聚氨酯低壓注漿技術(shù)在大壩滲漏處理中的應(yīng)用

李 偉

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110000)

碾壓混凝土重力壩以其施工速度快、溫控措施簡(jiǎn)單、工程造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn),在得到了大量應(yīng)用[1]。上世紀(jì)末期,我國(guó)東北地區(qū)修建了觀音閣、白石、溫泉堡等多座大型碾壓混凝土重力壩。但由于工程技術(shù)原因,我國(guó)寒冷地區(qū)的碾壓混凝土重力壩裂縫和滲漏狀況比較嚴(yán)重,如何進(jìn)行修補(bǔ)加固已經(jīng)成為水利工程研究領(lǐng)域的重要課題。

1 白石水庫(kù)大壩概況

白石水庫(kù)坐落在遼西地區(qū)主要河流大凌河的干流上,是一座兼具防洪、灌溉、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能的綜合性大型水利樞紐工程[2]。水庫(kù)的設(shè)計(jì)庫(kù)容為16.45億m3,控制流域面積1.76萬(wàn)km2。水庫(kù)大壩為碾壓混凝土重力壩,最大壩高50.3m,大壩全長(zhǎng)513m,由擋水壩段、溢流壩段、取水壩段和電站壩段組成[3]。

白石水庫(kù)所屬流域?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,多年平均氣溫為8.5℃[4]。由于庫(kù)區(qū)冬季寒冷漫長(zhǎng)、且冷空氣活動(dòng)十分頻繁,當(dāng)前強(qiáng)寒潮侵襲時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)比較劇烈的降溫。因此,壩面附近混凝土的內(nèi)外溫差較大,極容易受溫度荷載的影響而產(chǎn)生裂縫。

對(duì)水庫(kù)大壩的定期檢查發(fā)現(xiàn),上游壩面的主要缺陷就是壩面裂縫。其中,3～28#壩塊發(fā)現(xiàn)27條明顯的裂縫,其出現(xiàn)的位置基本上是每個(gè)壩段垂直于水流方向的1/2到1/3處。對(duì)上述裂縫進(jìn)一步進(jìn)行超聲波測(cè)試,結(jié)果顯示其中的大部分裂縫已經(jīng)貫穿了壩體表面的常態(tài)混凝土防滲層,同時(shí)在水位下降過(guò)程中可以觀測(cè)到部分裂縫有明顯的滲水痕跡。另一方面,監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示大壩廊道的滲排水量周期性特征十分明顯。每年的冬季低溫期,廊道的滲排水流量明顯加大,而隨著春季到來(lái),滲流量則逐漸減少、并最終消失。由此可見,大壩滲漏與溫度荷載作用下大壩裂縫的伸縮有明顯關(guān)聯(lián)。此外,受滲漏和冬季低溫的共同影響,大壩下游面滲水點(diǎn)附近的混凝土有比較明顯的凍融破壞現(xiàn)象,一般表現(xiàn)為麻面和剝蝕。

2 壩體裂縫的形成機(jī)理與處理原則

2.1 形成機(jī)理

結(jié)合相關(guān)的研究結(jié)論與白石水庫(kù)大壩具體情況,分析認(rèn)為大壩裂縫的形成原因主要有以下幾個(gè)方面。

(1)白石水庫(kù)處于北方寒冷地區(qū),年平均氣溫較低,這必然導(dǎo)致壩體本身的穩(wěn)定溫度較低,而大壩施工中夏季澆筑的混凝土入倉(cāng)溫度較高,所以大壩的基礎(chǔ)溫差很大,增大了控制基礎(chǔ)貫穿性裂縫的難度[5]。

(2)白石水庫(kù)處于遼西地區(qū),位于冬季寒潮的主要移動(dòng)路徑上,寒潮活動(dòng)十分頻繁。在溫度劇烈變化時(shí)壩面混凝土的內(nèi)外溫差較大,極易誘發(fā)壩面的表層裂縫,并進(jìn)一步發(fā)展為劈頭裂縫。

(3)由于白石水庫(kù)地區(qū)冬季寒冷、夏季炎熱且要度汛,在大壩澆筑施工中,每年都有幾個(gè)月的停澆期。澆筑施工的長(zhǎng)間歇導(dǎo)致上下層混凝土溫差較大,在越冬面和度汛面附近容易形成滲水通道。

