水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿方法研究

蓋志新

(陽谷縣水利局 排灌中心，山東 陽谷 252300)

0 引 言

水電站堆石壩在長時(shí)間的沖刷和水壓侵蝕下，會(huì)導(dǎo)致水電站堆石壩產(chǎn)生細(xì)微裂隙，從而影響水電站堆石壩的安全性和可靠性，需要對(duì)水電站堆石壩細(xì)微裂隙進(jìn)行優(yōu)化灌漿處理。通過各類新型灌漿套筒設(shè)計(jì)，進(jìn)行灌漿方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高水電站堆石壩的結(jié)構(gòu)性能，研究水電站堆石壩細(xì)微裂隙的灌漿方法。通過受壓承載力與初始剛度特征分析，在各試件的荷載-變形分布結(jié)構(gòu)中進(jìn)行灌漿模式優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用試件分析方法，提高抗拉能力。研究水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿方法，在促進(jìn)水電站堆石壩的建筑施工質(zhì)量提升優(yōu)化中具有重要意義[1]。

在進(jìn)行水電站堆石壩細(xì)微裂隙的灌漿方法設(shè)計(jì)中，當(dāng)前主要方法是通過傳感器與試驗(yàn)機(jī)加載的方法，結(jié)合灌漿套筒超聲檢測，進(jìn)行灌漿優(yōu)化控制[2]。文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)缺陷可檢修型半灌漿套筒連接拉伸性能試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析水電站堆石壩?xì)微裂隙灌漿缺陷率，并進(jìn)行是否修補(bǔ)、修補(bǔ)材料種類判斷，實(shí)現(xiàn)水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿修補(bǔ)設(shè)計(jì)，但該方法在變形能力與無缺陷試件控制的性能不好。文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行高溫后半灌漿套筒抗拉性能試驗(yàn)研究，研究了溫度對(duì)灌漿料性能的影響，以及錨固長度、保護(hù)層厚度對(duì)高溫后水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿的影響，實(shí)現(xiàn)灌漿過程優(yōu)化控制，但該方法在設(shè)計(jì)及工程施工的可靠性不好。

針對(duì)上述問題，本文研究水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿方法，首先進(jìn)行水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿的試件結(jié)構(gòu)分析，然后進(jìn)行灌漿過程控制和參數(shù)模型設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿的試驗(yàn)可靠性研究，并得出有效性結(jié)論。

1 灌漿試件結(jié)構(gòu)分析和加載方案

1.1 水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿試件結(jié)構(gòu)分析

水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿主要以高強(qiáng)度的水泥作為基質(zhì)材料，通過WAW-1000WE的1 000 kN微機(jī)化學(xué)電熱輔助控制下，進(jìn)行半灌漿套筒極限拉力傳導(dǎo)控制[5]，實(shí)現(xiàn)水電站堆石壩細(xì)微裂隙拉拔試驗(yàn)和灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓實(shí)驗(yàn)。以《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1―2014)作為技術(shù)規(guī)范，水電站堆石壩細(xì)微裂隙在高溫后灌漿料試塊抗壓試驗(yàn)在 YAW-300B 微機(jī)控制電液式水泥壓力試驗(yàn)機(jī)完成，水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿試件加載示意圖見圖1。

圖1 水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿試件加載示意圖

根據(jù)圖1，微裂隙帷幕化學(xué)灌漿的加載制度根據(jù)《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 107-2010)，灌漿料的性能參數(shù)見表1，鋼筋性能參數(shù)見表2，混凝土性能參數(shù)見表3。

表1 灌漿料性能

表2 鋼筋性能參數(shù)

表3 混凝土性能

根據(jù)表1-表3對(duì)水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿試件結(jié)構(gòu)分析和性能參數(shù)設(shè)置，采用Q345 無縫鋼管通過拉伸實(shí)驗(yàn)的方法，進(jìn)行水電站堆石壩細(xì)微裂隙的灌漿料試塊抗壓試驗(yàn)，采用有限元分析軟件 MSC.Marc 進(jìn)行數(shù)值模擬，在豎向和水平向進(jìn)行加載，進(jìn)行水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿的傳力機(jī)制分析和裂隙模型參數(shù)分析[6]。

