化學灌漿技術在紫坪鋪工程泄洪排沙洞混凝土震損裂縫修復中的選擇與應用

譚 煒，廖桂英，黃俊瑋

(1.四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610091；2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；3.中國水電十一局 鄭州科研設計有限公司，河南 鄭州 450001)

1 前 言

“5·12”汶川8.0級特大地震導致紫坪鋪水利樞紐工程泄洪排沙洞混凝土襯砌損壞。震后洞內檢查發(fā)現(xiàn)混凝土襯砌裂縫較多且滲水嚴重，須及時進行化學灌漿修復。目前，國內外對混凝土裂縫化學灌漿的方法和材料有多種，如何選擇適合紫坪鋪泄洪排沙洞震損裂縫修復的工藝和材料，需從裂縫性質、漿材性能、各工藝特點上進行分析，根據(jù)實際情況制定修復措施來確保修復質量。

2 工程概況

紫坪埔水利樞紐工程位于成都市西北60余公里的岷江上游，是以灌溉、供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)保、旅游等綜合效益的大(Ⅰ)型水利樞紐工程。主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、4條引水發(fā)電洞及其進水塔、沖沙放空洞、1號和2號泄洪排沙洞及其進水塔、溢洪道、地面發(fā)電廠房等。水庫總庫容11.12億m3，裝機容量4×190MW。

1號、2號泄洪排沙洞屬高流速泄水建筑物，最大流速45m/s，洞內混凝土襯砌(C50硅粉混凝土)設計厚度2～4m，分為進口明渠、進水塔、“龍?zhí)ь^”段(斜管段)、導泄結合段(水平段)、出口明渠及反弧挑坎。進口底高程均為800.00m。1號洞出口低高程為745.5m，全長812.35m；2號洞出口低高程為745.156m，全長698.87m。

3 裂縫成因分析

大量的工程實例和混凝土研究表明，水工隧洞混凝土裂縫產(chǎn)生的原因主要是：(1)混凝土在硬化過程中，干縮引起的體積變形受約束時產(chǎn)生裂縫；(2)混凝土水化熱得不到散發(fā)，因內外溫差較大，變形超過極限引起裂縫；(3)混凝土在約束條件下熱脹冷縮，由溫度應力引起的拉裂縫；(4)水泥中的堿性物質與活性骨料中活性氧化硅等起反應，析出的膠狀堿吸水后體積膨脹產(chǎn)生裂縫；(5)結構基礎不均勻沉陷導致的混凝土裂縫；(6)混凝土澆筑的倉面處理不當，形成施工冷逢。

紫坪鋪工程泄洪排沙洞澆筑C50硅粉鋼纖維混凝土襯砌。震前，因溫控等措施得當，由水化熱、溫度應力產(chǎn)生的裂縫較少，裂縫以施工冷縫為主。大部分裂縫出現(xiàn)在混凝土邊墻的非過流面和頂拱上，以干縫為主，濕縫(滲水裂縫)數(shù)量較少，對混凝土整體結構的安全無影響。

“5·12”地震的巨大地震沖擊波對紫坪鋪工程右岸條形山脊和泄洪排沙洞混凝土襯砌結構破壞明顯。主要表現(xiàn)為兩點：一是裂縫(包括滲水裂縫)數(shù)量明顯增多，原滲水裂縫滲水量明顯加大；二是新出現(xiàn)貫穿性裂縫。造成上述破壞的原因是巨大的地震波能量對混凝土襯砌及其圍巖進行了擾動破壞。一方面，局部地質條件的改變使結構基礎發(fā)生變化；另一方面，原混凝土結構本身存在既定的約束條件，在約束條件和地震波的相互作用下混凝土發(fā)生破壞，最終引起洞內新增大量裂縫，而原有裂縫的縫寬、縫長、縫深數(shù)量明顯增加。經(jīng)現(xiàn)場檢查和測量，大部分裂縫縫寬超過0.2mm，滲水裂縫數(shù)量較多，不能自愈，須采取止水補強的綜合措施予以修復。

