CW系化學(xué)灌漿材料與技術(shù)及其在水庫大壩除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用

汪在芹，廖靈敏，李 珍，魏 濤

(1.長江科學(xué)院, 武漢 430010；2. 國家大壩安全工程技術(shù)研究中心, 武漢 430010；3.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心, 武漢 430010)

1 研究背景

我國超過百米的大壩有200余座，居世界首位。水庫大壩安全事關(guān)國計(jì)民生。大壩滲漏安全在水庫大壩整體安全中占重要地位，大壩滲漏治理是水庫大壩除險(xiǎn)加固中一項(xiàng)非常重要的工作。尤其對于混凝土壩來說，其滲漏問題一直是水工建筑物不可忽視的安全隱患，根據(jù)滲漏起因的部位來分，主要包括以下兩大類：

一是壩基滲漏問題。水利工程地基與基礎(chǔ)斷層破碎帶和泥化夾層等不良地質(zhì)體，對大壩壩基的抗滑穩(wěn)定和長期滲透穩(wěn)定提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，常常采用灌漿的方式加以處理，包括普通水泥灌漿、超細(xì)水泥(濕磨細(xì)水泥)灌漿以及化學(xué)灌漿，其區(qū)別在于所采用的材料不同，相應(yīng)的灌漿工藝也有差異。對于透水率較大或滲透性較好的巖體，采用普通水泥或超細(xì)水泥灌漿處理即可解決。但是對于泥化夾層、破碎帶、層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、蝕變巖等低滲透性復(fù)雜巖體或?qū)B透性要求高的防滲帷幕則需要采用化學(xué)灌漿材料這一類真溶液進(jìn)行灌注，或者結(jié)合水泥對大缺陷進(jìn)行封堵再采用化學(xué)灌漿材料進(jìn)行灌漿處理即水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿技術(shù)。針對這些壩基低滲性不良地質(zhì)體的多樣性和復(fù)雜性，要實(shí)現(xiàn)有效防滲補(bǔ)強(qiáng)處理仍面臨一些技術(shù)瓶頸：例如，有水、動(dòng)水乃至高水頭條件下傳統(tǒng)化學(xué)灌漿材料固化性能有待提升，對低滲性不良地質(zhì)體浸潤滲透能力不足；高水頭作用下化學(xué)灌漿擴(kuò)散行為更加復(fù)雜，其擴(kuò)散范圍和效果缺乏精細(xì)控制技術(shù)等。國內(nèi)早期僅有丹江口大壩在水頭達(dá)100余米灌漿的成功案例，其壩基防滲帷幕局部區(qū)域存在透水率超標(biāo)情況，帷幕補(bǔ)強(qiáng)主要采用了水泥和丙烯酸鹽化學(xué)漿材復(fù)合灌漿的處理方法[1]，但針對200 m以上高水頭下復(fù)雜巖體的水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿研究較為罕見。

二是壩體滲漏問題。混凝土受內(nèi)外溫度變化、載荷等多方面因素的作用，易于產(chǎn)生裂縫，形成滲漏隱患。內(nèi)部裂縫的存在會(huì)降低混凝土工程的強(qiáng)度和完整性，同時(shí)也可以導(dǎo)致鋼筋的誘蝕從而縮短混凝土工程的使用壽命，必須進(jìn)行灌漿處理，化學(xué)灌漿是處理混凝土內(nèi)部裂縫尤其是深層微細(xì)裂隙的有效技術(shù)手段。目前僅靠現(xiàn)有補(bǔ)強(qiáng)或防滲堵漏化學(xué)漿材中的單一材料難以完全滿足大壩混凝土深層裂縫滲漏的快速修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，特別針對應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)的修復(fù)需求，材料的改進(jìn)革新勢在必行。而且，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，加之水利水電工程對環(huán)境影響的特殊性，對在工程中使用材料的環(huán)境安全性要求越來越高，化學(xué)漿材環(huán)保性有待進(jìn)一步提升[2]。

