北方寒冷地區大型水工隧洞鋼筋混凝土裂縫處理探討

陳 雷

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司,沈陽 110000)

由于大型水工隧洞的特殊作用,襯砌混凝土標號一般很高且受外圍約束極強,硬化過程中襯砌混凝土因水化熱作用內部溫度升高,加之圍巖的約束作用較強很容易導致較大的溫度應力[1]。對于過水隧洞,貫穿性裂縫的存在直接影響著結構安全狀況。在長期水化學和水頭力學作用下,淺層裂縫和表面裂縫不斷發展造成鋼筋銹蝕,使得襯砌結構的耐久性、穩定性、強度和剛度下降,甚至會出現滲流通道危及結構安全,產生滲水、漏水及水資源浪費等問題。另外,一旦水工隧洞出現裂縫,對這種地下隱蔽工程的修復處理難度較高,故裂縫所帶來的危害極大[2-5]。豐滿水電站位于松花江干流,運行環境復雜惡劣,泄洪工程泄量大、水頭高且河谷窄,溢洪道流量和泄洪功率較高。因此,為保證水工隧洞的安全運行,必須選用合適的方法有效處理其內部裂縫。

1 工程概況

豐滿水電站建于東北嚴寒地區,上、下游建有紅石、白山等梯級水電站以及永慶反調節水庫,主要組成部分包括左岸泄洪洞、溢流壩、混凝土重力壩、變電站以及壩后式廠房等。其中,泄洪洞襯砌厚度1.0～1.5m,為鋼筋混凝土結構;重力壩最大壩高90.5m,壩頂高程267.7m,共有60個壩段,右岸32#～60#與左岸1#～8#為擋水壩段,9#～19#、20#、21#～31#為溢流、過渡和發電引水壩段。研究區屬季風大陸性氣候,特點是晝夜溫差大、寒冷干燥。多年平均降水量656.2mm,相對濕度60%,極端最高、最低氣溫為37.0℃和-42.5℃,年均氣溫3.9℃,平均風速2.9m/s,冰封期約130d。因此,混凝土裂縫的形成主要受惡劣的外部環境和冬雨季施工等因素的影響。

2 裂縫處理方法

2.1 裂縫分類

為保證水工隧洞的安全運行和使用功能,對于鋼筋混凝土及大體積混凝土按照設計和規范要求,采用鉆孔灌漿法處理D類貫穿性裂縫及縫面較寬的C類深層裂縫。一般地,D類裂縫寬度≥0.4mm,C類裂縫寬度>0.3mm且≤0.5mm[6]。施工前,必須依據設計要求全面普查裂縫,并合理分類,按照不同裂縫特性采取適合的處理措施,條件允許時可以針對典型裂縫開展灌漿試驗,通過試驗確定最優技術參數,確保裂縫的達標處理。

2.2 灌漿材料性能

依據現行規范相關要求,研究使用PSI-530系列環氧樹脂材料進行水工隧洞襯砌混凝土裂縫處理,環氧樹脂漿液的性能參數,見表1。

表1 環氧樹脂漿液的性能參數

其中,m、n代表兩種組份,控制試驗溫度(20±2)℃,漿液可操作時間≥30min,起始黏度不超過30mPa·s,漿液密度≥1.00g/cm3。經檢測,漿液及固化物性能符合設計規范要求,高溫時不宜按5∶1配比,應考慮實際情況選用合適配比。

2.3 冬季施工措施

低溫會在一定程度上增大起始黏度,進而影響裂縫的灌注,延長質量檢查及表面修復、初凝時間和可操作時間[7-8]。同時,封縫后的待凝時間會隨著環氧樹脂凝固時間的延長而增大,并且灌漿質量還會受到縫內地下滲水及鉆孔用水結冰的影響。實際施工時,可以適當加大現場取樣頻次,通過觀察凝結時間及時調整漿液配比。在-5～0℃環境下環氧樹脂的的性能參數,低溫下環氧樹脂漿液的性能參數,見表2。

