水工混凝土裂縫處理中化學(xué)灌漿技術(shù)的應(yīng)用分析

劉巖松

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

一般地，水工混凝土多用于水位變動區(qū)、水下和水上等周期性或經(jīng)常性受水作用的水工建筑物。水工混凝土結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量控制難度大、施工環(huán)境復(fù)雜、體積大等特點(diǎn)，受施工溫濕度控制、結(jié)構(gòu)配筋、碾壓速率、分縫分塊、水工結(jié)構(gòu)體型、原材料性能、設(shè)計方案及標(biāo)準(zhǔn)等因素的綜合作用。裂縫是一種不可避免且最常見的質(zhì)量缺陷，一些深度較淺、規(guī)模較小的表面(淺層)裂縫(30cm<縫深≤100cm，0.2mm≤縫寬<0.3mm)或細(xì)微裂縫(縫深≤30cm，縫寬<0.2mm)，對水工混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性、耐久性、穩(wěn)定性和整體性等不會造成較大影響，可監(jiān)測運(yùn)行或不予處理[1-2]。然而，當(dāng)外部荷載引起拉伸變形超過極限值或溫度應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時會直接產(chǎn)生細(xì)微裂縫或逐步擴(kuò)大成縫深超過100cm、縫寬≥0.3mm的深層裂縫，并進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土抗?jié)B漏、抗疲勞、抗凍融、抗碳化等性能的降低及水工結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的銹蝕，嚴(yán)重影響水工混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性和安全性，大大降低結(jié)構(gòu)安全系數(shù)[3-4]。

關(guān)于化學(xué)灌漿技術(shù)的應(yīng)用研究我國最早起始于1950s，并于1970s廣泛應(yīng)用于流速較大涌水或大壩滲水封堵、壩基斷層破碎帶防滲加固、混凝土缺陷和大壩基礎(chǔ)處理等工程領(lǐng)域，對各種特殊的裂縫面滲水環(huán)境均具有較好適用性。此外，為了保證水工建筑物裂縫處理施工質(zhì)量及更加規(guī)范水利工程化學(xué)灌漿施工行為，頒布實(shí)施的《水工建筑物化學(xué)灌漿施工規(guī)范》提供了重要技術(shù)支撐[5]。因此，結(jié)合工程實(shí)際裂縫質(zhì)量缺陷合理選擇適用的施工技術(shù)及化學(xué)灌漿材料，對恢復(fù)水工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、整體性以及建筑物漏水問題的有效處理等顯得尤為重要。

1 工程概況

以某河干流某大(1)型水利樞紐工程為例，溢洪道包括海漫段、消力池段、泄槽段、控制段、進(jìn)口段等部分。其中，樁號(溢)0+25.5-(溢)0+205.5段為泄槽段，前后與閘室、段、消力池段相連接，底板高程812.5-906.5m，底寬35m，總長180m；臺階式陡槽位于(溢)0+49.5-(溢)0+205.5段，臺階尺寸長2m×高1m，底板坡比i為1∶2，臺階78級，總長156m，用C30耐磨抗沖鋼筋混凝土澆筑邊墻、底板，厚度為1.0m。采用底流式溢洪道消能，樁號(溢)0+205.5-(溢)0+290.5段為消力池，前后與泄槽段、海漫段連接，底板高程815.5m，底寬42m，總長85m，用C30耐磨抗沖鋼筋混凝土澆筑邊墻、底板，厚度為2.5m。消力池段與泄槽段設(shè)置縱橫向結(jié)構(gòu)縫以適應(yīng)基礎(chǔ)不均勻沉降，縫面涂刷乳化瀝青而縫內(nèi)設(shè)一道“Z”形銅止水。

2 混凝土裂縫及成因

2.1 溢洪道裂縫現(xiàn)狀

采用泵送商品混凝土的方式澆筑溢洪道消力池段和泄槽段邊墻、底板，連續(xù)澆筑施工，澆筑后用土工布覆蓋，并定期灑水養(yǎng)護(hù)。2012年6月項目竣工，經(jīng)壓水試驗等質(zhì)量檢查于2013年1月通過驗收，經(jīng)歷2013-2015年3a汛期考驗各項指標(biāo)運(yùn)行狀況良好。2016年汛期(6-9月)上游入庫洪峰流量達(dá)到100a一遇，消力池下游持續(xù)處于高水位(845.0-845.5m)運(yùn)行。2016年8月6日，大壩廊道排水監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出異常滲漏排水信號，信號來源于消力池底4-5及3-4部位、泄槽底6-7部位的3個排水孔，其排水量接近610L/min。結(jié)合汛期實(shí)際情況及時啟動監(jiān)測運(yùn)行機(jī)制，運(yùn)行期排水量監(jiān)測有所增大，但上升幅度較緩。