針對上述技術(shù)難題，長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院緊密圍繞國家重大水利水電工程建設(shè)需求，多年來通過在材料、設(shè)備和工藝方面開展一系列科技創(chuàng)新與突破，研發(fā)了CW系列新型高性能化學(xué)灌漿材料，開發(fā)了配套灌漿設(shè)備系統(tǒng)和灌漿精細(xì)控制工藝，形成了水庫大壩除險(xiǎn)加固化學(xué)灌漿成套新技術(shù)，建立了國內(nèi)化學(xué)灌漿材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋水泥、環(huán)氧樹脂、丙烯酸鹽、水玻璃等多種材料體系，并在向家壩、溪洛渡、南水北調(diào)中線丹江口大壩、埃塞俄比亞FAN、厄瓜多爾CCS等國內(nèi)外100余個(gè)重點(diǎn)工程中成功應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了CW系列化學(xué)灌漿材料、配套灌漿設(shè)備和控制工藝的研發(fā)以及成套技術(shù)在水庫大壩除險(xiǎn)加固領(lǐng)域的典型應(yīng)用情況。

2 CW系列化學(xué)灌漿材料研發(fā)

2.1 CW510系高強(qiáng)高浸潤滲透性水下環(huán)氧樹脂灌漿材料

環(huán)氧樹脂是水工建筑物修補(bǔ)、加固中使用最多的化學(xué)灌漿材料，具有黏接力高、常溫固化、固化后收縮小、強(qiáng)度高、耐熱性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。針對大壩復(fù)雜不良地質(zhì)體水頭高、破壞梯度大、滲透系數(shù)低、微細(xì)裂縫密集、水泥漿液難以灌入等技術(shù)難點(diǎn)，用于其防滲補(bǔ)強(qiáng)加固灌漿的環(huán)氧樹脂不僅需符合《地基與基礎(chǔ)處理用環(huán)氧樹脂灌漿材料》(JC/T 2379—2016)的技術(shù)要求，其材料設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足以下原則：①漿液需具有良好可灌性、浸潤能力和滲透性；②固化物具有較高力學(xué)強(qiáng)度，可抵抗水壓等荷載作用；③固化物具有較高粘結(jié)性能，能抵抗高水頭下擠出破壞作用；④材料環(huán)保性能優(yōu)良。

針對混凝土深層微細(xì)裂縫的防滲補(bǔ)強(qiáng)需求，以環(huán)氧樹脂作為裂縫灌漿材料，不僅需符合《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》(JC/T 1041—2007)中的各項(xiàng)技術(shù)要求，其材料設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足良好可灌性、高固結(jié)強(qiáng)度以及在潮濕和有水條件下具有較好物理力學(xué)性能等原則[3]。通過對比JC/T 1041—2007和JC/T 2379—2016可以看出，對環(huán)氧樹脂裂縫灌漿材料初始黏度和可操作性時(shí)間的技術(shù)要求相對要寬松一些，初始黏度<200 mPa·s，可操作性時(shí)間>30 min即可。但根據(jù)混凝土缺陷性狀不同，建議仍需選擇不同黏度的環(huán)氧樹脂灌漿材料。例如，0.2 mm以下的裂縫宜選用低黏度(<30 mPa·s)的環(huán)氧樹脂灌漿材料，0.2 mm以上的裂縫宜選用中等黏度(<200 mPa·s)的環(huán)氧樹脂灌漿材料，以保證漿液能夠灌滿裂縫。

基于此，長江科學(xué)院通過分子結(jié)構(gòu)調(diào)控手段和互穿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在環(huán)氧樹脂主鏈上引入憎水性長脂肪鏈，構(gòu)建聚氨酯與環(huán)氧樹脂的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并優(yōu)選表面活性劑和偶聯(lián)劑對環(huán)氧樹脂漿液進(jìn)行改性，設(shè)計(jì)了更為環(huán)保的活性稀釋劑及固化劑體系取代有毒的糠醛-丙酮體系，由此研發(fā)出高強(qiáng)、高浸潤滲透、高粘結(jié)、可操作時(shí)間大范圍精確可調(diào)和環(huán)保性能優(yōu)良的CW510系水下環(huán)氧樹脂灌漿材料[4-5]。該材料的主要性能參數(shù)見表1，初始黏度低，在6～20 mPa·s范圍內(nèi)可調(diào)，可灌性良好；可操作時(shí)間長，在2～106 h范圍內(nèi)精確可控；表面張力為35 mN/m(1 h)，與巖體接觸角低至0°，滲透性強(qiáng)，可用于潮濕、高水頭等灌漿工況；抗壓強(qiáng)度為60～80 MPa，濕粘結(jié)強(qiáng)度>3 MPa，與被灌體牢固結(jié)合且固化強(qiáng)度高，攻克了低滲性不良地質(zhì)體和深層混凝土微細(xì)裂縫難以有效浸潤滲透、有水環(huán)境下難以有效固結(jié)的技術(shù)難題。經(jīng)中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司檢測，材料有害物質(zhì)含量符合《建筑防水涂料中有害物質(zhì)限量》(JC/T 1066—2008)規(guī)定的各項(xiàng)有害物質(zhì)限量指標(biāo)。經(jīng)中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院檢測，材料在急性經(jīng)口毒性試驗(yàn)中的大鼠半數(shù)致死量LD50>5 000 mg/kg，實(shí)際無毒。

