防渗墙补强加固技术在赵山渡引水工程的应用

张 伟 李渭清 刘孔英

(1.温州市水利建设管理中心，浙江 温州 325000；2.杭州市河道与农村水利管理服务中心，浙江 杭州 310014；3.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231)

1 问题的提出

混凝土防渗墙是水利水电工程中的重要防渗措施，适用于覆盖层地基和土石坝。由于混凝土防渗墙的相关缺陷问题日益突出，混凝土防渗墙缺陷修复是水利工程管理与维护中不可避免的问题。多例渗漏引起垮坝的事件表明渗漏水库除险加固决不能轻视，渗漏水库除险加固可以消除渗漏安全隐患，保障水库安全，保护下游人民群众生命和财产安全，提高工程社会和经济效益[1-3]。

赵山渡引水工程位于浙江省温州市瑞安市，属于珊溪水利枢纽工程，由引水枢纽和输水渠系组成[4-6]。建筑物主要有泄洪闸、重力坝、河床式电站厂房等。工程属Ⅱ等工程。设计洪水标准为百年一遇，校核洪水标准为千年一遇。泄洪闸采用消力池底流消能，消力池下游依次布置辅助消能工护坦、海漫和防冲槽。

自2004年12月以来，赵山渡水库大坝多个泄洪闸闸墩下游侧的结构伸缩缝出现不同程度的渗漏现象。由于水库已经投入运行，水库闸坝渗流缺陷引起的原因往往很难发现，对缺陷进行有效处理更为困难。目前对运行状态下的渗漏缺陷处理研究较少，该类工程缺陷处理有较好的技术研究与市场应用前景。

2 加固原则与设计

2.1 目标与难点

本研究中补强加固技术的目标为：在不放空赵山渡水库，保证温州地区城镇正常供水的前提下，通过对防渗墙补强加固施工，研究探索防渗墙渗漏处理方法，最终使赵山渡水库大坝泄洪闸下游墩缝漏水现象消失，基础扬压力明显下降，满足设计和现行规范要求。具体内容[7]如下：

a.判定砂卵石地层中的混凝土防渗墙渗漏缺陷可能位置、范围、渗漏量。

b.确定砂卵石地层中混凝土防渗墙不同大小、深度及渗漏强度等缺陷的处理方法。

c.从现有防渗补强灌浆材料中，针对混凝土防渗墙不同大小、深度及渗漏强度等缺陷情况，选择相应的堵水、补强灌浆材料。

根据研究目标与目前技术，防渗墙补强加固的主要技术难点如下：

a.水库不放空的条件下，水下沙砾石地层中的钻孔成孔。

b.水库不放空的条件下，砂卵石地层中的混凝土防渗墙渗漏缺陷可能位置的判定。

c.水库不放空的条件下，混凝土防渗墙渗漏位置的封堵、加固处理。

2.2 补强加固技术分析与设计

2.2.1 渗漏缺陷位置分析

赵山渡泄洪闸防渗墙是薄壁结构[8]，主要薄弱部位有：ⓐ防渗墙每个槽段Ⅰ、Ⅱ序孔之间接缝处；ⓑ防渗墙顶部和墙体连接处施工缝；ⓒ防渗墙顶部伸缩缝之间止水结构。渗漏缺陷问题主要有：ⓐ施工时闸基地质条件引起的塌孔导致防渗墙墙体变薄的质量缺陷；ⓑ浇筑混凝土时产生混凝土骨料离析现象引起蜂窝等质量缺陷；ⓒ由于防渗墙墙体较薄，水库蓄水后防渗墙运行过程中可能产生细裂缝。

2.2.2 加固处理的原则

经过对赵山渡工程泄洪闸的水下检查、试验性修补及上游护坦和垂直止水系统的全面修复，浅滩区泄洪闸基底扬压力变化不大，闸墩下游伸缩缝漏水仍然明显，表明赵山渡泄洪闸的浅滩区防渗墙墙体内存在较大的渗漏通道。为确保赵山渡工程的安全运行，必须加固防渗墙，封堵渗漏通道，消除漏水、降低基底扬压力，使泄洪闸的渗透稳定满足现行规范的要求。根据赵山渡引水工程承担的功能任务，水库运行的实际情况，宜按照以下原则对防渗墙进行加固处理：

a.由于水库承担着温州地区供水功能，并且放空水库具有较长的施工工期，经济投入较大，因此在考虑技术与投资条件下，需要在保证水库正常运行状态下，采取水下作业来寻找防渗墙渗漏发生部位。

b.虽然无法直接判断防渗墙渗漏缺陷的具体部位，但考虑到泄洪闸位于砂砾石之上，其基础渗漏处理需要符合渗透变形基本原理，即常用的“上堵、下排”方法。首先，封堵上游渗漏入口，切断渗漏路径，阻碍渗入。其次，考虑到砂砾石的影响，需要铺设土工布于消力池基建面之上。