表2 低溫下環氧樹脂漿液的性能參數

因此,應盡可能選擇在低溫季節進行混凝土裂縫的處理,這是因為低溫時收縮裂縫張開有利于灌漿處理和裂縫普查,但溫度過低會對灌漿效果造成不利影響[9]。冬季施工時主要包括以下措施:①洞內裂縫處理的合理環境溫度為5～20℃,可以考慮具體條件采取掛設擋風簾、搭設保溫棚或其它手段調整合適溫度;②洞外裂縫處理時應盡量選擇高溫時段;③在配制漿液時可以將攪拌時間適當延長,保證各組分混合均勻;④適當延長質量檢查時間,大多選擇10～14d。

2.4 裂縫處理施工

2.4.1 準備工作

1)檢查裂縫。全面清理表面雜物和砂漿,用高壓水沖洗干凈后普查混凝土裂縫,精準測量,統一編號。采用電子測縫儀多點測量縫寬、縫長,并考慮滲水和析出物情況初步判定縫深,綜合考慮各項參數合理劃分裂縫類型。其中,C、D類通常為貫穿性裂縫,編錄時要詳細描述是否為貫穿裂縫、裂縫的走向、長寬深、有無溶出物和滲水情況等,結合編錄繪制裂縫分布圖。

2)灌前清理縫面。清理干凈裂縫兩側5～10cm范圍內的混凝土,打磨完成后使縫口完全出露,將縫面上的浮灰等雜物用高壓水進行沖洗。縫面清理后,必須符合不起砂、不松脫、干凈、平整等要求,當縫面干燥且表面張開無阻塞物時才能進行封縫。

3)鉆孔處理。布設方式選用斜縫和騎縫孔,后者能夠作為補充灌漿孔和灌漿排水、排氣孔,沿裂縫中心布置騎縫孔,控制孔間距約50cm,鉆孔與縫面走向相同或垂直于混凝土面[10]。采用鉆頭直徑25mm的水磨鉆進行鉆孔,控制孔深不超過5cm。斜孔是一種交叉布設在裂縫兩側的化學灌漿孔,單側間距處于200～300cm之間,可以按照縫寬大小調整,如適當提高滲水處的鉆孔數,鋼筋密集處的孔距適當增加,為合理控制通常單邊布置前斜孔和神斜孔。

一般地,裂縫位置距離斜孔鉆孔為20cm,以縫深的1/3處和2/3處作為前斜孔、深斜孔的穿線位置,按照離縫距離和穿縫深度計算鉆孔角度,化學灌漿孔深與鉆孔角度,見表3。然后采用直徑32mm的水磨鉆進行斜孔鉆孔,成孔后利用風槍或清水水槍清洗,該過程中要觀察裂縫是否與斜孔連通。

表3 化學灌漿孔深與鉆孔角度

4)埋管、埋嘴和封縫。沖洗干凈后使用快速堵漏劑,將T型灌漿嘴固定于騎縫孔,以2～3mm厚的環氧膠泥刮抹在裂縫兩側各5～10cm處,封閉裂縫和孔口。對淺斜孔和深斜孔單孔要埋設一根進漿管(深入孔底)及一根回漿管(露出封堵段),保證孔內充滿漿液以及孔內漿水或積水混合物的順利排出,確保封孔和灌漿質量。

5)壓風檢查。完成封縫和灌漿管埋設后,統一標識和編號所有鉆孔,控制風壓約0.1MPa,封縫48h時檢查風壓,明確孔連通情況。檢查壓風時將孔內積水吹出,并扎緊灌漿管;用肥皂水涂刷縫面封閉處能夠檢驗其封閉效果,對密封不合格的必須返工。

2.4.2 灌漿處理

1)灌漿順序。根據管路暢通和連通情況,合理確定化學灌漿流程,總體按照從低到高、先灌串通孔再灌非串通孔的原則灌注,即先灌深、淺斜孔,再補灌騎縫孔的順序。灌注過程中應關注騎縫孔及相鄰斜孔是否出現泛漿,若相鄰斜孔泛漿應及時排出泛漿中的漿水與積水混合物,并灌至達標閉漿待凝[11]。

