混凝土壩裂縫灌漿關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題探討

陳彥玉

混凝土壩裂縫灌漿關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題探討

陳彥玉

（北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

混凝土壩施工期或運(yùn)行期常出現(xiàn)不同程度的裂縫，灌漿作為修補(bǔ)混凝土裂縫的一項(xiàng)主要技術(shù)，能顯著提高壩體整體性和承載力。結(jié)合國(guó)內(nèi)外混凝土壩裂縫灌漿修補(bǔ)的工程實(shí)例，對(duì)灌漿技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行闡述，并對(duì)其中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：灌漿時(shí)機(jī)的選擇、灌漿壓力的合理取值及灌漿效果評(píng)價(jià)方法等進(jìn)行了探討。

混凝土裂縫；灌漿；灌漿時(shí)機(jī)；灌漿壓力；灌漿效果評(píng)價(jià)

1 概 述

大壩等大體積混凝土結(jié)構(gòu)，施工期和運(yùn)行期常因溫度變化而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，由于混凝土抗拉強(qiáng)度較低，在拉應(yīng)力的作用下壩體混凝土常出現(xiàn)不同程度的裂縫［1］。裂縫不但影響結(jié)構(gòu)的美觀(guān)和混凝土的耐久性，甚至還會(huì)給結(jié)構(gòu)的整體安全性帶來(lái)隱患。目前，混凝土壩建設(shè)仍沒(méi)有擺脫“無(wú)壩不裂”的歷史，防止裂縫是壩工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中的重要課題。

灌漿技術(shù)作為修補(bǔ)裂縫的常用手段，其主要原理是通過(guò)灌漿泵等壓送設(shè)備將漿體灌入裂縫內(nèi)，使其滲透、擴(kuò)散、膠凝或固化，以恢復(fù)壩體的整體性及其承載能力。上世紀(jì)初，為提高水閘基礎(chǔ)的抗?jié)B性和承載力，法國(guó)工程師Charles首次成功地將水泥漿注入水閘地基裂隙中，并取得了良好的效果［2］。此后，新型灌漿材料的不斷涌現(xiàn)及豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了灌漿施工技術(shù)和理論的不斷發(fā)展。

混凝土裂縫問(wèn)題本身較為復(fù)雜，灌漿過(guò)程中漿體與壩體混凝土存在流固耦合作用，同時(shí)疊加早期殘余溫度應(yīng)力，使得混凝土壩裂縫灌漿機(jī)理更為復(fù)雜。工程實(shí)踐表明，有的灌漿效果較好，達(dá)到了預(yù)期目的，但也不乏灌漿過(guò)程中出現(xiàn)裂縫擴(kuò)展等失敗的案例。究其原因，主要是對(duì)漿體與混凝土間耦合作用的機(jī)理及漿體壓裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究不夠。因此，開(kāi)展灌漿作用下，混凝土壩裂縫及灌漿效果研究具有重要的工程意義。本文在總結(jié)已有的工程實(shí)踐和相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，探討混凝土壩裂縫灌漿修補(bǔ)中存在的主要問(wèn)題和研究思路，以期為后續(xù)的研究工作提供參考。

2 國(guó)內(nèi)外混凝土壩裂縫灌漿修補(bǔ)工程實(shí)踐

作為一種常見(jiàn)的裂縫修補(bǔ)措施，灌漿技術(shù)在壩工界受到高度重視。該技術(shù)的應(yīng)用成功地解決了許多工程技術(shù)難題，并取得了良好的效益。

我國(guó)的灌漿技術(shù)發(fā)展，源于上世紀(jì)50年代。當(dāng)時(shí)為應(yīng)對(duì)三峽工程中可能出現(xiàn)的裂縫，長(zhǎng)江科學(xué)院等單位相繼開(kāi)展混凝土灌漿補(bǔ)強(qiáng)工作的研究［3］。三峽二期工程因溫度應(yīng)力出現(xiàn)不同程度的裂縫，采用化學(xué)灌漿技術(shù)修補(bǔ)，取得了良好的工程效果［4，5］。

