地下压力箱涵背水面堵漏技术应用研究

(北京韩建水利水电工程有限公司，北京 102488)

1 工程概况

河北省南水北调配套工程石津干渠沧州支线压力箱涵段担负着沧州市所有供水及衡水市部分供水输水任务，是石津干渠的重要组成部分，压力箱涵段线路总长约89.94km。供水目标包括衡水市的阜城、景县以及沧州市的交河、东光、吴桥、泊头和青县，并最终输水至大浪淀水库。

箱涵沧州境内长约57.26km，流量13m3/s，采用2孔3.0m×3.3m(宽×高)钢筋混凝土结构。每节箱涵外观尺寸为15m×7.3m×4.25m(长×宽×高)，每两节箱涵之间设2cm宽伸缩缝，缝内设一道橡胶止水带，并采用聚乙烯闭孔泡沫板填充，迎水面设2cm深双组分聚硫密封胶。具体结构尺寸如图1所示。

图1 箱涵断面(单位:cm)

2 工程运行情况

河北省南水北调配套工程自2015年12月试运行至今已3年，期间因各种原因，业主并没有安排试运行检修。2018年3月发现桩号168+180处伸缩缝处存在漏水现象，并使用水溶性聚氨酯化学灌浆进行封堵，封堵后表面无渗水现象，由于该处有地下水，且水流量较小，当时工作人员判断漏水点已封堵，且回填后一直未发现地表有渗水现。后来箱涵水压从3m水头加压至9m水头，于2018年12月发现该处再次漏水，且较为严重。2019年1月中旬桩号166+480伸缩缝处也发现漏水现象。

3 堵漏处理方案

3.1 渗漏原因分析

根据对箱涵设计图纸及施工情况的了解，结合现场表面覆土开挖后观察漏水点位置、漏水量大小，以及渗水压变化情况，初步分析可能产生漏水的原因如下：

a.由于橡胶止水带材料采用抽检方式，可能部分材料不满足性能要求，导致运行一段时间后橡胶止水带拉裂。

b.止水带接口采用热熔焊接连接方式，桩号166+480处右侧顶板有一个漏水点位置在止水带接头附近，可能是接头开裂引起漏水。

c.通过开挖覆土，箱涵顶部暴露后，发现伸缩缝处并未出现“错台”，可以判断不属于地基不均匀沉降引起漏水。

3.2 渗漏点位置判断

最初判断思路：由于箱涵上部覆土厚度大约3m左右，仅仅通过上部地表渗水无法判断伸缩缝渗漏点。根据现场实际情况，初步拟定在开挖上部、两侧覆土后，通过直接观察来找渗漏点，如发现渗漏点不在上部、两侧，则可推断渗漏点在箱涵下部。

实施中实际渗漏点情况：根据最初判断思路，采取发现一处封堵一处的原则，最后发现渗漏点并不呈最初想象中的“点”状，而是在整圈伸缩缝止水带与外部高密泡沫板之间形成了渗漏通道。

3.3 堵漏处理方案

3.3.1 材料选择

以往类似的渗漏处理，大都利用停水检修期间在箱涵内部迎水面使用水溶性聚氨酯进行化学灌浆。但本次因多种原因无法停水，只能在箱涵外部背水面进行处理。考虑水头高、渗漏量大，为保证封堵效果，将水溶性聚氨酯与油溶性聚氨酯进行对比分析，选择了油溶性聚氨酯作为堵漏化学灌浆材料。该材料相对水溶性聚氨酯具有发泡率高、发泡强度大、耐久性强等优点。两种材料性能指标对比见表1。

