高分子聚合物355A3在龍羊峽水電站大壩廊道漏水問(wèn)題的應(yīng)用

張曉峰，蘇曉軍，孫玉軍，李貴信

(青海黃河水電開(kāi)發(fā)有限公司，青海西寧810001)

1 問(wèn)題的提出

龍羊峽水電站位于黃河干流上，是黃河上游龍～青段梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃中的龍頭電站，電站壩頂高程為2 610 m。電站總裝機(jī)容量為1 280(4×320)MW，電站以發(fā)電為主，在西北電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用，是西北地區(qū)大型骨干電站之一。該電站于1976年開(kāi)工，1987年～1989年機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電，1990年主壩完成2 610 m高程封拱。2000年通過(guò)安全驗(yàn)收。從1986年蓄水，電站至今已安全運(yùn)行20余年。龍羊峽水電站地處我國(guó)西部高寒地區(qū)，受當(dāng)時(shí)施工技術(shù)水平和條件所限，加之冬季施工等，部分部位混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂，加之凍融侵蝕，導(dǎo)致近些年大壩和廊道部位出現(xiàn)局部滲漏。滲漏會(huì)引發(fā)溶蝕、鋼筋銹蝕、地基凍脹等其他病害，加速壩體混凝土老化，縮短大壩的壽命，滲漏加劇甚至?xí)＜皦误w的穩(wěn)定與安全[1]。

對(duì)于混凝土大壩滲漏問(wèn)題，灌漿是常見(jiàn)的防滲加固處理方式之一。針對(duì)滲漏特征(流量、滲透壓力等)，選擇不同的灌漿材料、工藝是防滲灌漿施工核心問(wèn)題。本文針對(duì)龍羊峽水電站大壩廊道滲漏處理問(wèn)題，以2 585 m高程和2 600 m高程廊道內(nèi)上游側(cè)滲水壩段處理為對(duì)象，探討了注漿材料355A3的特點(diǎn)及其防滲處理施工工藝，并與初期選擇的灌漿材料聚氨酯進(jìn)行了對(duì)比。

2 廊道滲漏問(wèn)題及滲漏原因分析

2.1 滲漏現(xiàn)象

2019年，在對(duì)龍羊峽水電站大壩安全檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，龍羊峽水電站大壩下游壩面存在一定程度滲水，其中4號(hào)壩段2 595 m高程附近出現(xiàn)滲水現(xiàn)象(見(jiàn)圖1a)，6號(hào)壩段2 592 m高程、7號(hào)和8號(hào)壩段2 592 m高程到2 594 m高程等附近出現(xiàn)潮濕現(xiàn)象(見(jiàn)圖1b、圖1c)。

圖1 下游壩面滲水情況

龍羊峽水電站大壩滲漏主要出現(xiàn)在2 585 m高程和2 600 m高程廊道附近。對(duì)9號(hào)、15號(hào)壩段2 585 m高程廊道處進(jìn)行鉆孔灌漿，當(dāng)鉆孔達(dá)到9.1 m深時(shí)，孔口出現(xiàn)涌水，水柱噴高60 cm，孔口封閉測(cè)量水壓1 kg，表面與壩前水位同高。孔底與閘門(mén)槽水平距離是2.5 m。用傳統(tǒng)聚氨酯化學(xué)灌漿堵漏處理，每個(gè)孔堵漏4 d左右，滲漏量仍未減少，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。

2.2 原因分析

2012年黃河上游來(lái)水是個(gè)特豐年，全年來(lái)水較多年平均值偏多33.3%，之后黃河上游持續(xù)5年來(lái)水為偏枯年份。2018年，來(lái)水再次出現(xiàn)一個(gè)特豐年，較多年均值偏多44%，洪峰接近10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)3 660 m3/s。

水庫(kù)蓄水后，上游水位升高與廊道有一定的水頭差。在水力作用下，水沿著滲漏通道流向廊道四周[2]，裂縫是水工結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷[3]，混凝土結(jié)構(gòu)大面積架空或呈蜂窩狀，使得壩體上、下游有庫(kù)水聯(lián)通的可能性。