1.2 灌漿過程加載方案

結(jié)合“灌漿”和“后澆帶”等技術(shù)措施，在水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿配置中，采用 MU10 級(jí)黏土磚，M5 級(jí)砂漿作為基質(zhì)材料，采用MU10 級(jí)黏土磚作為預(yù)制材料，螺桿與錨孔之間的縫隙用 C50 級(jí)灌漿料，采用預(yù)制鋼筋混凝土作為支撐結(jié)構(gòu)，采用X 射線數(shù)字成像檢測的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿過程中的顯示以及過程控制。在首次灌漿中，通過注射化學(xué)灌漿材料優(yōu)選，在成像探頭的輔助控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿設(shè)備參數(shù)控制和灌漿飽滿性的測試。水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿的實(shí)現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)水泥漿體致密完整完整性分析，分析水泥漿體致密完整性，結(jié)合水泥漿體出現(xiàn)孔隙的裂紋分析、黏結(jié)應(yīng)力分析以及平均拉力分析，采用圖3所示的鑄鐵半灌漿套筒試件進(jìn)行化學(xué)灌漿。

圖3 鑄鐵半灌漿套筒帷幕化學(xué)灌漿設(shè)備

2 水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿過程優(yōu)化

考慮不同的灌漿缺陷長度，開展單向拉伸加載試驗(yàn)和加載測試，將水電站堆石壩細(xì)微裂隙分為碎屑巖裂隙、松散裂隙巖、中厚層狀粉砂巖裂隙，根據(jù)表4 鑄鐵半灌漿套筒破壞模式，進(jìn)行電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿過程控制。表4中的參數(shù)為不同的巖層體系結(jié)構(gòu)下的極限拉力，單位為kN。

表4 電站堆石壩細(xì)微裂隙鑄鐵半灌漿套筒破壞模式

表4中，符號(hào)Z代表水電站堆石壩細(xì)鑄鐵半灌漿套筒；10代表水電站堆石壩細(xì)微裂隙錨固長度為100 mm；C代表無保護(hù)層；T表示溫度，2表示200℃。在水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿過程中，通過傳感器與試驗(yàn)機(jī)加載端相連，根據(jù)實(shí)測平均厚度計(jì)算細(xì)微裂隙帷幕主管的損失率，將預(yù)制GFRP管套入鑄鐵半灌漿套筒帷幕化學(xué)灌漿設(shè)備的主管中，實(shí)現(xiàn)水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿過程中的材料性能以及破壞模式分析。

3 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)測試中，采用 Q345 無縫鋼管作為水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿管的主管，采用微機(jī)系統(tǒng)控制加載端位移，在水平支座和弧形支座的頂部建立連續(xù)殼單元模型，支管、主管、灌漿料滿足 Von Mises 屈服準(zhǔn)則，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度由材性試驗(yàn)獲得，實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。

圖4 試驗(yàn)裝置

圖4中，支管厚 4 mm、長300 mm，彈性模量取500 000 N/mm2，錨固長度為 120 mm，30 mm 保護(hù)層試件極限位移為100 mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿的主管有限元分析結(jié)果，見圖5。

圖5 灌漿主管有限元分析

分析圖5可知，極限拉力和黏結(jié)強(qiáng)度之間具有線性相關(guān)性，不同溫度下的黏結(jié)強(qiáng)度擬合性能較好，測試主管塑料化區(qū)域的灌漿性能見圖6。

圖6 主管塑料化區(qū)域灌漿性能

分析圖6可知，采用該方法對(duì)石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿的穩(wěn)定性較好，黏結(jié)強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度值輸出穩(wěn)定，測試灌漿沖減面的極限抗拉性能見圖7，數(shù)值分析結(jié)果見表5。分析結(jié)果表明，通過優(yōu)化的水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿處理，抗壓強(qiáng)度平均值提升，缺陷率減少，水電站堆石壩細(xì)微裂隙的缺陷修補(bǔ)得到優(yōu)化。

圖7 灌漿沖減面的極限抗拉性能測試

表5 化學(xué)灌漿黏結(jié)強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度值

4 結(jié) 語

隨著灌漿技術(shù)的發(fā)展，灌漿方法的研究顯得很重要，在水電工程中采用化學(xué)灌漿技術(shù)，解決了一些工程技術(shù)難題。研究水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿方法，在促進(jìn)水電站堆石壩的建筑施工質(zhì)量提升優(yōu)化中意義重大。本文研究水電站堆石壩細(xì)微裂隙帷幕化學(xué)灌漿方法，采用有限元分析軟件 MSC.Marc 進(jìn)行數(shù)值模擬，在豎向和水平向進(jìn)行加載，分析水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿的傳力機(jī)制和裂隙模型參數(shù)。實(shí)驗(yàn)分析表明，本文方法進(jìn)行水電站堆石壩細(xì)微裂隙灌漿的修復(fù)性能較好，抗壓強(qiáng)度平均值提升，缺陷率減少。