对泄洪闸的基底扬压力进行监测，结合渗漏情况的分析，并参考防渗墙CT检测成果，确定全面灌浆范围与重点灌浆区段，先处理重点区段，后处理其他区段。

3 补强加固施工方案

赵山渡引水枢纽具有飞云江下游和温州地区的供水、灌溉、生态等功能，要求灌浆施工使用的材料本身无毒环保，且具备耐久性。由于水下渗漏处理施工工艺复杂且在水下进行，因此在进行泄洪闸防渗墙渗漏处理时，尽可能降低库水位以减少水下作业处理的范围，减小水下工作量，提高施工质量，缩短施工工期。泄洪闸现有防渗系统由原混凝土防渗墙、泄洪闸上游护坦伸缩缝和闸墩垂直伸缩缝止水系统组成，伸缩缝已经按照要求处理完毕，本文主要对泄洪闸防渗墙处理方案进行研究探讨。

3.1 备选方案1：防渗墙上游侧帷幕灌浆

该方案是紧靠原防渗墙上游侧新设一道防渗帷幕与原防渗墙一起形成新的防渗墙。优点是：ⓐ符合防渗系统离上游较近的原则；ⓑ对原防渗墙潜在缺陷的修补作用较强；ⓒ新设的防渗帷幕施工要求较独立的防渗帷幕可低一些。该方案缺点是：ⓐ灌浆帷幕位于上游砂砾石层，表层有近3m厚的抛石，成孔难度较大；ⓑ灌浆过程中向上游侧范围较大，容易漏浆，材料使用量难控制。

3.2 备选方案2：直接在防渗墙墙体灌浆

该方案直接在防渗墙墙体中钻孔灌浆，对防渗墙的缺陷进行加固处理，优点是：ⓐ对工程原设计防渗体系进行补强加固，针对性强；ⓑ混凝土内钻孔不易塌孔，灌浆易控制。但由于原防渗墙厚度仅为0.80m，在水库不放空的情况下，对在防渗墙墙身内钻深孔技术要求较高，施工难度大，施工期较长，容易对原防渗墙产生新的破坏。

3.3 备选方案3：防渗墙下游侧帷幕灌浆

该方案在原防渗墙下游侧水平护坦部位钻孔灌浆，形成新的灌浆帷幕。优点是钻孔相对容易成孔，灌浆量控制相对容易。缺点是：ⓐ防渗体距上游较远；ⓑ对原防渗墙没有补强加固作用；ⓒ需要在护坦混凝土上开孔(数量较多)，如封堵不密实，极易形成新的渗透通道；ⓓ灌浆后造成新的地基强度不均匀，容易引起泄洪闸不均匀沉降。

3.4 补强加固方案的确定

考虑原防渗墙结构安全及施工可行性等因素，直接在防渗墙墙体钻孔灌浆方案对防渗墙破坏明显，而且防渗墙渗漏缺陷定位难度相当大，技术上可行性较差。因此，排除直接在防渗墙墙体灌浆的方案。综合考虑剩余2个方案的技术与经济相关指标，选择在原防渗墙上游侧进行帷幕灌浆的补强加固处理方案，尽管该方案存在抛石层成孔难度较大、灌浆过程向上游的漏浆不易控制的缺点。

4 防渗墙加固处理中的灌浆材料研究

水下基础灌浆技术难度大，必须根据赵山渡防渗墙渗漏特点，选用满足水下动水灌浆要求的灌浆材料。对几种典型的灌浆材料的可灌性、防渗性、初凝时间、终凝时间等指标进行试验研究，包括有机灌浆材料、普通硅酸岩水泥、特种快速早强水泥、水泥-水玻璃灌浆材料等。

4.1 聚氨酯化学灌浆材料

聚氨酯化学灌浆材料属于亲水性的高分子材料，其特点是遇水乳化、分散、固结，延伸性较好，能适应活动缝的变形，尤其是遇水膨胀的性能(可达250%)可以调节。其处理活动裂缝的原理是亲水性基团与混凝土的黏结力较强，黏结强度大于1MPa，广泛用于各种裂缝的封闭处理[9]。此种材料除了价格昂贵，同时需要相应的水下密封材料来达到灌浆效果。

根据施工方案特点，通过试验研究了几种常用化学灌浆材料的物理力学性能，发泡时间、止泡时间和发泡倍数与温度、催化剂含量、水温的关系，饱和面干(潮湿)黏结强度(3天)，凝胶时间，催化剂对凝胶时间的影响，不同水量对凝胶时间的影响，抗压强度(含弹性恢复)，抗拉强度和遇水膨胀率等指标或关系。凝胶时间实验结果(见图1)表明该类材料可以显著提高凝结效果。