4 裂縫修復要求

為對裂縫采取針對性的治理措施，將其分為有害裂縫和無害裂縫。有害裂縫指對混凝土結構耐久性、安全性、穩(wěn)定性有危害，裂縫滲水、縫寬大于0.2mm，且不能自愈，以及裂縫密度呈網(wǎng)狀等的裂縫。無害裂縫指對混凝土結構耐久性、安全性、穩(wěn)定性無影響，無滲水，不貫通，縫寬小于0.2mm，且不滲漏水，可自愈的裂縫。無害裂縫原則上只進行表面修補，對有害裂縫的處理則要根據(jù)實際情況采取綜合的處理措施。紫坪鋪工程泄洪排沙洞混凝土震損裂縫屬于有害裂縫。

根據(jù)有害和無害裂縫的處理原則，從混凝土結構安全性出發(fā)，對紫坪鋪工程泄洪排沙洞混凝土裂縫寬度大于0.2mm的表干無水裂縫(干縫)進行化學灌漿補強處理；對混凝土表面滲漏水裂縫(濕縫)進行化學灌漿止水補強處理?；瘜W灌漿有效灌漿深度不小于50cm。

5 化學灌漿材料

5.1 選材要求

根據(jù)裂縫修復要求，應按照以下要求選擇化學灌漿材料：

(1)補強加固要求漿液固化后有較高的強度，能恢復混凝土結構的整體性。由于隧洞裂縫主要受拉應力破壞影響，因此要求材料有較高的抗拉能力。防滲堵漏要求漿材抗?jié)B性好，而不一定要有較高強度。如果要提高強度，則要采取結構加固與其他綜合處理相結合的措施。

(2)材料與混凝土裂縫的粘接強度要高，不易脫開，粘接強度大于混凝土本體的抗拉強度最佳。

(3)可灌性。不管是補強加固還是防滲堵漏，重要的一條是所選漿材能夠灌入裂縫，充填飽滿。灌入后能凝結固化，以達到補強和防滲加固的目的。

化學灌漿材料要考慮黏度低、可灌性好、低溫條件能固化、黏接強度高等要素。有水裂縫還要求漿液有好的親水性能等。

(4)耐久性。選用材料在使用環(huán)境條件下性能穩(wěn)定，不易起化學變化，不易被侵蝕破壞。

(5)對活縫的處理不能選用普通環(huán)氧漿材等脆性材料，而要選用彈性環(huán)氧、彈性聚氨酯等能適應裂縫伸縮變形的材料。有水裂縫的處理還可選用有彈性的、能吸水膨脹的水凝膠材料。

5.2 漿材選擇

國內用于混凝土裂縫化學灌漿的材料種類較多，性能指標各異。按照選材要求，結合經(jīng)濟性，并參考其在大中型水電工程泄洪建筑物中的應用情況，主要從材料抗拉強度、粘接強度、抗?jié)B性等與水工隧洞大體積混凝土裂縫恢復密切相關的指標出發(fā)，經(jīng)對幾種不同的干縫和濕縫化灌材料的現(xiàn)場試驗塊成果對比(見表1、2)后，選擇粘度較好的NE-IV型環(huán)氧灌漿材料對干縫進行化灌，選擇粘接強度可以在原材料配比中根據(jù)不同成分的比例進行調整、抗?jié)B性能較佳的LW、HW聚氨酯灌漿材料對濕縫進行化灌。

表1 干縫化灌材料主要指標

表2 濕縫化灌材料主要指標

5.3 NE-IV型環(huán)氧與LW、HW聚氨酯的性能

NE-IV型環(huán)氧結構膠是一種雙組份、低粘度無溶劑環(huán)氧樹脂灌注材料，具有粘度低、粘接強度高、使用方便、可工作時間長、柔韌性好、無收縮等特點。其指標見表3。