(4)白石水庫(kù)大壩屬于典型的“金包銀”防滲結(jié)構(gòu)的碾壓混凝土重力壩,其外層的常態(tài)混凝土防滲層厚度為3.5m、施工澆筑層高度為2.5m。由于防滲層和碾壓混凝土之間、防滲層的澆筑層之間存在薄弱層,容易誘發(fā)結(jié)構(gòu)性裂縫。每個(gè)壩段垂直于水流方向的1/2到1/3處極容易形成垂直連續(xù)裂縫,這種裂縫一旦貫穿常態(tài)混凝土防滲層,就會(huì)形成滲水通道。白石水庫(kù)壩體滲漏主要是這種裂縫造成的。

2.2 處理原則

監(jiān)測(cè)結(jié)果和理論分析均顯示,在冬季低溫季節(jié),壩體裂縫加寬,滲徑阻力系數(shù)減小,造成壩體的滲排水量加大。下游壩面的水平施工縫,特別是越冬面和度汛面形成的施工縫滲水情況最為嚴(yán)重。如果僅在下游面進(jìn)行封堵,顯然是治標(biāo)不治本,并不能從根本上解決問(wèn)題。如果對(duì)下游壩面的滲漏點(diǎn)進(jìn)行封堵,勢(shì)必會(huì)增加壩體內(nèi)部的滲水壓力,不僅不利于壩體穩(wěn)定,還必定會(huì)形成新的滲水出漏點(diǎn)。因此,對(duì)寒冷地域的碾壓混凝土重力壩必須堅(jiān)持“上堵下排、防滲為主”的滲漏處理原則。目前,針對(duì)上游壩面裂縫造成的壩體滲漏,通常做法是進(jìn)行灌漿補(bǔ)強(qiáng)。但是,無(wú)論采用普通水泥灌漿還是超細(xì)水泥灌漿,實(shí)際效果均不理想,甚至個(gè)別位置還會(huì)發(fā)生跑動(dòng),而封堵掉原有的排水系統(tǒng)；如果在灌漿補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程中的灌注壓力控制不當(dāng),還有可能形成新的裂縫。此外,對(duì)于北方寒冷地區(qū)的碾壓式混凝土重力壩,其上游壩面裂縫雖然會(huì)對(duì)壩體穩(wěn)定造成一定影響,但是一般不會(huì)導(dǎo)致壩體失穩(wěn),其主要危害在于下游壩面混凝土耐久性的降低。因此,對(duì)白石水庫(kù)大壩上游壩面的裂縫應(yīng)以防滲為主要處理目標(biāo)。

3 聚氨酯低壓注漿技術(shù)的選用與施工

3.1 傳統(tǒng)水泥灌漿的局限

傳統(tǒng)水泥灌漿屬于高壓瞬間灌漿,其灌漿壓力通常為6kg/cm2。這種高壓灌漿屬于典型的瞬間,對(duì)寬度較大的裂縫具有良好的灌注補(bǔ)漏作用,原因是縫隙間的間隙較大,可以在瞬間填充。但是,高壓瞬間灌漿過(guò)程中,漿液受壓力的影響并不會(huì)僅向排氣座方向滲透,并最終導(dǎo)致“氣阻”發(fā)生。因此,即使使用流動(dòng)性大的超細(xì)水泥漿,能起作用的縫隙寬度為0.15mm。因此,傳統(tǒng)灌漿技術(shù)在處理寬度較窄的混凝土內(nèi)部裂縫方面作用極其有限。

3.2 聚氨酯低壓注漿技術(shù)原理

聚氨酯灌漿材料是將多氰酸酯與多基聚醚進(jìn)行化學(xué)合成而獲得的一種高分子有機(jī)材料[6]。其水溶性漿液可以與水發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)生成物是不溶于水的彈性凝膠和大量的CO2氣體。其中,彈性凝膠會(huì)造成漿液的粘稠度增大,而CO2氣體的膨脹作用會(huì)推動(dòng)漿液沿縫隙向四周擴(kuò)散,使空隙充填密實(shí),從而達(dá)到防滲止水的目的[7]。

3.3 聚氨酯漿液優(yōu)點(diǎn)

(1)聚氨酯漿液的親水性與水利工程的潮濕環(huán)境極為適應(yīng),遇水即可發(fā)生反應(yīng),然后乳化、發(fā)泡并自行分散,產(chǎn)生良好的止水效果[8]。

(2)聚氨酯漿液和水反應(yīng)形成的凝膠體不僅具有良好的抗?jié)B性和延展性,耐低溫性能亦十分突出,對(duì)白石水庫(kù)庫(kù)區(qū)這種年平均氣溫低,氣溫年內(nèi)波動(dòng)變化的北方寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)相適應(yīng)。

(3)聚氨酯漿液和水反應(yīng)形成的凝膠體化學(xué)性能穩(wěn)定,無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)污染,對(duì)白石水庫(kù)這種承擔(dān)著城市供水功能的水工建筑物缺陷修復(fù)具有特殊意義。