3 常規(guī)聚氨酯灌漿處理工藝及效果

3.1 灌漿材料選擇

一般化學(xué)灌漿材料選擇要求漿材具有流動(dòng)性好、可灌性高、黏度小、有微膨脹性，能夠充填飽滿(mǎn)且快速凝固，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的，不會(huì)被水沖蝕流失[4-5]的特點(diǎn)，與混凝土裂縫有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度、不易脫開(kāi)、抗拉、抗壓強(qiáng)度高，無(wú)危害性、不易燃易爆，對(duì)環(huán)境無(wú)污染[6]。

最初在26號(hào)和19號(hào)壩段2 600 m高程廊道處、15號(hào)和9號(hào)壩段2 585 m高程廊道處、31號(hào)壩段2 497 m高程騎縫廊道處等部位采用傳統(tǒng)化學(xué)聚氨酯灌漿堵漏。

3.2 灌漿施工工藝

3.2.1造孔

(1)化學(xué)灌漿鉆孔。對(duì)于只穿過(guò)一條縫隙的鉆孔，不分段；對(duì)穿過(guò)多條縫隙的鉆孔，在縫隙處分段，分段穿過(guò)縫面，按照從上至下的順序依次處理各條縫隙。

(2)灌漿孔鉆孔采用XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)。為保證鉆孔質(zhì)量，在開(kāi)孔前，羅盤(pán)校正角度，使用鉛直的鉆桿，并使用配套的鉆桿接頭，鉆機(jī)均采用地錨固定。

(3)所有鉆孔孔位、孔深、孔斜和分段長(zhǎng)度等應(yīng)按施工圖紙和技術(shù)要求規(guī)定執(zhí)行。鉆孔方位、傾角，應(yīng)按設(shè)計(jì)圖進(jìn)行施工，所有鉆孔應(yīng)統(tǒng)一編號(hào)和分次序施工。鉆孔開(kāi)孔位置與設(shè)計(jì)孔位偏差一般不大于5 cm。

3.2.2洗孔

(1)沖洗采用導(dǎo)管通入水流進(jìn)行孔壁沖洗或串孔沖洗，孔壁沖洗從孔底向孔外沖洗的方法進(jìn)行鉆孔沖洗，串孔沖洗由一孔進(jìn)水相鄰其他各孔出水的方法進(jìn)行層面沖洗。

(2)沖洗壓力采用80%的灌漿壓力，最大壓力不超過(guò)0.4 MPa，沖至回水澄清后10 min結(jié)束，且滿(mǎn)足總時(shí)間要求，即單孔不少于10 min，串通孔不少于30 min。

3.2.3壓水試驗(yàn)

(1)對(duì)于澆筑層面(或裂縫)出現(xiàn)滲水情況的灌漿孔要求進(jìn)行相鄰孔串通性壓水檢查，以保證鉆孔穿過(guò)縫面，壓水過(guò)程中注意觀察壩后縫面滲漏情況。

(2)縫面串通性壓水檢查，壓水壓力為0.25～0.35 MPa，相鄰孔出水即表明與縫面串通；串通性較差的灌漿孔壓水檢查，壓水壓力為0.3～0.5 MPa，壓水時(shí)間為20 min，每5 min測(cè)讀一次壓水流量，取最后的流量值作為計(jì)算流量，其成果以透水率表示。

3.2.4灌漿

(1)化學(xué)灌漿按二次序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。

(2)對(duì)灌注廊道內(nèi)下打的灌漿孔深度為3.5～12.9 m，采用孔口封閉，自上而下分段鉆孔做壓水試驗(yàn)。若該段不滲水，則不必灌漿直接進(jìn)入下一段鉆孔；若滲水量較小Q<5 L/min，則直接進(jìn)行聚氨酯灌漿；若滲水量仍較大，則應(yīng)按要求先灌注水泥凈漿。

(3)每孔(段)灌漿結(jié)束后均待凝72 h，方可拆除閥門(mén)或進(jìn)行下一段的鉆灌。

(4)灌漿壓力按0.3 MPa。

(5)灌漿控制標(biāo)準(zhǔn)。漿液初凝時(shí)間采用8～10 h。在設(shè)計(jì)壓力條件下，注入量q≤0.005 L/min持續(xù)30 min或者累計(jì)注入量達(dá)到80 L/m時(shí)，灌漿即可結(jié)束。當(dāng)注入量q≤0.05 L/min時(shí)，應(yīng)盡快提高到設(shè)計(jì)最大壓力灌注，直至結(jié)束。