表1 CW510系水下環(huán)氧樹脂灌漿材料主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of CW510 series underwater epoxy resin grouting materials

2.2 CW520系綠色丙烯酸鹽灌漿材料

丙烯酸鹽灌漿材料主要適用于壩基巖石裂隙的堵水防滲。我國于20世紀(jì)70年代開始開展丙烯酸鹽灌漿材料的研究，長江科學(xué)院、中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所、中國水利水電科學(xué)研究院等單位都陸續(xù)進(jìn)行了相應(yīng)的室內(nèi)或現(xiàn)場試驗(yàn)工作。20世紀(jì)90年代，長江科學(xué)院研發(fā)出丙烯酸鈣和丙烯酸鎂混合鹽灌漿材料作為丙凝灌漿材料的無毒替代品，并在三峽工程、萬安水電站壩基防滲處理中成功應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上通過持續(xù)改進(jìn)，又合成了新型環(huán)保交聯(lián)劑代替N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，由此研發(fā)了新一代的CW系綠色丙烯酸鹽灌漿材料[6]，該材料主要性能參數(shù)見表2，其具有黏度低、可灌入細(xì)微裂隙、遇水膨脹、凝膠時(shí)間可控、抗擠出破壞比降高等特點(diǎn)，且材料實(shí)際無毒，符合環(huán)保要求。

表2 CW520系綠色丙烯酸鹽灌漿材料主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of CW520 green acrylate grouting materials

2.3 CW530系膨脹可調(diào)聚氨酯灌漿材料

針對混凝土及巖體裂隙大流量堵水、小流量滲流止水密封及加固處理，長江科學(xué)院近年來通過親水性、親油性聚醚多元醇與異氰酸酯反應(yīng)，研發(fā)了CW530系膨脹可調(diào)聚氨酯灌漿材料，其主要性能參數(shù)見表3，具有遇水交聯(lián)迅速、滲透性強(qiáng)、凝膠體防腐性能好、與混凝土基體粘接強(qiáng)度高、不易燃，環(huán)保無毒等特點(diǎn)，尤其是固化后形成的凝膠體遇水后吸水，具有再膨脹效果，從而保證變形縫漏水情況下，體現(xiàn)出“膨脹自愈合”功能。將CW530系聚氨酯灌漿材料灌入混凝土滲水裂縫中，同時(shí)產(chǎn)生彈性止水和膨脹止水雙重作用。通過材料膨脹率的調(diào)控，可獲得抗?jié)B能力和壓縮強(qiáng)度較高的緊密固結(jié)體，從而起到良好的堵水和加固等作用。

表3 CW530系膨脹可調(diào)聚氨酯灌漿材料主要性能參數(shù)Table 3 Main performance parameters of CW530 series expansive adjustable polyurethane grouting materials

3 灌漿過程精細(xì)控制工藝與裝備研究

3.1 配套灌漿設(shè)備系統(tǒng)

隨著防滲補(bǔ)強(qiáng)加固化學(xué)灌漿材料的開發(fā)、應(yīng)用和推廣，作為化學(xué)灌漿的關(guān)鍵設(shè)備-化學(xué)灌漿泵也亟待提升，主要針對其密封性、泵體結(jié)構(gòu)、控制方式、智能化模塊化導(dǎo)等方面開展研究及改進(jìn)。需要新的技術(shù)支撐：①壓力穩(wěn)定精控流量；②必須滿足灌漿施工中的最大灌漿壓力要求；③灌漿裝備智能化，模塊化要求高，必須性能穩(wěn)定；④要求設(shè)備靈活，適應(yīng)不同工況，施工迅速、效果明顯、操作簡單；⑤接觸化灌漿材部件拆裝清洗方便。

