北方寒冷地区大型水工隧洞钢筋混凝土裂缝处理探讨

陈 雷

(辽宁水利土木工程咨询有限公司,沈阳 110000)

由于大型水工隧洞的特殊作用,衬砌混凝土标号一般很高且受外围约束极强,硬化过程中衬砌混凝土因水化热作用内部温度升高,加之围岩的约束作用较强很容易导致较大的温度应力[1]。对于过水隧洞,贯穿性裂缝的存在直接影响着结构安全状况。在长期水化学和水头力学作用下,浅层裂缝和表面裂缝不断发展造成钢筋锈蚀,使得衬砌结构的耐久性、稳定性、强度和刚度下降,甚至会出现渗流通道危及结构安全,产生渗水、漏水及水资源浪费等问题。另外,一旦水工隧洞出现裂缝,对这种地下隐蔽工程的修复处理难度较高,故裂缝所带来的危害极大[2-5]。丰满水电站位于松花江干流,运行环境复杂恶劣,泄洪工程泄量大、水头高且河谷窄,溢洪道流量和泄洪功率较高。因此,为保证水工隧洞的安全运行,必须选用合适的方法有效处理其内部裂缝。

1 工程概况

丰满水电站建于东北严寒地区,上、下游建有红石、白山等梯级水电站以及永庆反调节水库,主要组成部分包括左岸泄洪洞、溢流坝、混凝土重力坝、变电站以及坝后式厂房等。其中,泄洪洞衬砌厚度1.0～1.5m,为钢筋混凝土结构;重力坝最大坝高90.5m,坝顶高程267.7m,共有60个坝段,右岸32#～60#与左岸1#～8#为挡水坝段,9#～19#、20#、21#～31#为溢流、过渡和发电引水坝段。研究区属季风大陆性气候,特点是昼夜温差大、寒冷干燥。多年平均降水量656.2mm,相对湿度60%,极端最高、最低气温为37.0℃和-42.5℃,年均气温3.9℃,平均风速2.9m/s,冰封期约130d。因此,混凝土裂缝的形成主要受恶劣的外部环境和冬雨季施工等因素的影响。

2 裂缝处理方法

2.1 裂缝分类

为保证水工隧洞的安全运行和使用功能,对于钢筋混凝土及大体积混凝土按照设计和规范要求,采用钻孔灌浆法处理D类贯穿性裂缝及缝面较宽的C类深层裂缝。一般地,D类裂缝宽度≥0.4mm,C类裂缝宽度>0.3mm且≤0.5mm[6]。施工前,必须依据设计要求全面普查裂缝,并合理分类,按照不同裂缝特性采取适合的处理措施,条件允许时可以针对典型裂缝开展灌浆试验,通过试验确定最优技术参数,确保裂缝的达标处理。

2.2 灌浆材料性能

依据现行规范相关要求,研究使用PSI-530系列环氧树脂材料进行水工隧洞衬砌混凝土裂缝处理,环氧树脂浆液的性能参数,见表1。

表1 环氧树脂浆液的性能参数

其中,m、n代表两种组份,控制试验温度(20±2)℃,浆液可操作时间≥30min,起始黏度不超过30mPa·s,浆液密度≥1.00g/cm3。经检测,浆液及固化物性能符合设计规范要求,高温时不宜按5∶1配比,应考虑实际情况选用合适配比。

2.3 冬季施工措施

低温会在一定程度上增大起始黏度,进而影响裂缝的灌注,延长质量检查及表面修复、初凝时间和可操作时间[7-8]。同时,封缝后的待凝时间会随着环氧树脂凝固时间的延长而增大,并且灌浆质量还会受到缝内地下渗水及钻孔用水结冰的影响。实际施工时,可以适当加大现场取样频次,通过观察凝结时间及时调整浆液配比。在-5～0℃环境下环氧树脂的的性能参数,低温下环氧树脂浆液的性能参数,见表2。