國(guó)外有關(guān)灌漿技術(shù)在混凝土壩中的應(yīng)用較早。上世紀(jì)初，灌漿技術(shù)就應(yīng)用于修補(bǔ)大壩基礎(chǔ)，以提高壩基整體性和承載力［6］。隨著灌漿材料的不斷涌現(xiàn)和灌漿工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，灌漿技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在Big Eddy重力壩水平施工縫修補(bǔ)過(guò)程中，首次提出了最大灌漿壓力的概念［7］；瑞士壩工專(zhuān)家Lombardi提出灌漿強(qiáng)度值法，即GIN法，通過(guò)定義GIN的取值，來(lái)防止灌漿過(guò)程中裂縫的張開(kāi)和擴(kuò)展［8］，該法在國(guó)內(nèi)外大壩裂縫修補(bǔ)中均得到廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用灌漿技術(shù)修補(bǔ)大壩裂縫的實(shí)例很多，包括成功的、較成功的及失敗的。典型工程實(shí)例如表1和表2所示。

表1 國(guó)內(nèi)混凝土壩裂縫灌漿修補(bǔ)工程實(shí)例Table 1 Examples of repaired concrete dams by grouting in China

表2 國(guó)外混凝土壩裂縫灌漿修補(bǔ)工程實(shí)例Table 2 Exam ples of repaired concrete dams by grouting in foreign countries

通過(guò)以上工程實(shí)例，可以獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）新型灌漿材料的不斷涌現(xiàn)。從早期水泥漿到現(xiàn)在的各種化學(xué)材料，如環(huán)氧樹(shù)脂、水溶性環(huán)氧漿材等，灌漿材料不斷向低成本、高強(qiáng)度、高抗?jié)B性、綠色無(wú)污染的方向發(fā)展。

（2）灌漿施工工藝日趨成熟。通過(guò)國(guó)內(nèi)外大量大壩裂縫灌漿實(shí)例，已總結(jié)出系統(tǒng)的灌漿施工步驟，如裂縫普查→鉆孔與埋管→表面封縫→清洗與壓水試驗(yàn)→灌漿→質(zhì)量檢查驗(yàn)收等［9］，便于現(xiàn)場(chǎng)工人操作。

（3）灌漿理論的匱乏。由于目前灌漿多是結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)展的，灌漿指標(biāo)的確定和灌漿效果的評(píng)價(jià)均缺乏理論層面的研究。工程中灌漿理論的匱乏與灌漿技術(shù)的迫切需求極不協(xié)調(diào)。

3 混凝土壩裂縫灌漿中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

眾所周知，灌漿技術(shù)在混凝土壩裂縫修補(bǔ)中的工程實(shí)踐遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其基本理論研究。為滿(mǎn)足工程需要，灌漿指標(biāo)的確定多局限于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或借鑒類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，這既是科學(xué)研究的邏輯步驟，也是在缺乏理論研究成果下的權(quán)宜之計(jì)。原因是多方面的：混凝土裂縫問(wèn)題本身的復(fù)雜性，導(dǎo)致灌漿前壩體的應(yīng)力狀態(tài)較難確定；灌漿過(guò)程中，漿體與裂縫處混凝土存在流固耦合作用，且關(guān)系到裂縫擴(kuò)展的判別，機(jī)理較為復(fù)雜；灌漿結(jié)束后，漿體與壩體混凝土成為整體，灌漿效果的評(píng)價(jià)涉及到非線(xiàn)性分析問(wèn)題［26］。目前，混凝土壩裂縫灌漿修補(bǔ)中，工程界極為關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題，如灌漿時(shí)機(jī)的選擇、合理的灌漿壓力及灌漿后效果評(píng)價(jià)等，并沒(méi)有理論層次上的深入分析。因此，灌漿作為一種技術(shù)手段，其理論基礎(chǔ)的匱乏與實(shí)際工程的需求存在嚴(yán)重的矛盾。以下結(jié)合已有灌漿理論和工程實(shí)踐，就上述3方面問(wèn)題進(jìn)行探討。