LW是快速高效的防滲堵漏材料，具有良好的親水性。聚合體具有水脹性，并可通過配方調整其膨脹值，最大可達300%，具有彈性止水和以水止水的雙重功能。對大量漏水、微滲水，都有良好的止水效果，抗?jié)B指標達到1.8×10-9cm/s(10%漿液固砂體)；HW既能防滲堵漏又能固結補強，其漿液具有良好的親水性，遇水能均勻分散，表面活性好，能顯著提高潮濕面的粘結強度，又具有高強度、低粘度的特點，有很好的韌性。聚合體在酸、堿中長期浸泡(3年)后的指標性能無異常變化，對環(huán)境無污染。HW與LW相輔相成，兩者可以任意比例互溶。若以強度為主，HW的比例要高，若以彈性和遇水膨脹性能為主，則LW的比例要增加。兩者指標見表4。

表3 NE-IV型環(huán)氧結構膠主要力學指標

表4 LW、HW聚氨酯灌漿材料主要技術指標

針對紫坪鋪泄洪排沙洞震損裂縫的實際情況，LW與HW按照1∶1的比例進行配置，既兼顧了較強的止水能力，也具備了良好的補強加固能力。

6 化學灌漿施工

6.1 鉆孔埋嘴法和無損貼嘴法工藝的選擇

目前，混凝土裂縫處理主要有開槽修補法、無損貼嘴法和鉆孔埋管法。開槽修補法因對原混凝土結構破壞較大、材料損耗大、開槽處難以修復好等問題已基本不再采用；無損貼嘴法具有工藝簡單、無鉆孔、無孔容耗漿、成本低、對混凝土無損傷等優(yōu)點，其難點是灌漿貼嘴的施工工藝，更適用于新澆混凝土出現(xiàn)的裂縫和寬度較大(≥0.2～0.5mm)、內部貫通、連續(xù)的裂縫；鉆孔埋嘴法能解決開槽法的諸多不利，該方法因施工簡單、適應各種裂縫類型而被普遍采用，但存在管容耗漿較大、微細粉塵易堵塞縫面影響灌漿質量的缺點。

紫坪鋪工程泄洪排沙洞襯砌混凝土為老混凝土，就單條震損裂縫而言有兩個特點：(1)存在時間較長，縫內鈣質析出物較多，其中深部裂隙沿裂縫發(fā)展方向大多堵塞并不貫通或連續(xù)，深淺不一；(2)各種裂縫類型并存，裂縫處理難度較大。

由于無損貼嘴法通過高壓沖洗機沿裂縫開口向兩邊沖洗，以保證縫口敞開無雜物，但不能確保裂縫中部、深部縫段雜物或析出物能得以清除，因此，要滿足漿液滲透深度不小于50cm并保證裂縫的中、深部完全充注滿漿液的難度大，最終的灌漿質量很難保證。而鉆孔埋管法恰恰能通過不同深度的鉆孔等工藝措施，大大提高對裂縫中、深部飽滿注漿的施工質量，使混凝土的結構安全性得到充分保證。雖然其與貼嘴法相比，存在一定缺點，但可通過對鉆孔工藝的控制、加強鉆孔漿材的補強能力，加強縫隙通風等措施來盡量避免或減少以上缺點對化灌的影響。另外，由于泄洪排沙洞襯砌段長和厚度大，強度高，設計漿液滲透深度為襯砌壁厚的12.5%～20%，鉆孔深度為壁厚的5%～16%，鉆孔不會對混凝土產(chǎn)生結構性破壞。因此，從混凝土修復后的結構安全性出發(fā)，應首選鉆孔埋嘴法作為裂縫補強止水的主要技術措施。

6.2 鉆孔埋嘴法修復震損裂縫

6.2.1 施工工藝

鉆孔埋嘴法施工工藝簡單，操作簡便，是該方法得以普遍使用的原因之一。其施工工藝流程是：裂縫清洗→裂縫描述→鉆孔→清孔和埋嘴→表面封縫→試漏(通風)→制漿和注漿→拆嘴封孔→待凝檢查→表面處理。鉆孔縱剖面示意見圖1。

圖1 鉆孔縱剖面示意(cm)

