滲水封堵、壩基斷層破碎帶防滲加固、混凝土缺陷和大壩基礎處理等工程領域，對各種特殊的裂縫面滲水環境均具有較好適用性。此外，為了保證水工建筑物裂縫處理施工質量及更加規范水利工程化學灌漿施工行為，頒布實施的《水工建筑物化學灌漿施工規范》提供了重要技術支撐[5]。因此，結合工程實際裂縫質量缺陷合理選擇適用的施工技術及化學灌漿材料，對恢復水工結構穩定性、整體性以及建筑物漏水問題的有效處理等顯得尤為重要。

1 工程概況

以某河干流某大(1)型水利樞紐工程為例，溢洪道包括海漫段、消力池段、泄槽段、控制段、進口段等部分。其中，樁號(溢)0+25.5-(溢)0+205.5段為泄槽段，前后與閘室、段、消力池段相連接，底板高程812.5-906.5m，底寬35m，總長180m；臺階式陡槽位于(溢)0+49.5-(溢)0+205.5段，臺階尺寸長2m×高1m，底板坡比i為1∶2，臺階78級，總長156m，用C30耐磨抗沖鋼筋混凝土澆筑邊墻、底板，厚度為1.0m。采用底流式溢洪道消能，樁號(溢)0+205.5-(溢)0+290.5段為消力池，前后與泄槽段、海漫段連接，底板高程815.5m，底寬42m，總長85m，用C30耐磨抗沖鋼筋混凝土澆筑邊墻、底板，厚度為2.5m。消力池段與泄槽段設置縱橫向結構縫以適應基礎不均勻沉降，縫面涂刷乳化瀝青而縫內設一道“Z”形銅止水。

2 混凝土裂縫及成因

2.1 溢洪道裂縫現狀

采用泵送商品混凝土的方式澆筑溢洪道消力池段和泄槽段邊墻、底板，連續澆筑施工，澆筑后用土工布覆蓋，并定期灑水養護。2012年6月項目竣工，經壓水試驗等質量檢查于2013年1月通過驗收，經歷2013-2015年3a汛期考驗各項指標運行狀況良好。2016年汛期(6-9月)上游入庫洪峰流量達到100a一遇，消力池下游持續處于高水位(845.0-845.5m)運行。2016年8月6日，大壩廊道排水監測系統發出異常滲漏排水信號，信號來源于消力池底4-5及3-4部位、泄槽底6-7部位的3個排水孔，其排水量接近610L/min。結合汛期實際情況及時啟動監測運行機制，運行期排水量監測有所增大，但上升幅度較緩。

發出消力池底4-5及3-4部位、泄槽底6-7部位的3個排水孔的滲漏排水信號發生異常。

2.2 裂縫成因分析

2017年1月8日汛期結束后，針對溢洪道異常滲水問題水庫管理人員會同施工、設計、監理單位現場排查發現，消力池段底板混凝土表面存在縫寬0.15-0.20mm、長18.0m的縱向裂縫，裂縫走向與溢洪道中心線基本保持平行；消力池及泄槽段底板橫向結構縫局部張開達到2.0-3.0mm，張開量發展顯著。通過查閱相關資料可知，遭受施工破壞的2處預埋銅止水結構層雖經后期修復處理，但仍出現異常滲漏問題。依據工程檔案資料、現場踏勘和鉆孔分析結果，與會專家討論分析認為導致消力池段、泄槽段出現大流量異常滲漏排水問題的原因主要有：①2016年1-4月，庫區持續-10℃以下的極端低溫及春季氣溫快速上升消融環境下，消力池段和泄槽段水工混凝土與預埋排水管、結構縫之間的接觸面，在消融膨脹和持續冰凍收縮作用下銅止水發生局部破壞、混凝土拉裂，加之汛期尾水長期高水位運行使得消力池及泄槽段水流脈沖壓力、流速較大，從而出現大流量異常滲漏排水的情況；②預埋銅止水結構層在施工時就遭受破壞，后期雖經防滲修復處理但大大降低了其伸縮性能。

3 化學灌漿技術的應用

3.1 鉆孔檢測裂縫深度

將消力池底板縱向裂縫采用鉆孔法做詳細的檢測分析，以便準確了解裂縫的深度，即按圖1所示布孔方式將2組三角形鉆孔沿裂縫走向布置。結果顯示：長18.0m的縱向裂縫沒有沿消力池底板貫通，裂縫深度(0.50-0.72m)為底板厚度D(2.4m)的0.21-0.30倍，屬淺-深縫。