發(fā)出消力池底4-5及3-4部位、泄槽底6-7部位的3個排水孔的滲漏排水信號發(fā)生異常。

2.2 裂縫成因分析

2017年1月8日汛期結(jié)束后，針對溢洪道異常滲水問題水庫管理人員會同施工、設(shè)計、監(jiān)理單位現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，消力池段底板混凝土表面存在縫寬0.15-0.20mm、長18.0m的縱向裂縫，裂縫走向與溢洪道中心線基本保持平行；消力池及泄槽段底板橫向結(jié)構(gòu)縫局部張開達(dá)到2.0-3.0mm，張開量發(fā)展顯著。通過查閱相關(guān)資料可知，遭受施工破壞的2處預(yù)埋銅止水結(jié)構(gòu)層雖經(jīng)后期修復(fù)處理，但仍出現(xiàn)異常滲漏問題。依據(jù)工程檔案資料、現(xiàn)場踏勘和鉆孔分析結(jié)果，與會專家討論分析認(rèn)為導(dǎo)致消力池段、泄槽段出現(xiàn)大流量異常滲漏排水問題的原因主要有：①2016年1-4月，庫區(qū)持續(xù)-10℃以下的極端低溫及春季氣溫快速上升消融環(huán)境下，消力池段和泄槽段水工混凝土與預(yù)埋排水管、結(jié)構(gòu)縫之間的接觸面，在消融膨脹和持續(xù)冰凍收縮作用下銅止水發(fā)生局部破壞、混凝土拉裂，加之汛期尾水長期高水位運(yùn)行使得消力池及泄槽段水流脈沖壓力、流速較大，從而出現(xiàn)大流量異常滲漏排水的情況；②預(yù)埋銅止水結(jié)構(gòu)層在施工時就遭受破壞，后期雖經(jīng)防滲修復(fù)處理但大大降低了其伸縮性能。

3 化學(xué)灌漿技術(shù)的應(yīng)用

3.1 鉆孔檢測裂縫深度

將消力池底板縱向裂縫采用鉆孔法做詳細(xì)的檢測分析，以便準(zhǔn)確了解裂縫的深度，即按圖1所示布孔方式將2組三角形鉆孔沿裂縫走向布置。結(jié)果顯示：長18.0m的縱向裂縫沒有沿消力池底板貫通，裂縫深度(0.50-0.72m)為底板厚度D(2.4m)的0.21-0.30倍，屬淺-深縫。

圖1 檢測鉆孔布設(shè)方式

3.2 裂縫防滲加固修復(fù)

遵循“以排為輔、以堵為主、上堵下排”的原則，考慮溢洪道結(jié)構(gòu)要求及運(yùn)行條件采取不同的方案處理底板結(jié)構(gòu)縫和縱向裂縫，全方位封閉處理裂縫滲漏通道[6-7]。根據(jù)溢洪道的裂縫特性、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等因素，最終選用塑性止水材料填充消力池底板縱向長裂縫，利用LW/HW水溶性聚氨酯化學(xué)材料對消力池和泄槽段結(jié)構(gòu)縫做灌漿處理。

充填防滲加固修復(fù)縱向裂縫。消力池底板縱向裂縫長18.0m，裂縫深度h達(dá)0.50-0.72m，屬于淺-深縫。在混凝土面層沿裂縫刻寬約200mm、深30mm的矩形槽，中間刻深50mm的“V”型槽以便漿材充填入裂縫深處，及時清洗槽面并烘干，將塑性止水材料充填入裂縫并回填環(huán)氧砂漿封槽，見圖2。

