水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿方法研究

蓋志新

(陽谷縣水利局 排灌中心，山東 陽谷 252300)

0 引 言

水電站堆石壩在長時間的沖刷和水壓侵蝕下，會導致水電站堆石壩產生細微裂隙，從而影響水電站堆石壩的安全性和可靠性，需要對水電站堆石壩細微裂隙進行優化灌漿處理。通過各類新型灌漿套筒設計，進行灌漿方法的優化設計，提高水電站堆石壩的結構性能，研究水電站堆石壩細微裂隙的灌漿方法。通過受壓承載力與初始剛度特征分析，在各試件的荷載-變形分布結構中進行灌漿模式優化設計，采用試件分析方法，提高抗拉能力。研究水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿方法，在促進水電站堆石壩的建筑施工質量提升優化中具有重要意義[1]。

在進行水電站堆石壩細微裂隙的灌漿方法設計中，當前主要方法是通過傳感器與試驗機加載的方法，結合灌漿套筒超聲檢測，進行灌漿優化控制[2]。文獻[3]中設計缺陷可檢修型半灌漿套筒連接拉伸性能試驗模型，分析水電站堆石壩細微裂隙灌漿缺陷率，并進行是否修補、修補材料種類判斷，實現水電站堆石壩細微裂隙灌漿修補設計，但該方法在變形能力與無缺陷試件控制的性能不好。文獻[4]中進行高溫后半灌漿套筒抗拉性能試驗研究，研究了溫度對灌漿料性能的影響，以及錨固長度、保護層厚度對高溫后水電站堆石壩細微裂隙灌漿的影響，實現灌漿過程優化控制，但該方法在設計及工程施工的可靠性不好。

針對上述問題，本文研究水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿方法，首先進行水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿的試件結構分析，然后進行灌漿過程控制和參數模型設計，最后進行水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿的試驗可靠性研究，并得出有效性結論。

1 灌漿試件結構分析和加載方案

1.1 水電站堆石壩細微裂隙灌漿試件結構分析

水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿主要以高強度的水泥作為基質材料，通過WAW-1000WE的1 000 kN微機化學電熱輔助控制下，進行半灌漿套筒極限拉力傳導控制[5]，實現水電站堆石壩細微裂隙拉拔試驗和灌漿料標準試塊的抗壓實驗。以《裝配式混凝土結構技術規程》(JGJ 1―2014)作為技術規范，水電站堆石壩細微裂隙在高溫后灌漿料試塊抗壓試驗在 YAW-300B 微機控制電液式水泥壓力試驗機完成，水電站堆石壩細微裂隙灌漿試件加載示意圖見圖1。

圖1 水電站堆石壩細微裂隙灌漿試件加載示意圖

根據圖1，微裂隙帷幕化學灌漿的加載制度根據《鋼筋機械連接技術規程》(JGJ 107-2010)，灌漿料的性能參數見表1，鋼筋性能參數見表2，混凝土性能參數見表3。

表1 灌漿料性能

表2 鋼筋性能參數

表3 混凝土性能

根據表1-表3對水電站堆石壩細微裂隙灌漿試件結構分析和性能參數設置，采用Q345 無縫鋼管通過拉伸實驗的方法，進行水電站堆石壩細微裂隙的灌漿料試塊抗壓試驗，采用有限元分析軟件 MSC.Marc 進行數值模擬，在豎向和水平向進行加載，進行水電站堆石壩細微裂隙灌漿的傳力機制分析和裂隙模型參數分析[6]。