圖1 檢測鉆孔布設方式

3.2 裂縫防滲加固修復

遵循“以排為輔、以堵為主、上堵下排”的原則，考慮溢洪道結構要求及運行條件采取不同的方案處理底板結構縫和縱向裂縫，全方位封閉處理裂縫滲漏通道[6-7]。根據溢洪道的裂縫特性、經濟和技術等因素，最終選用塑性止水材料填充消力池底板縱向長裂縫，利用LW/HW水溶性聚氨酯化學材料對消力池和泄槽段結構縫做灌漿處理。

充填防滲加固修復縱向裂縫。消力池底板縱向裂縫長18.0m，裂縫深度h達0.50-0.72m，屬于淺-深縫。在混凝土面層沿裂縫刻寬約200mm、深30mm的矩形槽，中間刻深50mm的“V”型槽以便漿材充填入裂縫深處，及時清洗槽面并烘干，將塑性止水材料充填入裂縫并回填環氧砂漿封槽，見圖2。

圖2 塑性止水材料充填裂縫

SR塑性止水材料是一種易施工、耐老化、抗滲可靠、塑性高的高分子優質改性止水材料，對水工混凝土封縫止水、柔性嵌縫等具有較強的適用性。該材料在10℃--10℃環境下的伸長率能夠達到800%-850%，在48h、厚度不超過5mm條件下的抗滲性達到2.0MPa，其凍融循環試驗(20℃--20℃環境下)達到300次。充填塑性止水材料后回填環氧砂漿至混凝土結構面，并在混凝土結構面涂刷一層防滲材料。

化學灌漿防滲加固修復結構縫。為解決凍融破壞所引起的消力池段和泄槽段結構縫止水失效大流量滲漏問題，擬選用化學灌漿法加固修復銅止水以上400mm范圍。灌漿材料選用水中固化能力強、水質適應性強的HW和黏結性好、親水性好的LW水溶性聚氨酯化學材料，按照HW∶LW=6∶4的比例混合使用以實現水工混凝土結構縫的黏結防滲處理，以及補強加固[8-10]。在結構縫單側布置45°斜孔以確?；瘜W灌漿穿過水工結構縫，其主要施工工藝流程如下：①布孔，沿裂縫長度方向每隔2.0m在結構縫單側布設45°斜孔；②鑿槽鉆斜孔，控制化學灌漿孔斜率為1∶1，孔徑35mm，所用鉆機為地質鉆機；③沖孔清理，完成鉆孔后用0.1MP高壓水沖洗灌漿孔；④壓水試驗，試驗過程中控制水壓不超過0.5MPa；⑤灌漿，控制初始灌漿壓力為0.1MPa，按0.1MPa逐級加壓，控制最大壓力不超過0.5MPa；⑥按照流程完成封孔處理[11-14]。

采取單孔敞開的灌漿方式，相鄰孔冒濃漿后依次逐孔灌漿。以持續加壓灌注30min且單孔吸漿量約為零作為灌漿結束標準，完成灌漿后冷卻24h將灌漿管拆除，封縫和縫孔處理時選用80mm厚丙乳砂漿，要求表面平整光滑且丙乳砂漿層密實。

3.3 裂縫防滲加固效果

溢洪道3處結構縫及消力池底板18.0m縱向裂縫經HW/LW水溶性聚氨酯混合化學灌漿和塑性止水材料充填處理后，壓水檢測透水率顯示3個檢查孔為0.1-0.5Lu，不超過設計要求的3Lu，有效黏結和灌注了裂縫。2017年汛期(6-9月)，消力池尾水仍持續處于高水位(845.0-845.5mm)運行狀態，但監測的消力池段及泄槽段排水管滲漏量明顯減少，從處理前的610L/min左右顯著減小至60mL/min左右。處理前、后溢洪道消力池段和泄槽段結構縫及混凝土縱向裂縫的滲漏量監測數據，見表1。

表1 裂縫處理前后的排水廊道滲漏量

從表1可以看出，經HW/LW水溶性聚氨酯化學灌漿防滲加固修復和塑性止水材料充填處理后，廊道監測的溢洪道結構縫和縱向裂縫總排水量最大僅有0.061L/min。

4 結 論

針對溢洪道消力池段和泄槽段水工結構縫、混凝土裂縫張開量發展顯著問題，經化學灌漿和塑性止水材料充填處理結構縫、縱向裂縫得到有效黏結及關注，較處理前水工結構抗滲性、耐久性和整體性明顯提升，經檢測處理后的滲漏量和透水率符合設計要求，水庫重力壩溢洪道取得較好的防滲加固效果。