其中，化學(xué)灌漿設(shè)備的自動(dòng)化、智能化引起工程界的重點(diǎn)關(guān)注。為了更有效地發(fā)揮漿材作用、提高灌漿效率，長江科學(xué)院在自主研發(fā)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)化學(xué)灌漿泵基礎(chǔ)上[2]，持續(xù)更新升級，開發(fā)出壓力、時(shí)間、流量三參數(shù)控制的CW系列高低壓智能化學(xué)灌漿泵，具有自動(dòng)精確計(jì)量、動(dòng)態(tài)流量控制、壓力穩(wěn)定可調(diào)特點(diǎn)，低壓低至0.5 MPa，高壓可達(dá)12.0 MPa。同時(shí)，還研發(fā)了用于化學(xué)漿材快速、均勻混合的靜態(tài)真空混合器，高壓(最高達(dá)7 MPa)灌漿深孔阻塞器、集材料與設(shè)備于一體的化學(xué)灌漿一體化應(yīng)急車等設(shè)備，構(gòu)成了一套可實(shí)現(xiàn)除險(xiǎn)加固灌漿過程自動(dòng)化智能控制和快速響應(yīng)的復(fù)合灌漿設(shè)備系統(tǒng)，提升了灌漿質(zhì)量控制的自動(dòng)化精細(xì)程度。

3.2 壩基不良地質(zhì)體水泥化學(xué)復(fù)合灌漿精細(xì)控制技術(shù)

對于細(xì)微裂隙發(fā)育、可灌性較差的壩基復(fù)雜不良地質(zhì)體，當(dāng)普通水泥、濕磨細(xì)水泥乃至超細(xì)水泥灌漿法處理難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿法成為一種良好的選擇。長江科學(xué)院在三峽工程中就開始有意識地設(shè)計(jì)使用水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿工藝，當(dāng)時(shí)主要針對船閘F215和F1096等斷層破碎帶進(jìn)行處理，以提高船閘基礎(chǔ)整體性與力學(xué)強(qiáng)度，并改善其滲透穩(wěn)定性[7]。目前該方法已是水庫大壩基礎(chǔ)斷層破碎帶、軟弱和泥化夾層等不良地質(zhì)體防滲補(bǔ)強(qiáng)加固的主要處理方法。先采用水泥灌漿封堵大裂隙通道，為化學(xué)灌漿提供一個(gè)相對封閉、完整的受灌區(qū)域，然后利用化學(xué)漿液良好的滲透性和浸潤性，對微細(xì)裂隙和軟弱巖體進(jìn)行滲透固結(jié)，使地層形成一個(gè)密實(shí)、完整的受力體，從而達(dá)到加固和防滲的效果[8]。

根據(jù)復(fù)雜不良地質(zhì)體的性狀特點(diǎn)，水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿可采用異孔復(fù)合方式，如大崗山水電站壩基輝綠巖高壓水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿試驗(yàn)，首先通過普通高壓水泥灌漿形成良好的封閉區(qū)域，然后在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行異孔高壓化學(xué)灌漿，實(shí)現(xiàn)對輝綠巖微細(xì)裂隙的化學(xué)灌漿加固。而對于低透水性軟弱夾層和破碎帶的處理，大量采用了同孔水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿技術(shù)，所用水泥漿材為濕磨細(xì)水泥漿，如三峽工程F215斷層破碎帶水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿試驗(yàn)和后續(xù)F1096、F1050斷層處理施工采用了濕磨細(xì)水泥“小孔徑灌漿，孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)，自上而下分段灌漿”技術(shù)進(jìn)行同孔復(fù)合灌漿。