3．1 灌漿時(shí)機(jī)的選擇

由于壩體混凝土對(duì)溫度變化較為敏感，裂縫產(chǎn)生后，在周而復(fù)始的氣溫變化作用下，裂縫張開(kāi)位移（Crack Mouth Opening Displacement，CMOD）隨之變化，并有可能擴(kuò)展或出現(xiàn)新裂縫。灌漿時(shí)機(jī)的選擇直接關(guān)系到灌漿效果：灌漿過(guò)早，當(dāng)遭遇氣溫驟降或二期冷卻時(shí)，漿體和裂縫處混凝土結(jié)合面有脫開(kāi)的可能；若在裂縫產(chǎn)生很久后開(kāi)始灌漿，一方面會(huì)影響施工進(jìn)度，另一方面，混凝土表面會(huì)出現(xiàn)“白華”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響漿體和混凝土的粘結(jié)效果［27，28］；此外，在溫度應(yīng)力作用下，原有裂縫有可能擴(kuò)展或出現(xiàn)新裂縫。目前，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的做法是：對(duì)于淺表裂縫，發(fā)現(xiàn)后立即進(jìn)行灌漿處理，對(duì)于深層裂縫，一般在第一年冬季進(jìn)行灌漿，如果灌漿效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，則進(jìn)行二次灌漿，如三峽二期工程中出現(xiàn)的裂縫，在12月至2月低溫季節(jié)期間對(duì)裂縫進(jìn)行處理［4］。上述灌漿時(shí)機(jī)是在總結(jié)國(guó)內(nèi)外灌漿效果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的，目前對(duì)合理灌漿時(shí)機(jī)的確定從理論層次上仍沒(méi)有合理的解釋。

對(duì)于壩體混凝土施工期內(nèi)出現(xiàn)的裂縫，由于此時(shí)混凝土只承受溫度荷載，灌漿時(shí)機(jī)的研究可從以下兩方面入手：其一，分析完整壩體混凝土在內(nèi)部水化熱及外界氣溫作用下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，找出應(yīng)力最大的時(shí)刻，作為灌漿的最佳時(shí)機(jī)。氣溫降低時(shí)，由于沒(méi)有考慮裂縫產(chǎn)生后壩體混凝土應(yīng)力重分布，導(dǎo)致計(jì)算的應(yīng)力往往偏大，但這種計(jì)算仍具有指導(dǎo)意義。因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，溫度應(yīng)力越大，裂縫張開(kāi)位移也越大，灌漿結(jié)束后，后期裂縫閉合產(chǎn)生的壓應(yīng)力保證了漿體與混凝土之間的有效粘結(jié)。其二，在進(jìn)行混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真時(shí)，引入混凝土開(kāi)裂模型來(lái)模擬既有裂縫，通過(guò)分析外界氣溫變化情況下裂縫張開(kāi)位移，判斷最佳灌漿時(shí)機(jī)，在裂縫起裂前進(jìn)行灌漿。但由于目前混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的求解基于線(xiàn)彈性理論，混凝土開(kāi)裂問(wèn)題則涉及到非線(xiàn)性問(wèn)題，且裂縫與壩體混凝土的尺寸在數(shù)量級(jí)上相差較大，采用傳統(tǒng)的重新劃分網(wǎng)格的有限單元法基本很難實(shí)現(xiàn)。程井等提出基于修正衍射準(zhǔn)則的不連續(xù)面裂紋模擬方法，應(yīng)用無(wú)單元伽遼金法（Element Free Galekin Method，EFGM）計(jì)算溫度應(yīng)力以及由溫度應(yīng)力引起的裂紋擴(kuò)展［29］，由于采用的是線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)原理，其有效性和合理性有待進(jìn)一步研究。

3．2 灌漿壓力的合理取值

灌漿壓力涉及到兩方面的矛盾：灌漿壓力過(guò)小，在裂縫處可能存在未粘結(jié)的地方，達(dá)不到修補(bǔ)裂縫、提高承載力的目的；由于裂縫尖端存在應(yīng)力集中區(qū)域，過(guò)大的灌漿壓力易導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，適得其反。因此，合理的灌漿壓力是指既能達(dá)到灌漿密實(shí)的效果，又能防止裂縫擴(kuò)展的壓力。在Big Eddy混凝土重力壩灌漿修補(bǔ)中，為了防止灌漿壓力過(guò)大導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，首次提出合理灌漿壓力的概念，并對(duì)灌漿壓力的取值進(jìn)行了研究，采用水泥漿進(jìn)行灌漿后，提高了壩體抗?jié)B性和結(jié)構(gòu)整體性［7］。在混凝土壩裂縫修補(bǔ)過(guò)程中，不乏因灌漿壓力過(guò)大致裂縫擴(kuò)展的實(shí)例［21］，究其原因，主要是對(duì)漿體與混凝土間耦合作用的機(jī)理及漿體壓裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究不深入。