3.2.5封孔

灌漿結(jié)束待凝時(shí)間達(dá)到要求后，將孔口預(yù)埋管和留置漿液鏟除，人工二次采用干硬性砂漿封孔搗實(shí)，砂漿比例為水泥∶砂∶水=1∶1∶0.5。

3.2.6灌漿后質(zhì)量檢查

水泥灌漿結(jié)束3 d后，對(duì)原漏水量較大的孔(段)進(jìn)行掃孔或在其附近布置檢查孔，數(shù)量按灌漿孔數(shù)的5%布置，壓水試驗(yàn)ω≤1 Lu時(shí)，即認(rèn)為該段灌漿合格。壩后水平縫、廊道周壁或混凝土無(wú)砂排水管無(wú)集中滲漏水現(xiàn)象，混凝土表面滲水或潮濕屬正常情況。

3.2.7廢棄物處理

灌漿施工所產(chǎn)生的廢水、廢漿經(jīng)過(guò)沉淀后，排至集水井內(nèi)。廢漿沉淀物和施工所產(chǎn)生的廢渣及時(shí)派專(zhuān)職人員清理裝袋，及時(shí)運(yùn)走。

3.3 灌漿效果

采用傳統(tǒng)化學(xué)聚氨酯灌漿堵漏，滲漏點(diǎn)的滲漏量仍未減少，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。

4 355A3灌漿處理工藝及效果

4.1 高分子聚合物355A3特性

高分子化學(xué)堵水材料355A3是一種低黏度，雙組分合成高分子材料，采用高壓灌注進(jìn)行堵水時(shí)，樹(shù)脂和催化劑混合在一起反應(yīng)生成多元網(wǎng)狀彈性體。聚合物材料遇水反應(yīng)即發(fā)生膨脹，膨脹系數(shù)為7～20。即使被充填的裂縫水流處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，材料也會(huì)牢牢固結(jié)所填充部分，且不影響其性能。材料凝固后具有持久耐酸、堿腐蝕和抵抗微生物破壞的性能，以達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間堵水目的。材料反應(yīng)迅速，具有較大的強(qiáng)度和硬度，有水或無(wú)水情況下均可反應(yīng)并凝固，環(huán)境中有水時(shí)，其可與水反應(yīng)并形成堅(jiān)硬泡沫，無(wú)水情況下，產(chǎn)品反應(yīng)形成堅(jiān)硬的晶體狀材料。其操作工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)開(kāi)始時(shí)間(60±15)s，反應(yīng)時(shí)間(80±15)s即可達(dá)到堵水效果，而且該材料的粘結(jié)強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度較高，不會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。

高分子化學(xué)堵水材料355A3由樹(shù)脂和催化劑組成，其混合體積比為1∶1，樹(shù)脂和催化劑的性能參數(shù)如表1所示。355A3材料的基本性能參數(shù)為最高反應(yīng)溫度≤140 ℃，膨脹倍數(shù)>1，抗壓強(qiáng)度≥50 MPa，抗拉強(qiáng)度≥20 MPa，抗剪強(qiáng)度≥20 MPa，干粘結(jié)強(qiáng)度≥4.5 MPa，濕粘結(jié)強(qiáng)度≥2.5 MPa，滲透系數(shù)≤1×10-6cm/s。355A3材料具有較好的抗老化性和抗凍融性且對(duì)水質(zhì)無(wú)影響。

表1 355A3材料的性能參數(shù)

4.2 355A3堵漏防滲技術(shù)

