譚 煒，廖桂英，黃俊瑋

(1.四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091；2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；3.中國(guó)水電十一局 鄭州科研設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450001)

1 前 言

“5·12”汶川8.0級(jí)特大地震導(dǎo)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(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)混凝土襯砌裂縫較多且滲水嚴(yán)重，須及時(shí)進(jìn)行化學(xué)灌漿修復(fù)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土裂縫化學(xué)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(fù)的工藝和材料，需從裂縫性質(zhì)、漿材性能、各工藝特點(diǎn)上進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際情況制定修復(fù)措施來確保修復(fù)質(zhì)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(jìn)水塔、沖沙放空洞、1號(hào)和2號(hào)泄洪排沙洞及其進(jìn)水塔、溢洪道、地面發(fā)電廠房等。水庫總庫容11.12億m3，裝機(jī)容量4×190MW。

1號(hào)、2號(hào)泄洪排沙洞屬高流速泄水建筑物，最大流速45m/s，洞內(nèi)混凝土襯砌(C50硅粉混凝土)設(shè)計(jì)厚度2～4m，分為進(jìn)口明渠、進(jìn)水塔、“龍?zhí)ь^”段(斜管段)、導(dǎo)泄結(jié)合段(水平段)、出口明渠及反弧挑坎。進(jìn)口底高程均為800.00m。1號(hào)洞出口低高程為745.5m，全長(zhǎng)812.35m；2號(hào)洞出口低高程為745.156m，全長(zhǎng)698.87m。

3 裂縫成因分析

大量的工程實(shí)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(shí)產(chǎn)生裂縫；(2)混凝土水化熱得不到散發(fā)，因內(nèi)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(yīng)力引起的拉裂縫；(4)水泥中的堿性物質(zhì)與活性骨料中活性氧化硅等起反應(yīng)，析出的膠狀堿吸水后體積膨脹產(chǎn)生裂縫；(5)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉陷導(dǎo)致的混凝土裂縫；(6)混凝土澆筑的倉面處理不當(dāng)，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(dāng)，由水化熱、溫度應(yīng)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(duì)混凝土整體結(jié)構(gòu)的安全無影響。

“5·12”地震的巨大地震沖擊波對(duì)紫坪鋪工程右岸條形山脊和泄洪排沙洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)破壞明顯。主要表現(xiàn)為兩點(diǎn)：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(duì)混凝土襯砌及其圍巖進(jìn)行了擾動(dòng)破壞。一方面，局部地質(zhì)條件的改變使結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)發(fā)生變化；另一方面，原混凝土結(jié)構(gòu)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(nèi)新增大量裂縫，而原有裂縫的縫寬、縫長(zhǎng)、縫深數(shù)量明顯增加。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查和測(cè)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(bǔ)強(qiáng)的綜合措施予以修復(fù)。

4 裂縫修復(fù)要求

為對(duì)裂縫采取針對(duì)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)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(jìn)行表面修補(bǔ)，對(duì)有害裂縫的處理則要根據(jù)實(shí)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(jié)構(gòu)安全性出發(fā)，對(duì)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(jìn)行化學(xué)灌漿補(bǔ)強(qiáng)處理；對(duì)混凝土表面滲漏水裂縫(濕縫)進(jìn)行化學(xué)灌漿止水補(bǔ)強(qiáng)處理?；瘜W(xué)灌漿有效灌漿深度不小于50cm。

5 化學(xué)灌漿材料

5.1 選材要求

根據(jù)裂縫修復(fù)要求，應(yīng)按照以下要求選擇化學(xué)灌漿材料：

(1)補(bǔ)強(qiáng)加固要求漿液固化后有較高的強(qiáng)度，能恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的整體性。由于隧洞裂縫主要受拉應(yīng)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(qiáng)度。如果要提高強(qiáng)度，則要采取結(jié)構(gòu)加固與其他綜合處理相結(jié)合的措施。

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

(3)可灌性。不管是補(bǔ)強(qiáng)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(jié)固化，以達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)和防滲加固的目的。

化學(xué)灌漿材料要考慮黏度低、可灌性好、低溫條件能固化、黏接強(qiáng)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(xué)變化，不易被侵蝕破壞。

(5)對(duì)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(yīng)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(guó)內(nèi)用于混凝土裂縫化學(xué)灌漿的材料種類較多，性能指標(biāo)各異。按照選材要求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，并參考其在大中型水電工程泄洪建筑物中的應(yīng)用情況，主要從材料抗拉強(qiáng)度、粘接強(qiáng)度、抗?jié)B性等與水工隧洞大體積混凝土裂縫恢復(fù)密切相關(guān)的指標(biāo)出發(fā)，經(jīng)對(duì)幾種不同的干縫和濕縫化灌材料的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)塊成果對(duì)比(見表1、2)后，選擇粘度較好的NE-IV型環(huán)氧灌漿材料對(duì)干縫進(jìn)行化灌，選擇粘接強(qiáng)度可以在原材料配比中根據(jù)不同成分的比例進(jìn)行調(diào)整、抗?jié)B性能較佳的LW、HW聚氨酯灌漿材料對(duì)濕縫進(jìn)行化灌。

表1 干縫化灌材料主要指標(biāo)

表2 濕縫化灌材料主要指標(biāo)