1.2 灌漿過程加載方案

結合“灌漿”和“后澆帶”等技術措施，在水電站堆石壩細微裂隙灌漿配置中，采用 MU10 級黏土磚，M5 級砂漿作為基質材料，采用MU10 級黏土磚作為預制材料，螺桿與錨孔之間的縫隙用 C50 級灌漿料，采用預制鋼筋混凝土作為支撐結構，采用X 射線數字成像檢測的方法，實現對水電站堆石壩細微裂隙灌漿過程中的顯示以及過程控制。在首次灌漿中，通過注射化學灌漿材料優選，在成像探頭的輔助控制下，實現對水電站堆石壩細微裂隙灌漿設備參數控制和灌漿飽滿性的測試。水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿的實現設備結構圖見圖2。

圖2 設備結構圖

根據水泥漿體致密完整完整性分析，分析水泥漿體致密完整性，結合水泥漿體出現孔隙的裂紋分析、黏結應力分析以及平均拉力分析，采用圖3所示的鑄鐵半灌漿套筒試件進行化學灌漿。

圖3 鑄鐵半灌漿套筒帷幕化學灌漿設備

2 水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿過程優化

考慮不同的灌漿缺陷長度，開展單向拉伸加載試驗和加載測試，將水電站堆石壩細微裂隙分為碎屑巖裂隙、松散裂隙巖、中厚層狀粉砂巖裂隙，根據表4 鑄鐵半灌漿套筒破壞模式，進行電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿過程控制。表4中的參數為不同的巖層體系結構下的極限拉力，單位為kN。

表4 電站堆石壩細微裂隙鑄鐵半灌漿套筒破壞模式

表4中，符號Z代表水電站堆石壩細鑄鐵半灌漿套筒；10代表水電站堆石壩細微裂隙錨固長度為100 mm；C代表無保護層；T表示溫度，2表示200℃。在水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿過程中，通過傳感器與試驗機加載端相連，根據實測平均厚度計算細微裂隙帷幕主管的損失率，將預制GFRP管套入鑄鐵半灌漿套筒帷幕化學灌漿設備的主管中，實現水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿過程中的材料性能以及破壞模式分析。

3 試驗研究

試驗測試中，采用 Q345 無縫鋼管作為水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿管的主管，采用微機系統控制加載端位移，在水平支座和弧形支座的頂部建立連續殼單元模型，支管、主管、灌漿料滿足 Von Mises 屈服準則，屈服點和抗拉強度由材性試驗獲得，實驗裝置見圖4。

圖4 試驗裝置

圖4中，支管厚 4 mm、長300 mm，彈性模量取500 000 N/mm2，錨固長度為 120 mm，30 mm 保護層試件極限位移為100 mm。根據實驗參數，得到水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿的主管有限元分析結果，見圖5。

圖5 灌漿主管有限元分析

分析圖5可知，極限拉力和黏結強度之間具有線性相關性，不同溫度下的黏結強度擬合性能較好，測試主管塑料化區域的灌漿性能見圖6。

圖6 主管塑料化區域灌漿性能

分析圖6可知，采用該方法對石壩細微裂隙帷幕化學灌漿的穩定性較好，黏結強度和抗壓強度值輸出穩定，測試灌漿沖減面的極限抗拉性能見圖7，數值分析結果見表5。分析結果表明，通過優化的水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿處理，抗壓強度平均值提升，缺陷率減少，水電站堆石壩細微裂隙的缺陷修補得到優化。

圖7 灌漿沖減面的極限抗拉性能測試

表5 化學灌漿黏結強度和抗壓強度值

4 結 語

隨著灌漿技術的發展，灌漿方法的研究顯得很重要，在水電工程中采用化學灌漿技術，解決了一些工程技術難題。研究水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿方法，在促進水電站堆石壩的建筑施工質量提升優化中意義重大。本文研究水電站堆石壩細微裂隙帷幕化學灌漿方法，采用有限元分析軟件 MSC.Marc 進行數值模擬，在豎向和水平向進行加載，分析水電站堆石壩細微裂隙灌漿的傳力機制和裂隙模型參數。實驗分析表明，本文方法進行水電站堆石壩細微裂隙灌漿的修復性能較好，抗壓強度平均值提升，缺陷率減少。