張 偉 李渭清 劉孔英

(1.溫州市水利建設管理中心，浙江 溫州 325000；2.杭州市河道與農(nóng)村水利管理服務中心，浙江 杭州 310014；3.浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州 311231)

1 問題的提出

混凝土防滲墻是水利水電工程中的重要防滲措施，適用于覆蓋層地基和土石壩。由于混凝土防滲墻的相關缺陷問題日益突出，混凝土防滲墻缺陷修復是水利工程管理與維護中不可避免的問題。多例滲漏引起垮壩的事件表明滲漏水庫除險加固決不能輕視，滲漏水庫除險加固可以消除滲漏安全隱患，保障水庫安全，保護下游人民群眾生命和財產(chǎn)安全，提高工程社會和經(jīng)濟效益[1-3]。

趙山渡引水工程位于浙江省溫州市瑞安市，屬于珊溪水利樞紐工程，由引水樞紐和輸水渠系組成[4-6]。建筑物主要有泄洪閘、重力壩、河床式電站廠房等。工程屬Ⅱ等工程。設計洪水標準為百年一遇，校核洪水標準為千年一遇。泄洪閘采用消力池底流消能，消力池下游依次布置輔助消能工護坦、海漫和防沖槽。

自2004年12月以來，趙山渡水庫大壩多個泄洪閘閘墩下游側(cè)的結構伸縮縫出現(xiàn)不同程度的滲漏現(xiàn)象。由于水庫已經(jīng)投入運行，水庫閘壩滲流缺陷引起的原因往往很難發(fā)現(xiàn)，對缺陷進行有效處理更為困難。目前對運行狀態(tài)下的滲漏缺陷處理研究較少，該類工程缺陷處理有較好的技術研究與市場應用前景。

2 加固原則與設計

2.1 目標與難點

本研究中補強加固技術的目標為：在不放空趙山渡水庫，保證溫州地區(qū)城鎮(zhèn)正常供水的前提下，通過對防滲墻補強加固施工，研究探索防滲墻滲漏處理方法，最終使趙山渡水庫大壩泄洪閘下游墩縫漏水現(xiàn)象消失，基礎揚壓力明顯下降，滿足設計和現(xiàn)行規(guī)范要求。具體內(nèi)容[7]如下：

a.判定砂卵石地層中的混凝土防滲墻滲漏缺陷可能位置、范圍、滲漏量。

b.確定砂卵石地層中混凝土防滲墻不同大小、深度及滲漏強度等缺陷的處理方法。

c.從現(xiàn)有防滲補強灌漿材料中，針對混凝土防滲墻不同大小、深度及滲漏強度等缺陷情況，選擇相應的堵水、補強灌漿材料。

根據(jù)研究目標與目前技術，防滲墻補強加固的主要技術難點如下：

a.水庫不放空的條件下，水下沙礫石地層中的鉆孔成孔。

b.水庫不放空的條件下，砂卵石地層中的混凝土防滲墻滲漏缺陷可能位置的判定。

c.水庫不放空的條件下，混凝土防滲墻滲漏位置的封堵、加固處理。

2.2 補強加固技術分析與設計

2.2.1 滲漏缺陷位置分析

趙山渡泄洪閘防滲墻是薄壁結構[8]，主要薄弱部位有：?防滲墻每個槽段Ⅰ、Ⅱ序孔之間接縫處；?防滲墻頂部和墻體連接處施工縫；?防滲墻頂部伸縮縫之間止水結構。滲漏缺陷問題主要有：?施工時閘基地質(zhì)條件引起的塌孔導致防滲墻墻體變薄的質(zhì)量缺陷；?澆筑混凝土時產(chǎn)生混凝土骨料離析現(xiàn)象引起蜂窩等質(zhì)量缺陷；?由于防滲墻墻體較薄，水庫蓄水后防滲墻運行過程中可能產(chǎn)生細裂縫。

2.2.2 加固處理的原則

經(jīng)過對趙山渡工程泄洪閘的水下檢查、試驗性修補及上游護坦和垂直止水系統(tǒng)的全面修復，淺灘區(qū)泄洪閘基底揚壓力變化不大，閘墩下游伸縮縫漏水仍然明顯，表明趙山渡泄洪閘的淺灘區(qū)防滲墻墻體內(nèi)存在較大的滲漏通道。為確保趙山渡工程的安全運行，必須加固防滲墻，封堵滲漏通道，消除漏水、降低基底揚壓力，使泄洪閘的滲透穩(wěn)定滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。根據(jù)趙山渡引水工程承擔的功能任務，水庫運行的實際情況，宜按照以下原則對防滲墻進行加固處理：

a.由于水庫承擔著溫州地區(qū)供水功能，并且放空水庫具有較長的施工工期，經(jīng)濟投入較大，因此在考慮技術與投資條件下，需要在保證水庫正常運行狀態(tài)下，采取水下作業(yè)來尋找防滲墻滲漏發(fā)生部位。

b.雖然無法直接判斷防滲墻滲漏缺陷的具體部位，但考慮到泄洪閘位于砂礫石之上，其基礎滲漏處理需要符合滲透變形基本原理，即常用的“上堵、下排”方法。首先，封堵上游滲漏入口，切斷滲漏路徑，阻礙滲入。其次，考慮到砂礫石的影響，需要鋪設土工布于消力池基建面之上。