5.3 NE-IV型環(huán)氧與LW、HW聚氨酯的性能

NE-IV型環(huán)氧結(jié)構(gòu)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(qiáng)度高、使用方便、可工作時(shí)間長(zhǎng)、柔韌性好、無收縮等特點(diǎn)。其指標(biāo)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(diào)整其膨脹值，最大可達(dá)300%，具有彈性止水和以水止水的雙重功能。對(duì)大量漏水、微滲水，都有良好的止水效果，抗?jié)B指標(biāo)達(dá)到1.8×10-9cm/s(10%漿液固砂體)；HW既能防滲堵漏又能固結(jié)補(bǔ)強(qiáng)，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(jié)強(qiáng)度，又具有高強(qiáng)度、低粘度的特點(diǎn)，有很好的韌性。聚合體在酸、堿中長(zhǎng)期浸泡(3年)后的指標(biāo)性能無異常變化，對(duì)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(qiáng)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(biāo)見表4。

表3 NE-IV型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠主要力學(xué)指標(biāo)

表4 LW、HW聚氨酯灌漿材料主要技術(shù)指標(biāo)

針對(duì)紫坪鋪泄洪排沙洞震損裂縫的實(shí)際情況，LW與HW按照1∶1的比例進(jìn)行配置，既兼顧了較強(qiáng)的止水能力，也具備了良好的補(bǔ)強(qiáng)加固能力。

6 化學(xué)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(bǔ)法、無損貼嘴法和鉆孔埋管法。開槽修補(bǔ)法因?qū)υ炷两Y(jié)構(gòu)破壞較大、材料損耗大、開槽處難以修復(fù)好等問題已基本不再采用；無損貼嘴法具有工藝簡(jiǎn)單、無鉆孔、無孔容耗漿、成本低、對(duì)混凝土無損傷等優(yōu)點(diǎn)，其難點(diǎn)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(nèi)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(jiǎn)單、適應(yīng)各種裂縫類型而被普遍采用，但存在管容耗漿較大、微細(xì)粉塵易堵塞縫面影響灌漿質(zhì)量的缺點(diǎn)。

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(gè)特點(diǎn)：(1)存在時(shí)間較長(zhǎng)，縫內(nèi)鈣質(zhì)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(jī)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(zhì)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(duì)裂縫中、深部飽滿注漿的施工質(zhì)量，使混凝土的結(jié)構(gòu)安全性得到充分保證。雖然其與貼嘴法相比，存在一定缺點(diǎn)，但可通過對(duì)鉆孔工藝的控制、加強(qiáng)鉆孔漿材的補(bǔ)強(qiáng)能力，加強(qiáng)縫隙通風(fēng)等措施來盡量避免或減少以上缺點(diǎn)對(duì)化灌的影響。另外，由于泄洪排沙洞襯砌段長(zhǎng)和厚度大，強(qiáng)度高，設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。因此，從混凝土修復(fù)后的結(jié)構(gòu)安全性出發(fā)，應(yīng)首選鉆孔埋嘴法作為裂縫補(bǔ)強(qiáng)止水的主要技術(shù)措施。

6.2 鉆孔埋嘴法修復(fù)震損裂縫

6.2.1 施工工藝

鉆孔埋嘴法施工工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)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(fēng))→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(duì)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(fù)中，兩類裂縫的施工措施。

在施工過程須特別注意以下幾點(diǎn)：

(1)鉆孔過程中，若遇到鋼筋時(shí)需另換孔位；遇到蜂窩面需及時(shí)清渣并放慢鉆進(jìn)速度，防止破壞混凝土。灌漿完成后對(duì)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(qiáng)度和灌漿效果。

(3)為避免粉塵對(duì)化學(xué)灌漿的危害，須改進(jìn)和完善試漏和通風(fēng)，避免微細(xì)粉塵對(duì)灌漿的影響。

(4)采用電動(dòng)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(guān)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(xué)灌漿措施

6.2.3 成果檢測(cè)

(1)壓水試驗(yàn)。按照化學(xué)灌漿規(guī)范要求進(jìn)行壓水試驗(yàn)，在壓力不低于0.8MPa時(shí)，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(chǎng)實(shí)際情況，將試驗(yàn)時(shí)壓力范圍控制在0.7～1.0MPa之間，壓水時(shí)間控制在10min。經(jīng)檢測(cè)，所有檢查孔的壓水試驗(yàn)測(cè)值在0～0.004L/min之間，說明灌漿質(zhì)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(cè)。對(duì)裂縫化學(xué)灌漿后的混凝土取芯，直徑10cm，長(zhǎng)度為鉆取到第一層鋼筋時(shí)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(qiáng)度檢測(cè)均值為2.06MPa，大于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(ft=1.89MPa)，說明漿材和裂縫的粘接良好，滿足混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)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(jié)論與思考

通過對(duì)化灌材料和工藝的分析，可以得出以下主要結(jié)論：

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

(2)在施工過程中要注意對(duì)縫屑和縫內(nèi)積水的清理，滲水嚴(yán)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(yán)實(shí)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(shí)混凝土無空蝕破壞。

(3)灌漿材料應(yīng)根據(jù)縫的寬度、滲水情況及處理的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)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(duì)混凝土無破壞等方面更有優(yōu)勢(shì)的一種先進(jìn)的化灌技術(shù)。但針對(duì)大體積、高流速水工隧洞混凝土裂縫修復(fù)，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(duì)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(shù)發(fā)展過程中一個(gè)新的探索。

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