近10年來，隨著我國水電開發(fā)建設(shè)逐步向西部地區(qū)深入，在建或已建的高壩大庫多處于高山峽谷，地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，遭遇了層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、擠壓和撓曲核部破碎帶等不良地質(zhì)體，嚴(yán)重影響了巖體穩(wěn)定性，尤其在高水頭長期作用下，存在較大滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)，使不良地質(zhì)體物理力學(xué)性能進(jìn)一步劣化，威脅大壩工程穩(wěn)定性和安全運(yùn)行。這些復(fù)雜巖體的處理一般在建設(shè)期無水頭或低水頭條件下實(shí)施，但由于工期緊等原因，部分不良地質(zhì)體防滲補(bǔ)強(qiáng)往往會(huì)在蓄水后進(jìn)行(靜水頭甚至達(dá)到200 m以上)。此前國內(nèi)僅有丹江口大壩在水頭達(dá)100余米灌漿的成功案例[9]，針對高水頭下(200 m以上)復(fù)雜巖體的水泥化學(xué)復(fù)合灌漿未見報(bào)道。被灌巖體處在高水壓力作用下，受巖體性狀和動(dòng)水壓力等多重因素的耦合影響，施工難度隨水頭高度增加而增大，需針對被灌體性狀、水頭壓力、動(dòng)水情況及漿液特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，以確定高效適用的灌漿控制工藝和關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)。

長江科學(xué)院緊密結(jié)合向家壩水電站、溪洛渡水電站以及廣東多個(gè)抽水蓄能電站高水頭下壩基不良地質(zhì)體的防滲補(bǔ)強(qiáng)加固需求，開展了大量的室內(nèi)模型模擬試驗(yàn)以及現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)，開發(fā)出適用于不同不良地質(zhì)體性狀和工況的配套灌漿精細(xì)控制工藝，實(shí)現(xiàn)了灌漿處理過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，形成了200 m以上水頭作用下復(fù)雜深部巖體防滲補(bǔ)強(qiáng)加固的系統(tǒng)解決方案。例如，針對向家壩壩基帷幕低滲性擠壓破碎帶和撓曲核部破碎帶巖體特性，建立了“同孔復(fù)合、自上而下分段灌注、低壓慢灌，緩慢逐級升壓”的壓力、注入率、灌漿時(shí)間三參數(shù)動(dòng)態(tài)控制方法，形成了高水頭下砂巖破碎帶防滲補(bǔ)強(qiáng)工藝[10]。針對溪洛渡高水頭下壩基帷幕玄武巖層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶裂隙嵌合緊密、高水頭下抗?jié)B能力差的特性，開展了室內(nèi)可灌性試驗(yàn)，并通過不同水頭和灌漿壓力下漿液擴(kuò)散分布的數(shù)值模擬，對不同工況進(jìn)行了補(bǔ)充和驗(yàn)證，建立了“深孔同孔復(fù)合、逐級快速升壓”的漿液黏度、固化時(shí)間、壓力、灌漿量等多參數(shù)動(dòng)態(tài)控制方法，形成了高水頭下層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶防滲補(bǔ)強(qiáng)工藝[11-13]。針對廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站高壓水工隧洞花崗巖蝕變帶遇水崩解、應(yīng)力變形大等特點(diǎn)和水道系統(tǒng)特殊性，提出了“異孔復(fù)合、環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密、低處往高處灌注、環(huán)內(nèi)從底孔至孔頂灌注”的灌漿方式，建立了全孔一次性高壓化學(xué)灌漿控制方法[14]，實(shí)現(xiàn)了高水頭下花崗巖蝕變帶精細(xì)化防滲補(bǔ)強(qiáng)。

3.3 全封閉分序灌漿封堵大壩橫縫滲漏處理技術(shù)

混凝土壩體裂縫修復(fù)的化學(xué)灌漿方法適用于深層裂縫和貫穿裂縫的修補(bǔ)加固。對于穩(wěn)定裂縫的灌漿可選用水泥漿材、環(huán)氧漿材、高強(qiáng)水溶性聚氨酯漿材等；活動(dòng)縫的灌漿可選用彈性聚氨酯漿材等，裂縫滲漏灌漿的施工工藝一般可參考《水工建筑物化學(xué)灌漿施工規(guī)范》(DL/T 5406—2010)。