對泄洪閘的基底揚壓力進行監(jiān)測，結合滲漏情況的分析，并參考防滲墻CT檢測成果，確定全面灌漿范圍與重點灌漿區(qū)段，先處理重點區(qū)段，后處理其他區(qū)段。

3 補強加固施工方案

趙山渡引水樞紐具有飛云江下游和溫州地區(qū)的供水、灌溉、生態(tài)等功能，要求灌漿施工使用的材料本身無毒環(huán)保，且具備耐久性。由于水下滲漏處理施工工藝復雜且在水下進行，因此在進行泄洪閘防滲墻滲漏處理時，盡可能降低庫水位以減少水下作業(yè)處理的范圍，減小水下工作量，提高施工質(zhì)量，縮短施工工期。泄洪閘現(xiàn)有防滲系統(tǒng)由原混凝土防滲墻、泄洪閘上游護坦伸縮縫和閘墩垂直伸縮縫止水系統(tǒng)組成，伸縮縫已經(jīng)按照要求處理完畢，本文主要對泄洪閘防滲墻處理方案進行研究探討。

3.1 備選方案1：防滲墻上游側(cè)帷幕灌漿

該方案是緊靠原防滲墻上游側(cè)新設一道防滲帷幕與原防滲墻一起形成新的防滲墻。優(yōu)點是：?符合防滲系統(tǒng)離上游較近的原則；?對原防滲墻潛在缺陷的修補作用較強；?新設的防滲帷幕施工要求較獨立的防滲帷幕可低一些。該方案缺點是：?灌漿帷幕位于上游砂礫石層，表層有近3m厚的拋石，成孔難度較大；?灌漿過程中向上游側(cè)范圍較大，容易漏漿，材料使用量難控制。

3.2 備選方案2：直接在防滲墻墻體灌漿

該方案直接在防滲墻墻體中鉆孔灌漿，對防滲墻的缺陷進行加固處理，優(yōu)點是：?對工程原設計防滲體系進行補強加固，針對性強；?混凝土內(nèi)鉆孔不易塌孔，灌漿易控制。但由于原防滲墻厚度僅為0.80m，在水庫不放空的情況下，對在防滲墻墻身內(nèi)鉆深孔技術要求較高，施工難度大，施工期較長，容易對原防滲墻產(chǎn)生新的破壞。

3.3 備選方案3：防滲墻下游側(cè)帷幕灌漿

該方案在原防滲墻下游側(cè)水平護坦部位鉆孔灌漿，形成新的灌漿帷幕。優(yōu)點是鉆孔相對容易成孔，灌漿量控制相對容易。缺點是：?防滲體距上游較遠；?對原防滲墻沒有補強加固作用；?需要在護坦混凝土上開孔(數(shù)量較多)，如封堵不密實，極易形成新的滲透通道；?灌漿后造成新的地基強度不均勻，容易引起泄洪閘不均勻沉降。

3.4 補強加固方案的確定

考慮原防滲墻結構安全及施工可行性等因素，直接在防滲墻墻體鉆孔灌漿方案對防滲墻破壞明顯，而且防滲墻滲漏缺陷定位難度相當大，技術上可行性較差。因此，排除直接在防滲墻墻體灌漿的方案。綜合考慮剩余2個方案的技術與經(jīng)濟相關指標，選擇在原防滲墻上游側(cè)進行帷幕灌漿的補強加固處理方案，盡管該方案存在拋石層成孔難度較大、灌漿過程向上游的漏漿不易控制的缺點。

4 防滲墻加固處理中的灌漿材料研究

水下基礎灌漿技術難度大，必須根據(jù)趙山渡防滲墻滲漏特點，選用滿足水下動水灌漿要求的灌漿材料。對幾種典型的灌漿材料的可灌性、防滲性、初凝時間、終凝時間等指標進行試驗研究，包括有機灌漿材料、普通硅酸巖水泥、特種快速早強水泥、水泥-水玻璃灌漿材料等。

4.1 聚氨酯化學灌漿材料

聚氨酯化學灌漿材料屬于親水性的高分子材料，其特點是遇水乳化、分散、固結，延伸性較好，能適應活動縫的變形，尤其是遇水膨脹的性能(可達250%)可以調(diào)節(jié)。其處理活動裂縫的原理是親水性基團與混凝土的黏結力較強，黏結強度大于1MPa，廣泛用于各種裂縫的封閉處理[9]。此種材料除了價格昂貴，同時需要相應的水下密封材料來達到灌漿效果。

根據(jù)施工方案特點，通過試驗研究了幾種常用化學灌漿材料的物理力學性能，發(fā)泡時間、止泡時間和發(fā)泡倍數(shù)與溫度、催化劑含量、水溫的關系，飽和面干(潮濕)黏結強度(3天)，凝膠時間，催化劑對凝膠時間的影響，不同水量對凝膠時間的影響，抗壓強度(含彈性恢復)，抗拉強度和遇水膨脹率等指標或關系。凝膠時間實驗結果(見圖1)表明該類材料可以顯著提高凝結效果。