(4)聚氨酯漿液與水反應(yīng)可產(chǎn)生大量的CO2氣體,在氣體膨脹的壓力下,漿液可被壓進(jìn)結(jié)構(gòu)空隙,這種“二次滲透”的特點(diǎn),可以使混凝土內(nèi)部裂縫被完全填充密實(shí)。特別適用于白石水庫(kù)大壩這種“金包銀”式碾壓混凝土重力壩上游壩面內(nèi)部缺陷造成的滲漏。

(5)由于常態(tài)混凝土防滲層的厚度一般在3～4m,這就決定了其內(nèi)部的貫穿性裂縫的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)此數(shù)。聚氨酯漿液包水量大、膨脹性好,相比普通水泥漿液更具有可灌性,在灌注施工中可以采用低壓持續(xù)灌漿的工法,從而最大限度保證修補(bǔ)質(zhì)量。

3.4 聚氨酯低壓灌漿工藝的施工要點(diǎn)

(1)確定大壩滲漏的入滲點(diǎn)位置。在灌漿施工開始前,工程管理和設(shè)計(jì)人員應(yīng)該結(jié)合平時(shí)檢查結(jié)果確定大壩滲漏的入滲點(diǎn)位置。如果壩面被水大片浸濕,無(wú)法準(zhǔn)確確定漏水點(diǎn)位置,則可先將壩面上的水跡擦拭干凈,然后均勻撒上干水泥,等三五分鐘之后,水泥粉被浸濕的部位就是滲漏點(diǎn)。

(2)滲漏部位的表面處理。首先利用鋼絲刷清理裂縫部位的塵土、淤泥和水垢,清理的寬度為縫隙兩側(cè)各5～10cm；表面清理干凈之后,利用錘子和鋼釬將裂縫周圍剝離、松動(dòng)的混凝土全部清除干凈,露出堅(jiān)實(shí)的混凝土表面,并用抹布擦拭干凈。如果混凝土表面有油污,可以用抹布蘸丙酮擦拭。

(3)打灌漿孔。根據(jù)裂縫的具體情況布置灌漿孔,孔徑14mm,間距200mm。

(4)清孔。用清水對(duì)灌漿孔進(jìn)行清洗,清除打孔時(shí)殘留在孔內(nèi)的粉塵。

(5)埋嘴封縫。在埋設(shè)好專用的灌漿孔之后,利用高強(qiáng)封縫涂料或快干水泥進(jìn)行表面封縫。

(6)試壓。在正式灌漿前要進(jìn)行壓水試驗(yàn),試驗(yàn)壓力掌握在0.5MPa左右為宜。

(7)灌漿。在灌漿開始前先利用壓縮空氣將縫隙內(nèi)殘存的水分吹干凈,使縫隙內(nèi)達(dá)到無(wú)水或干燥狀態(tài),提高灌漿效果；白石水庫(kù)的壩面裂縫均為垂直走向,在施工中應(yīng)采取自下而上的灌漿順序；灌漿施工的初始?jí)毫υO(shè)定為0.1MPa,然后逐步提高灌漿壓力至0.5MPa,當(dāng)灌漿孔見漿后即可關(guān)閉其孔,但是還應(yīng)持續(xù)壓漿至不能再進(jìn)漿后關(guān)閉閥門,然后保持壓力穩(wěn)定5～10min,灌漿即可結(jié)束。

(8)縫面整理。待漿液凝固后,首先切除灌漿嘴的外露部分,然后用1∶2水泥砂漿進(jìn)行封填,使表面恢復(fù)原狀。

(9)上游壩面的部分裂縫已經(jīng)深入水面以下。因此,盡量在氣溫適宜、水位較低的4、5月份進(jìn)行灌漿施工。如有必要,也可以實(shí)行水下施工。

4 結(jié)語(yǔ)

由于壩體結(jié)構(gòu)、氣候特征和施工工藝等諸多因素的影響,碾壓混凝土重力壩滲漏現(xiàn)象比較普遍,是此類大壩的主要共性缺陷。北方寒冷地區(qū)的碾壓混凝土重力壩上游壩面的裂縫不僅會(huì)造成嚴(yán)重的滲漏問(wèn)題,還會(huì)造成壩面混凝土凍融破壞,進(jìn)而影響壩體本身的安全性和耐久性。從工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,傳統(tǒng)水泥灌漿處理上述缺陷效果不佳,而充分利用聚氨酯灌漿工藝,在低水位期間在上游壩面采用低壓持續(xù)灌漿堵漏可以取得較好的封堵效果。

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