表2 低温下环氧树脂浆液的性能参数

因此,应尽可能选择在低温季节进行混凝土裂缝的处理,这是因为低温时收缩裂缝张开有利于灌浆处理和裂缝普查,但温度过低会对灌浆效果造成不利影响[9]。冬季施工时主要包括以下措施:①洞内裂缝处理的合理环境温度为5～20℃,可以考虑具体条件采取挂设挡风帘、搭设保温棚或其它手段调整合适温度;②洞外裂缝处理时应尽量选择高温时段;③在配制浆液时可以将搅拌时间适当延长,保证各组分混合均匀;④适当延长质量检查时间,大多选择10～14d。

2.4 裂缝处理施工

2.4.1 准备工作

1)检查裂缝。全面清理表面杂物和砂浆,用高压水冲洗干净后普查混凝土裂缝,精准测量,统一编号。采用电子测缝仪多点测量缝宽、缝长,并考虑渗水和析出物情况初步判定缝深,综合考虑各项参数合理划分裂缝类型。其中,C、D类通常为贯穿性裂缝,编录时要详细描述是否为贯穿裂缝、裂缝的走向、长宽深、有无溶出物和渗水情况等,结合编录绘制裂缝分布图。

2)灌前清理缝面。清理干净裂缝两侧5～10cm范围内的混凝土,打磨完成后使缝口完全出露,将缝面上的浮灰等杂物用高压水进行冲洗。缝面清理后,必须符合不起砂、不松脱、干净、平整等要求,当缝面干燥且表面张开无阻塞物时才能进行封缝。

3)钻孔处理。布设方式选用斜缝和骑缝孔,后者能够作为补充灌浆孔和灌浆排水、排气孔,沿裂缝中心布置骑缝孔,控制孔间距约50cm,钻孔与缝面走向相同或垂直于混凝土面[10]。采用钻头直径25mm的水磨钻进行钻孔,控制孔深不超过5cm。斜孔是一种交叉布设在裂缝两侧的化学灌浆孔,单侧间距处于200～300cm之间,可以按照缝宽大小调整,如适当提高渗水处的钻孔数,钢筋密集处的孔距适当增加,为合理控制通常单边布置前斜孔和神斜孔。

一般地,裂缝位置距离斜孔钻孔为20cm,以缝深的1/3处和2/3处作为前斜孔、深斜孔的穿线位置,按照离缝距离和穿缝深度计算钻孔角度,化学灌浆孔深与钻孔角度,见表3。然后采用直径32mm的水磨钻进行斜孔钻孔,成孔后利用风枪或清水水枪清洗,该过程中要观察裂缝是否与斜孔连通。

表3 化学灌浆孔深与钻孔角度

4)埋管、埋嘴和封缝。冲洗干净后使用快速堵漏剂,将T型灌浆嘴固定于骑缝孔,以2～3mm厚的环氧胶泥刮抹在裂缝两侧各5～10cm处,封闭裂缝和孔口。对浅斜孔和深斜孔单孔要埋设一根进浆管(深入孔底)及一根回浆管(露出封堵段),保证孔内充满浆液以及孔内浆水或积水混合物的顺利排出,确保封孔和灌浆质量。

5)压风检查。完成封缝和灌浆管埋设后,统一标识和编号所有钻孔,控制风压约0.1MPa,封缝48h时检查风压,明确孔连通情况。检查压风时将孔内积水吹出,并扎紧灌浆管;用肥皂水涂刷缝面封闭处能够检验其封闭效果,对密封不合格的必须返工。

2.4.2 灌浆处理

1)灌浆顺序。根据管路畅通和连通情况,合理确定化学灌浆流程,总体按照从低到高、先灌串通孔再灌非串通孔的原则灌注,即先灌深、浅斜孔,再补灌骑缝孔的顺序。灌注过程中应关注骑缝孔及相邻斜孔是否出现泛浆,若相邻斜孔泛浆应及时排出泛浆中的浆水与积水混合物,并灌至达标闭浆待凝[11]。