圖1 凝膠試驗結果

4.2 水泥-水玻璃材料

水泥-水玻璃材料作為灌漿材料，其主要成分是水泥和水玻璃，需要將兩種材料按照比例，在雙液混合器內(nèi)充分混合，得到雙漿液。該材料的特點是經(jīng)濟投入少、毒性小、凝結快速、強度高等，同時具有化學漿液與水泥漿液的特征[10]。該材料的凝結時間范圍廣，可從幾秒到幾十分鐘，結石率可達到100%，較純水泥漿有明顯提高。

4.2.1 凝結時間

水玻璃與水泥的相對含量、水灰比、水玻璃模數(shù)是影響該材料性能的主要因素。水玻璃含量對凝結時間影響較大，以水泥漿的體積為基準，水玻璃在25%～60%之間時，凝結速度較快，同時變化較為平緩。水泥、水玻璃雙漿液試驗結果(見表1)表明凝結時間具有以下規(guī)律：

表1 水泥、水玻璃雙漿液試驗成果

a.水玻璃模數(shù)與二氧化硅含量、凝結時間、結石強度成正比。

b.水泥漿濃度提高加快了凝結時間。

c.在30～50°Bé范圍內(nèi)，水玻璃濃度與凝結時間成反比。

d.水玻璃與水泥的體積比在0.3∶1～1∶1范圍內(nèi)時，水玻璃用量與凝結時間成正比。

4.2.2 結石強度

該材料結石的抗壓強度主要受水灰比的影響，同時也受水玻璃溶液的濃度、水玻璃與水泥漿液的比例等因素的影響。其主要規(guī)律如下：

a.水灰比與結石的抗壓強度成反比。

b.當水灰比較小時，水玻璃濃度與不同齡期結石的抗壓強度成正比；而當水灰比處于中間狀態(tài)時，無明顯規(guī)律性；當水灰比較大時，二者成反比關系。

c.水玻璃與水泥體積比存在一個適宜的比例范圍，使得水泥與水玻璃的化學反應完全，結石強度較高。

4.3 快速固化水泥灌漿材料

4.3.1 材料特征

該類型材料的主要技術特點如下：

a.工作性好：水灰比較小時，流動性較好，填充間隙的能力較強。

b.早強高強：3d、28d的抗壓強度分別大于45MPa、70MPa，安裝較快。

c.黏結強度較高、收縮較小，可以與接觸材料牢固結合。

d.耐久性好：屬于無機灌漿材料，抗老化，基本無銹蝕。

4.3.2 使用方法

該類型材料的使用方法如下：

a.需要先清理干凈填充空間再灌注清理干凈，表面需預濕半天左右。

b.對于小空間二次灌注，直接加水拌和。對于大空間二次灌注，可加入5～10mm粒徑的石子。

c.可用人工插搗處理較小的空隙，需要提前把氣體趕跑，經(jīng)12h后需要及時養(yǎng)護(澆水或濕草袋覆蓋)，養(yǎng)護期1～2周。

4.4 灌漿材料的選用

灌漿材料的選擇需要綜合考慮膠凝速度、可灌性、結石強度等指標。由于原防滲墻上游側(cè)有30多m厚的砂礫石層，表面有3m厚的拋石層，都會影響灌漿效果，因此這里采用多種灌漿材料，包括水泥、特種水泥、水泥-水玻璃、聚氨酯漿材等常規(guī)松散層灌漿漿材。而具體灌漿過程還需根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整。所選材料指標如下:

a.42.5普通硅酸鹽水泥：

技術指標:抗壓強度:3d不小于17.0MPa，28d不小于42.5MPa；

抗折強度:3d不小于3.5MPa，28d不小于6.5MPa；

流動度:199mm。

b.水玻璃：

成分組成：二氧化硅，氧化鈉；

技術指標：水玻璃模數(shù):2.4～3.4；

波美度:30～45°Bé。

c.特種水泥：

成分組成：還原性特制硫鋁酸鹽水泥，聚丙烯酰胺絮凝劑；

技術指標：形狀:灰白色粉末；

密度：2.8～3.0g/cm3；

結石率：不小于98%；

抗壓強度:1d 15MPa，7d 30MPa；

凝結時間:20～90min可調(diào)；

流動度:280～320mm。

5 結論與建議

用灌漿技術處理土石壩滲漏問題有許多成功經(jīng)驗，而用于處理類似趙山渡工程的混凝土壩體滲漏較為少見。施工過程中，進行了調(diào)整成孔工藝、在主要滲漏通道部位增加鉆孔密度、改變漿液配比等一系列探索性工作，最終取得了封堵滲漏通道的成功，消除了下游結構縫的漏水，降低了閘壩的基底揚壓力，滿足了大壩滲流穩(wěn)定要求。本研究中防滲墻的灌漿加固處理，有許多可供總結的寶貴經(jīng)驗，可為類似水利工程除險加固提供借鑒。