2017年，針對丹江口老壩溢流壩段邊墩13#/14#壩段和24#/25#壩段橫縫滲漏處理難題，長江科學(xué)院開展了大壩橫縫滲漏處理新技術(shù)的研究。其橫縫滲漏通道復(fù)雜隱蔽，難以準(zhǔn)確定位，且漏量大，漏水的兩條橫縫上下游止水片均在局部高程存在止水缺陷，而且止水缺陷的形式可能是止水銅片破損，也可能是止水銅片周邊混凝土澆筑不密實(shí)?？紤]到汛期在丹江口大壩上進(jìn)行大面積的施工不合相關(guān)防汛要求，同時(shí)高溫季節(jié)也不適宜大壩橫縫面的灌漿處理，鑒于此，按照“前堵后排”的原則，汛期橫縫漏水處理主要包括瀝青井封堵、騎橫縫鉆孔排水至高程131.0 m廊道、下游壩坡排水減壓及滲壓監(jiān)測等。長江科學(xué)院在對比分析國內(nèi)外類似重力壩橫縫止水漏水處理先例的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)與現(xiàn)場試驗(yàn)分析論證，提出了新的滲漏應(yīng)急處置方案，形成了大壩橫縫漏水綜合處理的成套新技術(shù)，取得了長效持久的止水效果[15]。具體如下：

(1)創(chuàng)新開發(fā)了大壩橫縫瀝青井滲漏快速封堵“環(huán)氧樹脂封底-水溶性聚氨酯充填-油溶性聚氨酯擠密”三序灌漿新工藝。瀝青井封堵灌漿分三序進(jìn)行，如圖1所示。其中，第一序?yàn)榉獾坠酀{，采用自主研發(fā)的CW510系環(huán)氧樹脂；第二序?yàn)闊o壓填充灌漿；第三序?yàn)橛袎簲D密灌漿，采用自主研發(fā)的CW530系聚氨酯。

圖1 瀝青井“封底-充填-擠密”三序灌漿新工藝Fig.1 A three-sequence grouting technology of“bottom sealing-filling-compaction” in asphalt well

(2)創(chuàng)建了橫縫騎縫孔“止?jié){塞+阻滲塞”、兩側(cè)混凝土防滲和瀝青井封堵的全封閉永久止水新體系。如圖2所示，每條橫縫設(shè)置1個(gè)止?jié){塞和3個(gè)阻滲塞。距離第一道止水上游35 cm和70 cm分別騎縫布置一個(gè)阻滲塞和一個(gè)止?jié){塞；利用兩道止水與瀝青井之間的2個(gè)168 mm的騎縫孔形成兩個(gè)阻滲塞。第一道止水上游的止?jié){塞及阻滲塞孔底高程均為153 m，其中上游孔全段作止?jié){塞，下游孔(阻滲塞)下部2 m范圍亦作止?jié){塞，高程155 m以上段作為阻滲塞的灌漿封堵區(qū)，通過第二道灌漿孔壓力灌漿形成阻滲塞，封堵第一道止水破損及其上游不密實(shí)的結(jié)構(gòu)混凝土。先實(shí)施上游側(cè)止?jié){塞灌漿，再實(shí)施下游側(cè)孔下部2 m止?jié){塞，最后灌漿形成阻滲塞；第一道騎縫止?jié){塞及第二道騎縫孔下部2 m的止?jié){塞漿材采用快速密封劑；阻滲塞灌漿封堵材料采用自主研發(fā)的CW530系聚氨酯。通過壓力灌漿形成兩道止水與瀝青井之間的兩個(gè)168 mm的騎縫阻滲塞，灌漿材料也為自主研發(fā)的CW530系聚氨酯。

圖2 25#—31#壩段騎縫止?jié){及阻滲塞布置Fig.2 Arrangement of grouting plug and impermeableplug for cross joint in 25#-31# dam section

4 水庫大壩除險(xiǎn)加固中的典型工程應(yīng)用

4.1 溪洛渡水電站玄武巖層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶防滲補(bǔ)強(qiáng)處理