圖2 塑性止水材料充填裂縫

SR塑性止水材料是一種易施工、耐老化、抗?jié)B可靠、塑性高的高分子優(yōu)質(zhì)改性止水材料，對水工混凝土封縫止水、柔性嵌縫等具有較強(qiáng)的適用性。該材料在10℃--10℃環(huán)境下的伸長率能夠達(dá)到800%-850%，在48h、厚度不超過5mm條件下的抗?jié)B性達(dá)到2.0MPa，其凍融循環(huán)試驗(20℃--20℃環(huán)境下)達(dá)到300次。充填塑性止水材料后回填環(huán)氧砂漿至混凝土結(jié)構(gòu)面，并在混凝土結(jié)構(gòu)面涂刷一層防滲材料。

化學(xué)灌漿防滲加固修復(fù)結(jié)構(gòu)縫。為解決凍融破壞所引起的消力池段和泄槽段結(jié)構(gòu)縫止水失效大流量滲漏問題，擬選用化學(xué)灌漿法加固修復(fù)銅止水以上400mm范圍。灌漿材料選用水中固化能力強(qiáng)、水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)的HW和黏結(jié)性好、親水性好的LW水溶性聚氨酯化學(xué)材料，按照HW∶LW=6∶4的比例混合使用以實(shí)現(xiàn)水工混凝土結(jié)構(gòu)縫的黏結(jié)防滲處理，以及補(bǔ)強(qiáng)加固[8-10]。在結(jié)構(gòu)縫單側(cè)布置45°斜孔以確?；瘜W(xué)灌漿穿過水工結(jié)構(gòu)縫，其主要施工工藝流程如下：①布孔，沿裂縫長度方向每隔2.0m在結(jié)構(gòu)縫單側(cè)布設(shè)45°斜孔；②鑿槽鉆斜孔，控制化學(xué)灌漿孔斜率為1∶1，孔徑35mm，所用鉆機(jī)為地質(zhì)鉆機(jī)；③沖孔清理，完成鉆孔后用0.1MP高壓水沖洗灌漿孔；④壓水試驗，試驗過程中控制水壓不超過0.5MPa；⑤灌漿，控制初始灌漿壓力為0.1MPa，按0.1MPa逐級加壓，控制最大壓力不超過0.5MPa；⑥按照流程完成封孔處理[11-14]。

采取單孔敞開的灌漿方式，相鄰孔冒濃漿后依次逐孔灌漿。以持續(xù)加壓灌注30min且單孔吸漿量約為零作為灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，完成灌漿后冷卻24h將灌漿管拆除，封縫和縫孔處理時選用80mm厚丙乳砂漿，要求表面平整光滑且丙乳砂漿層密實(shí)。

3.3 裂縫防滲加固效果

溢洪道3處結(jié)構(gòu)縫及消力池底板18.0m縱向裂縫經(jīng)HW/LW水溶性聚氨酯混合化學(xué)灌漿和塑性止水材料充填處理后，壓水檢測透水率顯示3個檢查孔為0.1-0.5Lu，不超過設(shè)計要求的3Lu，有效黏結(jié)和灌注了裂縫。2017年汛期(6-9月)，消力池尾水仍持續(xù)處于高水位(845.0-845.5mm)運(yùn)行狀態(tài)，但監(jiān)測的消力池段及泄槽段排水管滲漏量明顯減少，從處理前的610L/min左右顯著減小至60mL/min左右。處理前、后溢洪道消力池段和泄槽段結(jié)構(gòu)縫及混凝土縱向裂縫的滲漏量監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表1。

表1 裂縫處理前后的排水廊道滲漏量

從表1可以看出，經(jīng)HW/LW水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿防滲加固修復(fù)和塑性止水材料充填處理后，廊道監(jiān)測的溢洪道結(jié)構(gòu)縫和縱向裂縫總排水量最大僅有0.061L/min。

4 結(jié) 論

針對溢洪道消力池段和泄槽段水工結(jié)構(gòu)縫、混凝土裂縫張開量發(fā)展顯著問題，經(jīng)化學(xué)灌漿和塑性止水材料充填處理結(jié)構(gòu)縫、縱向裂縫得到有效黏結(jié)及關(guān)注，較處理前水工結(jié)構(gòu)抗?jié)B性、耐久性和整體性明顯提升，經(jīng)檢測處理后的滲漏量和透水率符合設(shè)計要求，水庫重力壩溢洪道取得較好的防滲加固效果。