6.2.2 施工措施

鉆孔埋嘴法對泄洪排沙洞混凝土干縫和濕縫的處理工藝相互聯(lián)系而各有不同。表5列出了在紫坪鋪工程泄洪排沙洞混凝土裂縫修復中，兩類裂縫的施工措施。

在施工過程須特別注意以下幾點：

(1)鉆孔過程中，若遇到鋼筋時需另換孔位；遇到蜂窩面需及時清渣并放慢鉆進速度，防止破壞混凝土。灌漿完成后對注漿孔口采用環(huán)氧膠泥封孔，孔表面和原混凝土面平順連接，確保泄洪排沙洞混凝土在高速泄流中，鉆孔部位不產(chǎn)生空蝕破壞。

(2)采用在孔中埋雙管的方法排除干縫中的水；濕縫滲水量大，需采取打排水孔的方法來降低外水壓力，提高漿材的粘接強度和灌漿效果。

(3)為避免粉塵對化學灌漿的危害，須改進和完善試漏和通風，避免微細粉塵對灌漿的影響。

(4)采用電動灌漿泵提供穩(wěn)定的灌漿壓力是保證漿液充填飽滿裂縫的關鍵之一。

表5 紫坪鋪工程泄洪排沙洞混凝土襯砌干縫和濕縫的化學灌漿措施

6.2.3 成果檢測

(1)壓水試驗。按照化學灌漿規(guī)范要求進行壓水試驗，在壓力不低于0.8MPa時，檢查孔吸水量是否小于或等于0.01L/min，若小于則說明灌漿滿足規(guī)范要求。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將試驗時壓力范圍控制在0.7～1.0MPa之間，壓水時間控制在10min。經(jīng)檢測，所有檢查孔的壓水試驗測值在0～0.004L/min之間，說明灌漿質量滿足規(guī)范要求。檢查孔采用環(huán)氧膠泥封孔，孔口和原混凝土面平順連接。

(2)混凝土取芯檢測。對裂縫化學灌漿后的混凝土取芯，直徑10cm，長度為鉆取到第一層鋼筋時的深度(約10～20cm)。從取芯的外觀看，裂縫及鉆孔灌漿液注飽滿，芯樣的劈裂抗拉強度檢測均值為2.06MPa，大于C50混凝土抗拉強度設計值(ft=1.89MPa)，說明漿材和裂縫的粘接良好，滿足混凝土結構抗拉強度要求。取芯孔采用NE-Ⅱ環(huán)氧砂漿封孔，孔口和原混凝土面平順連接。

7 結論與思考

通過對化灌材料和工藝的分析，可以得出以下主要結論：

(1)選擇NE-IV型環(huán)氧和LW、HW聚氨酯結合鉆孔埋嘴法化學灌漿技術應用于紫坪鋪工程泄洪排沙洞震損裂縫的修復是科學和有效的。

(2)在施工過程中要注意對縫屑和縫內積水的清理，滲水嚴重的須采取有效的排水或止水措施，要保證灌漿壓力的穩(wěn)定。灌漿孔和檢查孔要封閉嚴實且抗沖耐磨，孔口須與原混凝土面平順連接，確保泄洪排沙洞高速過流時混凝土無空蝕破壞。

(3)灌漿材料應根據(jù)縫的寬度、滲水情況及處理的結構要求進行選擇。低粘度、低收縮的環(huán)氧漿材是較好的選擇。

無損貼嘴法是較鉆孔法在成本、耗漿量、對混凝土無破壞等方面更有優(yōu)勢的一種先進的化灌技術。但針對大體積、高流速水工隧洞混凝土裂縫修復，其還需在貼嘴工藝和灌注陳舊性非貫通、非連續(xù)深裂縫的工藝上繼續(xù)創(chuàng)新和完善。鉆孔埋嘴法目前存在問題對化灌的影響，可通過施工控制來避免或減輕，今后仍需通過工藝和材料的不斷創(chuàng)新來解決，可作為混凝土裂縫治理技術發(fā)展過程中一個新的探索。

參考文獻：

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