溪洛渡大壩壩基巖體均為二疊系玄武巖，右岸395～341 m高程主要為P2β5、P2β4層致密狀玄武巖和含斑玄武巖，其層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶和節(jié)理裂隙較發(fā)育，尤其P2β5層中部的層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶集中發(fā)育，巖體較破碎透水性較強(qiáng)，易形成透水帶。右岸347 m灌漿廊道(AGR1)基巖裸露段巖性為P2β4層底部含斑玄武巖，無卸荷巖體，緩傾角層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)發(fā)育67條，巖體呈次塊狀結(jié)構(gòu)，嵌合較緊密，節(jié)理裂隙較發(fā)育，延伸長2～5 m，裂面平直粗糙，輕度銹染，嵌合較緊密。溪洛渡水電站大壩導(dǎo)流底孔下閘蓄水發(fā)電后，隨著庫水位的上升，在AGR1、AGR2、ADR1灌漿平洞出現(xiàn)一定滲水現(xiàn)象，且集中滲水量較大，局部有射流噴水現(xiàn)象，蓄水后(水頭高達(dá)240余米)帷幕檢查孔涌水，單孔涌水量60 L/min，影響了壩基長期滲透穩(wěn)定性和整體安全，根據(jù)設(shè)計(jì)要求需進(jìn)行防滲補(bǔ)強(qiáng)。為此，建設(shè)單位委托長江科學(xué)院對壩基帷幕進(jìn)行了水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿處理。

針對電站右岸高程395～347 m基礎(chǔ)廊道斜坡段和右岸高程395 m水平廊道段及AGR2灌漿平洞樁號0+080.0 m段等不同部位，長江科學(xué)院分別采用CW510系環(huán)氧樹脂、CW530系聚氨酯等灌漿材料和配套技術(shù)進(jìn)行了復(fù)合灌漿處理，灌后平均透水率均<0.5 Lu。通過對灌后檢查孔芯樣的分析，可以看出漿液在巖體中充填飽滿，固結(jié)良好(如圖3所示)，芯樣抗壓強(qiáng)度50～103 MPa，劈裂強(qiáng)度4.8～13.6 MPa，灌后裸露圍巖基本無漏水，有效提高了壩基滲透穩(wěn)定性和帷幕耐久性，確保了溪洛渡水電站運(yùn)行安全。

圖3 溪洛渡層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶灌后芯樣膠結(jié)良好Fig.3 Interlaminar and interlaminar staggered zone inXiluodu project well consolidated after grouting

4.2 向家壩水電站砂巖撓曲核部破碎帶和擠壓破碎帶防滲補(bǔ)強(qiáng)加固處理

向家壩壩基自左非壩段至右岸泄洪壩段存在不同程度的砂巖擠壓破碎帶和撓曲核部破碎帶，其巖體特性主要表現(xiàn)為含泥碎塊結(jié)構(gòu)和碎屑結(jié)構(gòu)，具有原位條件下含水率低(約4%)、密度高(2.3 g/cm3)、強(qiáng)度低、滲透系數(shù)低(10-5cm/s)、埋深大(>70 m)、遇水易塌孔，單純采用水泥灌漿或濕磨細(xì)水泥灌漿多次處理仍難以達(dá)到水力破壞坡降>100、鉆孔取芯率RQD>70%的設(shè)計(jì)要求。應(yīng)建設(shè)單位委托，長江科學(xué)院自2010年起，在右岸257 m平臺和左非9#壩段擠同時(shí)進(jìn)行了撓曲核部破碎帶和擠壓破碎帶的化學(xué)灌漿現(xiàn)場試驗(yàn)，隨后又開展了左岸擠壓帶和孔口接觸段化學(xué)灌漿大規(guī)模施工，驗(yàn)證了材料及配套工藝的可行性。

由于工期等原因，化學(xué)灌漿工作持續(xù)到下閘蓄水以后，蓄水位從353 m逐漸抬高至370、379.7 m高程，化學(xué)灌漿工作區(qū)水頭高達(dá)220 m以上，壩基揚(yáng)壓力顯著升高，排水孔滲水量顯著增大，壩基處理時(shí)對灌漿壓力敏感，對化學(xué)灌漿施工帶來極大的挑戰(zhàn)。長江科學(xué)院結(jié)合前期試驗(yàn)與施工成果的論證優(yōu)化，開發(fā)出基于CW510系環(huán)氧樹脂灌漿材料的高水頭下擠壓破碎帶和撓曲核部破碎帶水泥化學(xué)復(fù)合灌漿處理技術(shù)。灌后檢查孔壓水透水率均<0.5 Lu，壓水指標(biāo)合格，檢查孔取芯情況較好(如圖4所示)，部分檢查孔呈柱狀，鉆孔取芯率RQD達(dá)到76%。灌后聲波波速比灌前提高了16.8%，尤其是低波速段改善明顯，灌后水力破壞比降達(dá)到260，比灌前提高了11.5倍，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，有效提高了壩基滲透穩(wěn)定性和耐久性，為確保向家壩水電站按期蓄水發(fā)電和長期安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