表1 水溶性聚氨酯与油溶性聚氨酯性能指标对比

3.3.2 施工机具选择

化学灌浆机：WGT-816高压灌浆机。

3.3.3 初步堵漏方案

起初对箱涵伸缩缝处上部及两侧开挖后，发现渗水点在南侧边墙与底板交接处，于是认为渗漏点就在此处。对底板下简单开挖50cm后进行常规钻孔灌注油溶性聚氨酯，发现此处虽不再渗漏，但渗漏点沿着伸缩缝向底板内部发展，且渗水量并没发生变化。于是在底板下部继续向内开挖，由于箱涵底板距离地面高约7.5m，宽度7.3m，地下水丰富，在冬季三九天进行施工(气温-10°)开挖难度非常大。然后，边开挖边简单支护掘进0.8m后进行钻孔灌浆封堵，发现渗漏点变化情况与前面一样。如此反复艰难处理，达到约3.5m处(箱涵中部)，情况依然如此。因天气寒冷，地下工作面狭小、积水严重，支护难度大，继续向内掘进确实困难，且存在底板掏空后出现沉降的安全风险。经研究决定停止南侧开挖，重新对渗漏情况进行分析，判断极有可能是止水带某处破坏后箱涵内部水穿过破坏的止水带，在止水带与外部高密泡沫板之间进行循环流动，在泡沫板薄弱处流出，形成渗漏水。因此，如果仅仅对某个点进行封堵，势必导致其他地方渗漏。漏水点示意见图2。

图2 漏水点水流示意图

3.3.4 方案调整与改进

3.3.4.1 工作思路

调整堵漏思路，即先对箱涵顶部、两侧伸缩缝暂未渗漏位置逐段进行灌浆封堵，通过这样的处理，一方面判断止水带具体破坏位置，另一方面彻底封堵渗漏通道。按照调整后的思路进行逐段排除处理，最后发现渗漏源头在箱涵底板下南侧3.5m范围内，具体位置还需逐段封堵才能找到。考虑之前采取底板开挖钻孔灌浆封堵的困难程度以及带来的风险，决定使用加长钻杆对底板水平钻孔进行灌浆，代替开挖钻孔灌浆的方式。

3.3.4.2 调整后的施工流程

施工流程：土方开挖→顶板分段(从中间向两侧)钻孔→顶板分段灌浆→边墙分段钻孔(从上至下)→边墙分段灌浆(从上至下)→底板分段钻孔(从外至内)→底板分段灌浆(从外至内)→外部防渗加固→防腐→回填。

a.土方开挖。上部覆土开挖露出顶板伸缩缝，两侧边墙至底板开挖露出边墙伸缩缝。边墙向下开挖至垫层，且不得破坏垫层混凝土，边开挖边降水，最后在垫层外侧设置排水坑放置污水泵。

b.缝面清理。钻孔前先用水清除缝面周围泥土。

c.钻孔。顶板、边墙钻孔：在伸缩缝两侧进行斜向钻孔，孔间距为30cm左右、孔的角度约45°、孔径10mm。钻孔深度根据设计图纸小于20cm，不得破坏止水带，以避免造成更大面积的漏水。

底板钻孔：因底板下部不开挖，钻孔只能从底板侧面进行水平钻孔。一般电钻钻孔深度在50cm左右，考虑灌浆扩散半径有限，计划定制加长钻杆钻孔，确保钻孔深度分别达到0.75m和1.5m，且不能破坏止水带。钻孔布置如图3所示。

图3 底板钻孔布置(单位:cm)

d.缝口封堵。注浆前用水不漏(速凝水泥基材料)对伸缩缝进行整修，封堵缝口表面以减少浆液的外漏。

e.化学灌浆。灌浆材料：注浆采用油溶性聚氨酯材料，该材料是单组分合成高分子物，黏度低，遇水产生交联反应，发泡生成多元网状封闭弹性体，同时释放大量二氧化碳气体，产生二次渗压，高压推力与二次渗压再次将弹性体压入并充满所有裂隙(包括肉眼难以观察的0.015mm微缝)，可达到止漏目的。对于空腔体渗漏，通过高压作用，一方面保证聚氨酯的渗透半径，同时还将发泡生成的弹性体进行挤密，保证弹性体的密实性、饱和性以及与空腔体的紧密结合。

灌浆方式：采取逐段分期法向灌浆。初期为填充注浆，通过斜向钻孔使浆液进入伸缩缝的全断面，浆液遇水化学反应后生成低密度轻型泡沫体，由外向深处扩张。再次注浆为高压注浆，通过增加灌浆压力，提高聚氨酯发泡体的密实度，保证发泡体与缝面紧密贴合。