4.2.1注漿布孔方案

對(duì)15號(hào)和9號(hào)壩段2 585 m高程廊道處進(jìn)行355A3注漿，注漿孔使用已經(jīng)打好并出現(xiàn)涌水的鉆孔進(jìn)行注漿。注漿孔孔徑為56 mm，15號(hào)壩段孔深121.9 m，9號(hào)壩段孔深87.6 m。用鉆具打孔，根據(jù)注漿孔參數(shù)保證注漿孔的深度及角度。注漿管路里面接1 m注射花管和2 m注射管，后面接1個(gè)封孔器，然后接簡(jiǎn)易混合槍?zhuān)詈蠼?根長(zhǎng)6 m的雙液注漿管，如圖2所示。

圖2 注漿管連接示意

4.2.2施工工藝

根據(jù)施工方案下雙液注漿管路，當(dāng)注漿管路下好后，啟動(dòng)注漿泵，當(dāng)封孔器打開(kāi)后，注漿孔內(nèi)的水立即被封住，孔口沒(méi)有涌水。封孔器打開(kāi)后，正式往里注漿，當(dāng)注漿量達(dá)到預(yù)計(jì)注漿量時(shí)，繼續(xù)注漿3～5 min停止該孔注漿。

注漿設(shè)備采用ZQBS-8.4/12.5型氣動(dòng)注漿泵。氣動(dòng)注漿泵由氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)下方3個(gè)活塞，工作時(shí)吸料管分別插到2種液體料桶中，活塞泵通過(guò)吸排料管抽運(yùn)雙組份材料的2種液體介質(zhì)。2種液體分別通過(guò)高壓軟管壓送到雙液注射混合槍里混合，混合物通過(guò)注射管送到目的位置。雙液化學(xué)注漿泵注漿時(shí)將行程與回程的注漿量設(shè)計(jì)為相等，以便注漿時(shí)流量均勻，注漿缸在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中負(fù)荷相等，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，沖擊振動(dòng)小。

采用環(huán)向自沖式封孔器進(jìn)行鉆孔內(nèi)注漿封孔。封孔器由阻尼片阻止?jié){液通過(guò)封孔器，因此漿液被壓入封孔器橡皮圈直到封孔器被固定在鉆孔壁上，產(chǎn)生環(huán)徑向束縛力，造成壓力迅速上升，阻尼片破裂，漿液進(jìn)入鉆孔內(nèi)，橡皮片(其功能類(lèi)似于單向閥)，阻止封孔器松脫。

355A3材料由樹(shù)脂和催化劑組成。兩組分均為成品，打開(kāi)包裝后即可使用。使用專(zhuān)用的雙液注漿泵按1∶1的體積比注入。使用前在 15 ℃以上的條件下儲(chǔ)存組分，在注漿時(shí)首先要連接混合管，以使2種組分在注漿過(guò)程中達(dá)到最佳混合效果。設(shè)備清洗在暫停使用時(shí)，通過(guò)泵將樹(shù)脂注入混合管及注漿管進(jìn)行清洗。

4.2.3灌漿效果評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)注漿工藝一般是灌注水泥漿液，但是灌注水泥漿液的工藝較復(fù)雜，水泥漿液的凝固時(shí)間較長(zhǎng)，水泥漿液易隨水流出現(xiàn)大量流失的現(xiàn)象，造成材料浪費(fèi)，在涌水量較大的情況下堵水效果差，當(dāng)水泥漿液凝固后，會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，可能會(huì)再次出現(xiàn)出水的情況。

高分子化學(xué)材料355A3注漿在水壩堵水領(lǐng)域?yàn)橐恍滦妥{技術(shù)，從注漿后現(xiàn)場(chǎng)滲漏量測(cè)定可知，實(shí)際防滲效果好。使用該項(xiàng)技術(shù)注漿簡(jiǎn)化了注漿工藝、每個(gè)孔注漿時(shí)間由原來(lái)24～48 h縮短到8 min，只需2人8 min完成，大大提高了堵水效果、減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié)論與展望

本文結(jié)合龍羊峽水電站大壩廊道滲漏封堵問(wèn)題，對(duì)滲漏原因進(jìn)行了分析，嘗試了傳統(tǒng)聚氨酯化學(xué)灌漿和高分子化學(xué)堵水材料355A3注漿，從現(xiàn)場(chǎng)施工效果來(lái)看，新型高分子化學(xué)堵水材料355A3注漿效果好且注漿工藝簡(jiǎn)單，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。