2)控制灌漿壓力。化學灌漿應遵循受灌裂縫黏接良好、充填飽滿、低壓漫灌的原則,控制灌漿壓力處于0.2～0.4MPa之間,按照注入量情況可以適當減小或增大,但最高≤0.4MPa。從0.1MPa開始按照0.1MPa/5min的方式逐級升高灌漿壓力,若灌漿時出現較大耗漿量,必須查明原因或用快凝漿材關注,也可待凝或間歇灌漿,控制冬季的待凝時間約為20h。如果灌漿時出現管頭封堵或縫面封閉不嚴等問題,必須及時處理后才能灌漿。

3)結束條件。在預定壓力下,當灌漿孔吸漿率接近0時,持續灌注30min且灌漿壓力不減小,以此作為停止條件,管頭閉漿直到漿液初凝。

2.4.3 灌后縫面處理

完成灌漿后,在待凝10～14d期間鏟除灌漿管,打磨、清理干凈灌漿孔口,并使用環氧膠泥填平。將2～3mm厚環氧膠泥刮涂在滲水處斜孔附近5cm范圍,確保表面的平整和平順連接。

2.4.4 異常處理

處理裂縫時有少數不通非連續性騎縫孔時,一般不會影響整體處理質量。在處理隧洞變強豎向裂縫時,可以適當加大高速水流區距離以降低混凝土平整度受鉆孔的影響。

對于較大斜孔孔距,如果存在幾個連續孔的通風效果都不好,必須結合具體情況進行補打。為確保填充密實飽滿以及漿液浸潤充分,可以采取間歇放漿或延長時間的方式。若該過程中存在管頭埋設不密實或縫面封閉不到位,并產生漏漿的情況,必須及時處理后才能灌漿,特別是要注重對豎縫的處理。另外,灌漿流量較高時可以采取待凝、降壓、用快凝漿材和間歇灌漿等措施。

在處理滲水裂縫特別是高速過流面時,可以使用鉆孔灌漿法和常規封閉處理措施。雖然刻槽法具有較好的臨時縫面封閉效果,但后期使用時受較大晝夜溫差影響,基材與處理材料存在較大差異,極易發生二次破壞和脫落情況。

3 灌漿檢查

為降低過流面受鉆孔的不利影響,選用Φ32mm穿縫鉆孔進行壓水檢查,選用Φ76mm騎縫鉆孔以3%～10%的單元比例進行取芯檢查,為擴大檢查范圍按照錯開壓水取芯單元的方式進行物探無損檢查。

3.1 目測檢查

通過錘擊、目測的方式檢查每條裂縫,以錘擊聲間清脆、無孔洞、無氣泡和滲水現象為標準,原混凝土結構與灌后裂縫縫面緊密連接,縫面充填漿液飽滿、密實,檢查不合格的要返工處理。

3.2 鉆孔壓水

采用Φ32mm的鉆孔穿縫,對灌漿效果進行壓水檢查,檢查單元600個,壓水達到0.32MPa(灌漿壓力的80%),經檢查透水率<0.1Lu,符合規范設計要求。采用Φ76mm騎縫鉆孔進行取芯檢查,檢查比率10.2%符合要求,檢測62個單元。通過全景圖像檢測發現,環氧漿材能夠密實、飽滿地填充縫面。

3.2 無損檢測

按照8%的單元比例進行灌后無損檢測,通過對比灌漿前、后的聲波變化共完成53個單元檢測,結果顯示縫面密實填充符合設計要求,裂縫灌后無損檢測數據,見表4。

表4 裂縫灌后無損檢測數據

4 結 論

1)采用環氧樹脂鉆孔灌漿法能夠有效處理北方寒冷地區水工隧洞混凝土D類貫穿性裂縫及C類深層裂縫,縫面灌漿密實、飽滿,處理效果較好。采用D類和C類裂縫處理方案能夠保證裂縫處理質量,該技術方案切實可行。

2)裂縫處理應選擇在冬季,這是因為低溫時收縮裂縫張開有利于灌漿處理和裂縫普查,但溫度過低會對灌漿效果造成不利影響,其適宜溫度為5～20℃。為防止溫度過低使得漿液稠度過大、縫面結冰等,可以采取洞室布設掛簾或搭設保溫棚等措施,以保證灌漿質量。對于混凝土裂縫處理應做好工序質量控制,以保證這種隱蔽工程的全過程施工質量可控。