灌漿過(guò)程的實(shí)質(zhì)是漿體在裂縫中流動(dòng)，如圖1［30］和圖2［31］所示，漿體與混凝土存在流固耦合作用，合理的灌漿壓力既要保證裂縫處漿體和混凝土之間有效粘結(jié)，又要防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。目前國(guó)內(nèi)對(duì)合理灌漿壓力的選擇，亦多基于現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)或者類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，在理論層次上對(duì)灌漿壓力合理取值進(jìn)行研究的報(bào)道較少。張國(guó)新等從Ⅰ型二維裂紋模型出發(fā)，對(duì)混凝土裂縫灌漿的臨界壓力以及灌漿壓力對(duì)裂縫穩(wěn)定性的影響進(jìn)行定性分析，確定了不同縫長(zhǎng)和約束條件下的混凝土裂縫安全灌漿壓力［32］；連志龍等基于流固耦合理論，導(dǎo)出平行裂縫內(nèi)層流流動(dòng)壓降方程，以臨界應(yīng)力作為裂縫擴(kuò)展原則，模擬了水力導(dǎo)致的裂縫擴(kuò)展問(wèn)題［33］，該過(guò)程與灌漿過(guò)程十分相似，可能成為合理灌漿壓力數(shù)值模擬的突破點(diǎn)。由于漿體多具有凝聚力和粘度，屬于伯明翰流體，Amadei給出了伯明翰流體沿裂縫流動(dòng)時(shí)的平衡方程，并根據(jù)裂縫表面的不光滑特性對(duì)壓力梯度進(jìn)行修正［34］。ITASCA公司開(kāi)發(fā)的二維離散元軟件能對(duì)灌漿過(guò)程中的流固耦合進(jìn)行模擬，但混凝土灌漿過(guò)程中裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則如何確定，并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可循。

圖1 漿體在裂縫中擴(kuò)散及裂縫表面壓力分布Fig．1 The grout spread and the pressure on the fracture surfaces

圖2 漿體與裂縫處混凝土粘結(jié)圖像Fig．2 Cementation Photograph between concrete and grouting

灌漿過(guò)程涉及到流體力學(xué)、流固耦合以及斷裂力學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)疊加早期殘余溫度應(yīng)力，合理灌漿壓力的數(shù)值模擬有待于進(jìn)一步研究。

3．3 灌漿效果評(píng)價(jià)方法

裂縫修補(bǔ)完成后，在正常蓄水或遭遇地震等其他特殊荷載時(shí)，能否安全運(yùn)行是工程界最為關(guān)心的問(wèn)題。目前工程中常用的灌漿效果評(píng)價(jià)方法有壓水試驗(yàn)、鉆孔取樣及聲波探測(cè)等［12，35］，這些手段在一定程度上能反映灌漿的補(bǔ)強(qiáng)效果；其局限性在于：檢測(cè)方法尚不成熟，缺乏相應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，尤其不能反映灌漿后壩體整體應(yīng)力狀態(tài)。目前，混凝土壩裂縫灌漿修補(bǔ)完成后，壩體整體應(yīng)力狀態(tài)并沒(méi)有合理、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法，國(guó)內(nèi)外一般借助于數(shù)值方法對(duì)修補(bǔ)后的壩體應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

李九紅等對(duì)青銅峽電站壩段的3大條貫穿裂縫，運(yùn)用ANSYS－CAE和SAP有限元軟件，模擬分析了灌漿后裂縫處的應(yīng)力應(yīng)變特性，并與完整結(jié)構(gòu)、裂縫結(jié)構(gòu)的模擬分析成果進(jìn)行對(duì)比，分析了裂縫灌漿后對(duì)整體穩(wěn)定性和裂縫局部應(yīng)力的影響，結(jié)果表明灌漿修補(bǔ)后大壩滿(mǎn)足安全運(yùn)行要求［12］。Pierre Leger采取二維離散元分析軟件UDEC，對(duì)一座90m高的重力壩灌漿修補(bǔ)后的壩體響應(yīng)進(jìn)行全過(guò)程仿真，分析灌漿后壩體的應(yīng)力狀態(tài)［26］。

常規(guī)檢測(cè)方法只能定性表達(dá)灌漿的局部效果，不能反映壩體整體應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值方法的優(yōu)勢(shì)在于：能對(duì)修補(bǔ)后的壩體進(jìn)行全過(guò)程仿真，并綜合評(píng)定灌漿后壩體整體性及灌漿效果。但由于灌漿后，漿體與混凝土粘結(jié)狀態(tài)不可視，準(zhǔn)確描述二者的接觸性態(tài)存在困難，導(dǎo)致無(wú)法確定接觸問(wèn)題數(shù)值模擬中的參數(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