2)控制灌浆压力。化学灌浆应遵循受灌裂缝黏接良好、充填饱满、低压漫灌的原则,控制灌浆压力处于0.2～0.4MPa之间,按照注入量情况可以适当减小或增大,但最高≤0.4MPa。从0.1MPa开始按照0.1MPa/5min的方式逐级升高灌浆压力,若灌浆时出现较大耗浆量,必须查明原因或用快凝浆材关注,也可待凝或间歇灌浆,控制冬季的待凝时间约为20h。如果灌浆时出现管头封堵或缝面封闭不严等问题,必须及时处理后才能灌浆。

3)结束条件。在预定压力下,当灌浆孔吸浆率接近0时,持续灌注30min且灌浆压力不减小,以此作为停止条件,管头闭浆直到浆液初凝。

2.4.3 灌后缝面处理

完成灌浆后,在待凝10～14d期间铲除灌浆管,打磨、清理干净灌浆孔口,并使用环氧胶泥填平。将2～3mm厚环氧胶泥刮涂在渗水处斜孔附近5cm范围,确保表面的平整和平顺连接。

2.4.4 异常处理

处理裂缝时有少数不通非连续性骑缝孔时,一般不会影响整体处理质量。在处理隧洞变强竖向裂缝时,可以适当加大高速水流区距离以降低混凝土平整度受钻孔的影响。

对于较大斜孔孔距,如果存在几个连续孔的通风效果都不好,必须结合具体情况进行补打。为确保填充密实饱满以及浆液浸润充分,可以采取间歇放浆或延长时间的方式。若该过程中存在管头埋设不密实或缝面封闭不到位,并产生漏浆的情况,必须及时处理后才能灌浆,特别是要注重对竖缝的处理。另外,灌浆流量较高时可以采取待凝、降压、用快凝浆材和间歇灌浆等措施。

在处理渗水裂缝特别是高速过流面时,可以使用钻孔灌浆法和常规封闭处理措施。虽然刻槽法具有较好的临时缝面封闭效果,但后期使用时受较大昼夜温差影响,基材与处理材料存在较大差异,极易发生二次破坏和脱落情况。

3 灌浆检查

为降低过流面受钻孔的不利影响,选用Φ32mm穿缝钻孔进行压水检查,选用Φ76mm骑缝钻孔以3%～10%的单元比例进行取芯检查,为扩大检查范围按照错开压水取芯单元的方式进行物探无损检查。

3.1 目测检查

通过锤击、目测的方式检查每条裂缝,以锤击声间清脆、无孔洞、无气泡和渗水现象为标准,原混凝土结构与灌后裂缝缝面紧密连接,缝面充填浆液饱满、密实,检查不合格的要返工处理。

3.2 钻孔压水

采用Φ32mm的钻孔穿缝,对灌浆效果进行压水检查,检查单元600个,压水达到0.32MPa(灌浆压力的80%),经检查透水率<0.1Lu,符合规范设计要求。采用Φ76mm骑缝钻孔进行取芯检查,检查比率10.2%符合要求,检测62个单元。通过全景图像检测发现,环氧浆材能够密实、饱满地填充缝面。

3.2 无损检测

按照8%的单元比例进行灌后无损检测,通过对比灌浆前、后的声波变化共完成53个单元检测,结果显示缝面密实填充符合设计要求,裂缝灌后无损检测数据,见表4。

表4 裂缝灌后无损检测数据

4 结 论

1)采用环氧树脂钻孔灌浆法能够有效处理北方寒冷地区水工隧洞混凝土D类贯穿性裂缝及C类深层裂缝,缝面灌浆密实、饱满,处理效果较好。采用D类和C类裂缝处理方案能够保证裂缝处理质量,该技术方案切实可行。

2)裂缝处理应选择在冬季,这是因为低温时收缩裂缝张开有利于灌浆处理和裂缝普查,但温度过低会对灌浆效果造成不利影响,其适宜温度为5～20℃。为防止温度过低使得浆液稠度过大、缝面结冰等,可以采取洞室布设挂帘或搭设保温棚等措施,以保证灌浆质量。对于混凝土裂缝处理应做好工序质量控制,以保证这种隐蔽工程的全过程施工质量可控。