因在寒冷的冬季灌浆，为加快油溶性聚氨酯发泡体的凝结及提高凝结强度，对灌浆机浆液输送管外绑电加热条进行加热。灌浆过程中，为减少浆液窜、冒，采取限压、限流、间歇待凝的方式予以控制。

f.观察与判断。方案调整前，底板已经从南侧向北侧方向开挖了约3.5m(箱涵宽度的一半)，且对已经开挖的部分进行了灌浆封堵处理，因此在对顶板、边墙以及底板北侧逐段灌浆时，可以通过观察底板中部渗漏变化情况来判断封堵效果。如漏量减少或不漏则可判断灌浆处即为止水带破坏处，从而对该段重点灌浆；如有浆液流出，则可判断灌浆处与渗漏处形成了通道。

通过逐段灌浆观察，最后发现在灌注北侧底部水平孔时渗漏水明显减少，且浆液流出，于是判断该段为止水带破坏处。由于灌浆处与渗漏处形成了通道，不能连续灌浆，只能间歇待凝，最后经过两次灌浆，渗漏处彻底不再漏水。

g.橡胶板外加固防渗。伸缩缝灌浆封堵处理完毕后，观察2天未发现有渗水现象，对开挖暴露的伸缩缝外部进行橡胶板安装。橡胶板选用厚度6mm宽度40cm的优质橡胶；压板选用6mm厚的钢板；采用直径6mm的镀锌螺栓压紧，螺栓间距25cm。

h.防腐。安装前对混凝土结合面清理后涂刷环氧煤沥青，钢板涂刷环氧煤沥青，安装完毕后，在钢板及螺母等表面涂刷环氧煤沥青防腐。

i.回填。上述工序全部完成后，再观察一天左右，未发现任何渗漏现象后对开挖部位进行回填。

以国家土壤环境质量标准［9］中的二级标准和广西地区土壤背景值［10］为依据，对荸荠地土壤中锌、铜和铬含量进行分析。由表4可知，锌、铜和铬在荸荠土壤中含量范围分别为 63.9～126.8、9.1～18.9、1.2～26.8 mg／kg，均值分别为 83.8、12.6、11.4 mg／kg。锌元素在土壤中的含量低于国家土壤环境质量二级标准，但其平均值已超出广西地区土壤背景值；铜、铬元素含量均低于国家土壤环境质量二级标准值和广西地区土壤背景值，且含量相对较低。从变异系数来看，铬元素在土壤中的变异较大，而锌元素在土壤中的变异较小。

因本次渗漏处理方案调整前已经对箱涵底部北侧进行了开挖，因此对箱涵底部采取了灌注砂浆的回填方式，确保箱涵地基的稳定。对于箱涵两侧及顶部回填，采取常规台背回填方式进行。

4 实施效果

本次对沧州境内两处压力箱涵伸缩缝渗水问题进行了处理，两处渗漏原因基本相同，处理后效果相同。但因及时进行方案调整，经济效果却不相同，采取调整后底部非开挖实施方案的箱涵处理时间(3天)比调整前处理时间减少12天，节约直接成本约10万元。实施效果见图4，经济效益对比见表2。

图4 实施前后效果对比

表2 经济效益对比分析

5 施工注意事项

a.渗漏箱涵覆土清除后，要及时对渗漏水进行抽排，不能长期积水，防止因积水浸泡导致地基承载力降低。

b.找到表面渗漏点后，要根据各渗漏点渗漏量大小、渗漏位置及时分析渗漏原因，再安排封堵顺序。在封堵时，要边堵边观察，以便及时调整封堵方案。

c.钻孔前要详细熟悉图纸结构尺寸；钻孔时不能破坏止水带。

d.灌浆封堵完毕后，不要急于回填，留1～2天观察期，便于再次渗漏时及时处理。

6 结论及建议

6.1 结论

针对地下压力箱涵结构缝渗漏，尤其是箱涵底板背水面渗漏，采取上述非开挖钻孔灌浆方案进行施工，不仅质量可靠，而且能减少工期、节约成本。

6.2 建议

a.在压力箱涵结构缝渗漏处理中，为保证修补后的耐久性，建议采用优质油溶性聚氨酯灌浆材料。

b.对于结构渗漏问题，采取背水侧封堵只是权宜之计，维持时间有限。对于压力箱涵结构缝渗漏问题，还应通过停水，在箱涵内部迎水面进行彻底处理。