混凝土壩開(kāi)裂問(wèn)題是工程界備受關(guān)注的問(wèn)題，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外混凝土壩裂縫灌漿修補(bǔ)工程實(shí)例和相關(guān)理論進(jìn)展，對(duì)灌漿中的幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了探討，以期為后續(xù)的研究工作提供參考。

（1）目前國(guó)內(nèi)外在灌漿實(shí)踐方面，有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，并在灌漿材料和灌漿設(shè)備的研發(fā)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。對(duì)混凝土開(kāi)裂理論、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的研究也比較深入，但將混凝土開(kāi)裂模型引入到混凝土溫度應(yīng)力場(chǎng)分析中較困難，原因是目前溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的求解多是基于線(xiàn)彈性理論，而混凝土開(kāi)裂問(wèn)題涉及到非線(xiàn)性問(wèn)題，使得灌漿前、開(kāi)裂后壩體混凝土的初始應(yīng)力難以描述。

（2）灌漿過(guò)程涉及到流體力學(xué)、流固耦合以及斷裂力學(xué)等多學(xué)科知識(shí)。雖然流固耦合等理論比較成熟，但將多場(chǎng)耦合與裂縫擴(kuò)展結(jié)合起來(lái)，同時(shí)疊加早期殘余溫度應(yīng)力，在數(shù)值模擬方面仍存在較大困難，導(dǎo)致目前對(duì)灌漿壓力的確定僅局限于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或借鑒類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)。

（3）對(duì)于修補(bǔ)后的大壩灌漿效果評(píng)價(jià)，目前尚缺少合理、統(tǒng)一的方法。常規(guī)的檢測(cè)方法只能定性地分析，缺乏相應(yīng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即使采用數(shù)值方法進(jìn)行全壩非線(xiàn)性仿真分析，混凝土與漿體之間接觸參數(shù)的描述仍存在困難。

（4）灌漿技術(shù)的成敗關(guān)系到整個(gè)壩體的修復(fù)效果及安全性。在灌漿之前，對(duì)裂縫及開(kāi)裂后壩體應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)有合理描述；灌漿壓力的合理取值除借鑒類(lèi)似工程或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)外，應(yīng)開(kāi)展灌漿過(guò)程的數(shù)值模擬研究；灌漿過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)裂縫張開(kāi)位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止灌漿壓力過(guò)大導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展；灌漿結(jié)束后，應(yīng)對(duì)整個(gè)壩體的灌漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，尤其是特殊荷載作用下壩體應(yīng)力狀態(tài)。建議對(duì)壩體裂縫灌漿進(jìn)行全過(guò)程仿真分析，以達(dá)到修復(fù)壩體、提高其安全性的目的。

致謝：感謝加拿大蒙特利爾大學(xué)土木工程系Pierre Leger教授為本文的撰寫(xiě)提供了部分基礎(chǔ)資料。

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（編輯：劉運(yùn)飛）

Discussion on Key Technical Problems of Grouting to Repair Cracks in Concrete Dam s

CHEN Yan-yu
（Traffic Science and Engineering institute，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

Cracking is a common phenomenon in the construction or operation period of concrete dams due to the low tensile strength of concrete．Grouting is considered to be an effective approach to repair the concrete crack，which can reinstate the integrity and bearing capacity of the dam．The stresses of concrete dam are redistributed by cracks before grouting；the effect of solid-fluid coupling exists between the concrete and the groutingmaterial，and excessive grouting pressure easily leads to crack propagation during grouting；the new state of stress appears as the grout sets，so the effect of the grouting needs to be reasonably evaluated．In this paper，the application achieve-ments of grouting in reparing cracks of concrete dams were reviewed．Then，some problems concerned were dis-cussed，such as the grouting opportunity，themaximum grouting pressure to avoid hydro-fracturing，and the reason-able evaluation method of grouting effect in the repaired dam．

concrete crack；grouting；grouting opportunity；grouting pressure；evaluation of grouting effect

TV543

A

1001－5485（2011）03－0054－05

2010-04-06

陳彥玉（1984-），男，北京市人，碩士研究生，主要從事準(zhǔn)大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫控防裂研究，（電話(huà)）13426017731（電子信箱）che-nyanyu0140＠163．com。