图1 凝胶试验结果

4.2 水泥-水玻璃材料

水泥-水玻璃材料作为灌浆材料，其主要成分是水泥和水玻璃，需要将两种材料按照比例，在双液混合器内充分混合，得到双浆液。该材料的特点是经济投入少、毒性小、凝结快速、强度高等，同时具有化学浆液与水泥浆液的特征[10]。该材料的凝结时间范围广，可从几秒到几十分钟，结石率可达到100%，较纯水泥浆有明显提高。

4.2.1 凝结时间

水玻璃与水泥的相对含量、水灰比、水玻璃模数是影响该材料性能的主要因素。水玻璃含量对凝结时间影响较大，以水泥浆的体积为基准，水玻璃在25%～60%之间时，凝结速度较快，同时变化较为平缓。水泥、水玻璃双浆液试验结果(见表1)表明凝结时间具有以下规律：

表1 水泥、水玻璃双浆液试验成果

a.水玻璃模数与二氧化硅含量、凝结时间、结石强度成正比。

b.水泥浆浓度提高加快了凝结时间。

c.在30～50°Bé范围内，水玻璃浓度与凝结时间成反比。

d.水玻璃与水泥的体积比在0.3∶1～1∶1范围内时，水玻璃用量与凝结时间成正比。

4.2.2 结石强度

该材料结石的抗压强度主要受水灰比的影响，同时也受水玻璃溶液的浓度、水玻璃与水泥浆液的比例等因素的影响。其主要规律如下：

a.水灰比与结石的抗压强度成反比。

b.当水灰比较小时，水玻璃浓度与不同龄期结石的抗压强度成正比；而当水灰比处于中间状态时，无明显规律性；当水灰比较大时，二者成反比关系。

c.水玻璃与水泥体积比存在一个适宜的比例范围，使得水泥与水玻璃的化学反应完全，结石强度较高。

4.3 快速固化水泥灌浆材料

4.3.1 材料特征

该类型材料的主要技术特点如下：

a.工作性好：水灰比较小时，流动性较好，填充间隙的能力较强。

b.早强高强：3d、28d的抗压强度分别大于45MPa、70MPa，安装较快。

c.黏结强度较高、收缩较小，可以与接触材料牢固结合。

d.耐久性好：属于无机灌浆材料，抗老化，基本无锈蚀。

4.3.2 使用方法

该类型材料的使用方法如下：

a.需要先清理干净填充空间再灌注清理干净，表面需预湿半天左右。

b.对于小空间二次灌注，直接加水拌和。对于大空间二次灌注，可加入5～10mm粒径的石子。

c.可用人工插捣处理较小的空隙，需要提前把气体赶跑，经12h后需要及时养护(浇水或湿草袋覆盖)，养护期1～2周。

4.4 灌浆材料的选用

灌浆材料的选择需要综合考虑胶凝速度、可灌性、结石强度等指标。由于原防渗墙上游侧有30多m厚的砂砾石层，表面有3m厚的抛石层，都会影响灌浆效果，因此这里采用多种灌浆材料，包括水泥、特种水泥、水泥-水玻璃、聚氨酯浆材等常规松散层灌浆浆材。而具体灌浆过程还需根据现场实际情况进行调整。所选材料指标如下:

a.42.5普通硅酸盐水泥：

技术指标:抗压强度:3d不小于17.0MPa，28d不小于42.5MPa；

抗折强度:3d不小于3.5MPa，28d不小于6.5MPa；

流动度:199mm。

b.水玻璃：

成分组成：二氧化硅，氧化钠；

技术指标：水玻璃模数:2.4～3.4；

波美度:30～45°Bé。

c.特种水泥：

成分组成：还原性特制硫铝酸盐水泥，聚丙烯酰胺絮凝剂；

技术指标：形状:灰白色粉末；

密度：2.8～3.0g/cm3；

结石率：不小于98%；

抗压强度:1d 15MPa，7d 30MPa；

凝结时间:20～90min可调；

流动度:280～320mm。

5 结论与建议

用灌浆技术处理土石坝渗漏问题有许多成功经验，而用于处理类似赵山渡工程的混凝土坝体渗漏较为少见。施工过程中，进行了调整成孔工艺、在主要渗漏通道部位增加钻孔密度、改变浆液配比等一系列探索性工作，最终取得了封堵渗漏通道的成功，消除了下游结构缝的漏水，降低了闸坝的基底扬压力，满足了大坝渗流稳定要求。本研究中防渗墙的灌浆加固处理，有许多可供总结的宝贵经验，可为类似水利工程除险加固提供借鉴。