化学灌浆技术在水工混凝土裂缝处理中的应用

卢凤丽

(辽宁省本溪市水库移民管理局，辽宁 本溪 117000)

水工混凝土是水利水电工程中经常性或周期性受水作用建筑物的重要组成部分，常用于水上、水下和水位变动区等水工建筑物。水工混凝土结构具有体积大、施工环境复杂、质量控制难度高等特点，受采用标准及设计方案、混凝土原材料性能、水工结构体型、分缝分块、碾压速率、结构配筋以及施工温湿度控制等因素的综合制约，裂缝是混凝土水工结构最常见也是不可避免的质量缺陷[1- 2]。一些规模较小、深度较浅的细微裂缝(缝宽<0.2mm，缝深≤30cm)或表面(浅层)裂缝(0.2mm≤缝宽<0.3mm，30cm<缝深≤100cm)，对混凝土水工结构整体性、稳定性、耐久性和抗渗性等不会带来较大影响，可不予处理或监测运行。但当温度应力超过混凝土抗拉强度或外部荷载引起拉伸变形大于混凝土极限拉伸变形时，会直接产生或细微裂缝逐步扩大成缝宽≥0.3mm或缝深超过100cm的深层裂缝，将会造成水工结构内部钢筋锈蚀及混凝土抗碳化、抗冻融、抗疲劳和抗渗漏等性能降低，给水工混凝土结构受力、耐久性和稳定性带来较大影响，甚至导致水工结构安全系数降到临界值以下，严重威胁到水工建筑物运行的安全稳定性[3]。

化学灌浆作为快速高效防渗堵漏技术，我国从20世纪50年代开始就对其技术和应用开展研究，并从20世纪70年代开始在水利水电大坝基础和混凝土缺陷处理、坝基断层破碎带防渗加固、大坝渗水或流速较大涌水封堵等工程领域得到广泛应用，适用于裂缝面渗水的各种特殊环境[4]。同时，DLT 5406—2010《水工建筑物化学灌浆施工规范》的颁布实施，为规范水利水电工程化学灌浆施工行为，确保水工建筑物裂缝处理施工质量，提供了重要技术支撑[5]。因此，结合水工混凝土裂缝质量缺陷实际，合理选用与工程实际相匹配的化学灌浆材料及施工技术，来快速处理水工建筑物渗漏问题，恢复混凝土结构整体性和稳定性尤为重要。

1 工程概况

某大(2)型水库碾压混凝土重力坝溢洪道由进口段、控制段、泄槽段、消力池段和海漫段等组成。其中：泄槽段位于桩号(溢)0+35.500～(溢)0+215.500部位，前与闸室段连接，后与消力池段连接，总长180m，底宽36m，底板高程827.50～907.50m。桩号(溢)0+59.500～(溢)0+215.500为台阶式陡槽，长156m，台阶79级，每级台阶高1m，长2m，底板坡比i=1∶2。底板、边墙均采用抗冲耐磨C30钢筋混凝土，厚1.0m。溢洪道采用底流式消能，消力池位于桩号(溢)0+215.500～(溢)0+301.500部位，前与泄槽段连接，后与海漫段连接，长86m，底宽45m，底板高程827.50m。底板、边墙均采用抗冲耐磨C30钢筋混凝土，厚2.5m。为适应溢洪道基础不均匀沉降变形，在泄槽段和消力池段均设置纵横向结构缝，不设缝宽，缝内采用一道“Z”形铜止水，缝面涂刷乳化沥青。

2 溢洪道裂缝现状及成因分析

溢洪道泄槽段和消力池段底板和边墙混凝土采用商品混凝粘土泵送方式，连续浇筑作业。浇筑完成后采用土工布覆盖并洒水养护。工程于2013年5月竣工，经过压水试验等质量检查，于2014年1月通过验收。工程历经2014年、2015年和2016年3a的汛期考验，各项指标运行状况良好。2017年7—9月汛期，水库上游入库100a一遇洪峰流量，消力池下游持续在852.50～853.00m高水位运行。7月10日开始，大坝廊道排水监测系统连续发出溢洪道泄槽底7-8、消力池底2-3和消力池底3-4部位的3个排水孔存在异常渗漏排水信号，排水量达620L/min。由于处于汛期，随时起动监测运行机制。监测运行期，排水量有所增加，但增加幅度不太明显。

汛期结束后2018年1月5日，水库管理人员会同监理、设计和施工单位对溢洪道异常渗水问题进行现场排查时发现，消力池段底板混凝土表面存在1条基本平行于溢洪道中心线的纵向裂缝，长18.2m，缝宽0.15～0.21mm；泄槽及消力池底板横向结构缝张开量显著发展，局部张开达到2.5～3.5mm。查阅工程档案资料发现，出现异常渗漏问题的3个排水孔处的结构缝，有2处预埋铜止水结构层遭受过施工破坏，后期进行过修复处理。结合现场踏勘、工程档案资料和钻孔分析，与会专家共同分析讨论认为，导致溢洪道泄槽段和消力池段出现异常大流量渗漏排水问题，主要原因为：①施工时预埋铜止水结构层被破坏，虽经防渗修复处理但其结构缝的铜止水伸缩性能大大降低；②2017年1—4月期间，库区持续零下10℃以下的低温及连续7d零下30℃以下的极端低温冰冻环境，加上春季气温快速上升消融，泄槽段与消力池段的水工混凝土结构缝和预埋排水管与混凝土间接触面在持续冰冻收缩和消融膨胀作用下，混凝土发生拉裂、局部铜止水破坏[4]。加上汛期尾水长时间高水位运行，泄槽及消力池段水流流速及脉动压力较大，导致异常大流量渗漏排水现象出现。

3 溢洪道裂缝修复处理

3.1 裂缝深度钻孔检测

为进一步掌握消力池底板长18.2m纵向裂缝的深度，采取钻孔对裂缝做详细检测分析，即：沿裂缝走向布置2组三角形钻孔，其布孔方式如图1所示。声波检测结果显示：消力池底板长18.2m的纵向裂缝，没有贯通，缝深h为0.6～0.8m，为底板混凝土结构厚度D(2.5m)的0.24～0.32倍，属浅层～深层裂缝。

图1 检测钻孔布置示意

3.2 裂缝防渗加固修复方案

根据溢洪道运行条件及结构要求，按照“上堵下排，以堵为主，以排为辅”原则，对溢洪道底板纵向裂缝和结构缝采取不同的处理方案，对裂缝渗漏通道进行全方位封闭处理[6,7]。结合溢洪道裂缝特性，综合考虑技术、经济等因素，最终确定消力池底板纵向长裂缝采用塑性止水材料充填，泄槽和消力池段结构缝采用LW/HW水溶性聚氨酯化学材料进行灌浆处理。

3.2.1纵向裂缝充填防渗加固修复

消力池底板长18.2m纵向裂缝深度，缝深h为0.6～0.8m，属浅层～深层裂缝。为了便于浆材充填入裂缝深处，沿裂缝在混凝土面层刻深约30mm，宽200mm的矩形槽，并在矩形槽中间刻深50mm“V”形槽，将槽面彻底清洗干净并烘干后充填入塑性止水材料，并回填环氧砂浆封槽。塑性止水材料充填裂缝处理如图2所示。

图2 裂缝塑性止水材料充填处理

SR塑性止水材料是水工混凝土裂缝柔性嵌缝、封缝止水材料，是一种塑性高、抗渗可靠、耐老化且易施工的优质高分子材料改性止水材料[8]。在10～-10℃环境下，该材料断裂伸长率可达800%～850%；在厚度≤5mm、48h条件下，抗渗性可达2.0MPa；在20～-20℃环境下循环冻融试验在300次以上。塑性止水材料充填完后，采用环氧砂浆回填至混凝土结构面，并涂刷防渗材料。

3.2.2结构缝化学灌浆防渗加固修复

针对泄槽段和消力池段结构缝由于冻融破坏，造成止水失效大流量渗漏问题，设计在铜止水以上400mm范围内采用化学灌浆进行防渗加固修复处理。灌浆材料选择亲水性好、粘结性好的LW和水质适应性强、水中固化能力强的HW水溶性聚氨酯化学材料，按照LW∶HW=4∶6的比例进行混合使用，以实现对水工混凝土结构缝补强加固同时实现粘结防渗处理。为保证化学灌浆孔能穿过水工结构缝，在结构缝单侧布置45°斜孔。结构缝化学灌浆防渗加固处理方案，如图3所示。

图3 结构缝化学灌浆处理

结构缝化学灌浆施工工艺为[9- 10]：布孔(在结构缝单侧沿裂缝长度方向布置45°斜孔，孔距2.0m)→凿槽→钻斜孔(采用地质钻机钻Φ35化学灌浆孔，斜率按1∶1进行控制)→冲孔清理(斜孔钻孔完毕，采用0.1MPa高压水进行灌浆孔冲洗)→埋设灌浆管(埋设Φ16化学灌管)→压水试验(水压控制在0.5MPa内)→洗缝(用0.6MPa压力风吹干灌浆管路及缝面，并采用丙酮进行清洗)→灌浆(初始压力选择0.1MPa，并按0.1MPa压力逐级增加，最大压力控制在0.5MPa以内)→封孔处理。采用单孔灌浆，其余孔敞开方式灌浆，待相邻孔冒浓浆为止，依次逐孔进行灌浆。灌浆结束标准为单孔吸浆量约等于0，并继续加压灌注30min后方可结束。灌浆结束待浆液冷凝24h后拆除灌浆管，并采用80mm厚丙乳砂浆进行封孔和封缝处理，要求丙乳砂浆层密实，表面平整光滑。

3.3 裂缝防渗加固处理效果

溢洪道消力池底板18.2m纵向裂缝及3处结构缝，经过塑性止水材料充填和LW/HW水溶性聚氨酯混合化学灌浆处理后，3个检查孔压水检测显示透水率为0.1～0.5Lu，远低于设计3Lu要求，裂缝得到有效灌注和粘结。2018年7—9月汛期，溢洪道消力池尾水继续处于852.00～852.30m高水位运行，排水廊道监测的泄槽段及消力池段排水管渗漏量大大降低，由处理前的平均每分钟635L左右降低到50mL左右。溢洪道泄槽段和消力池段混凝土裂缝和结构缝处理前后渗漏量监测对比数据，见表1。

表1 溢洪道裂缝处理前后排水廊道渗漏量对比

由表1可知，溢洪道纵向裂缝和结构缝经塑性止水材料充填和LW/HW水溶性聚氨酯化学灌浆防渗加固修复处理后，廊道监测总排水量最大为0.052L/min。

4 结论

水库重力坝溢洪道泄槽段和消力池段水工混凝土裂缝和结构缝张开量显著发展问题，经塑性止水材料充填和化学灌浆处理后，纵向裂缝和结构缝得到有效灌注和粘结，水工混凝土结构整体性、耐久性和抗渗性与处理前相比有较大提高，透水率和渗漏量处理后检测结果满足设计要求，达到了预期防渗加固修复处理效果。