圖4 向家壩砂巖破碎帶水泥化學(xué)復(fù)合灌漿檢查孔取芯情況Fig.4 Coring from inspection hole for cement-chemical compound grouting for Xiangjiaba sandstone fracturezone

4.3 丹江口大壩溢流壩段邊墩橫縫漏水應(yīng)急處置

丹江口大壩溢流壩邊墩13#/14#壩段和24#/25#壩段橫縫均在上游側(cè)設(shè)兩道銅止水，兩道止水之間相距1.5 m，中間設(shè)置瀝青井(初期工程，斷面尺寸為30 cm×30 cm)和排水井(加高工程，斷面尺寸為20 cm×20 cm)，初期工程與加高工程接合面設(shè)置水平止水。二期工程大壩加高完成后，2014年9月10日前，因上游來水偏少，大壩上游水位長期在136.5～144.06 m之間運(yùn)行。9月10日開始，因降雨原因，丹江口上游庫水位快速上漲，超過歷史最高水位160.07 m，于2014年11月2日達(dá)到160.72 m。期間，13#/14#壩段和24#/25#壩段橫縫均出現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為：24#/25#壩段下游面橫縫順導(dǎo)墻(128 m高程)及導(dǎo)墻層間縫在庫水位160 m時(shí)出現(xiàn)了較大滲漏(嚴(yán)重時(shí)呈射流狀)，但隨著庫水位下降，滲流量逐漸減少，當(dāng)庫水位降至159 m以下時(shí)，滲漏基本停止；13#/14#壩段橫縫也是在庫水位超過159 m時(shí)出現(xiàn)滲漏，滲漏規(guī)律與24#/25#壩段橫縫類似，當(dāng)庫水位降至159 m以下時(shí)，滲漏基本停止。2017年秋汛期間水位不斷刷新歷史新高，庫水位首次超過初期大壩壩頂高程并最終達(dá)到167 m。在庫水位從160.57 m上升到167 m期間巡查發(fā)現(xiàn)混凝土壩131 m高程廊道26#—27#、27#—28#、28#—29#、29#—30#、30#—31#、31#—32#壩段6條橫縫開始滲水，各橫縫滲點(diǎn)較少，呈滴水狀。但隨著庫水位升高，滲漏量不斷增加。

針對13#/14#壩段、24#/25#壩段橫縫漏水通道復(fù)雜隱蔽、漏量大的難題，加之秋汛來水形勢迅猛，蓄水工作時(shí)間異常緊迫，受漢江水利水電(集團(tuán))有限責(zé)任公司和南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司委托，長江科學(xué)院采用自主創(chuàng)新研發(fā)的瀝青井滲漏快速封堵“環(huán)氧樹脂封底-水溶性聚氨酯充填-油溶性聚氨酯擠密”三序灌漿新工藝(如圖5所示)，以及橫縫騎縫孔“止?jié){塞+阻滲塞”、兩側(cè)混凝土防滲和瀝青井封堵的全封閉永久止水新體系等成套技術(shù)，于2017年9月10日提前8 d完成了應(yīng)急處置任務(wù)，解除了159 m的水位限制，保證了加高工程首次經(jīng)歷了歷史最高水位167 m的考驗(yàn)，同時(shí)成功實(shí)施完成了164、167 m兩個(gè)階段蓄水試驗(yàn)任務(wù)，確保了防洪、供水和工程安全，多蓄水近100億m3，保障了華北地區(qū)生態(tài)補(bǔ)水的順利實(shí)施，得到國家防汛抗旱總指揮部辦公室、水利部等相關(guān)部門充分肯定。

圖5 瀝青井封堵灌漿應(yīng)急處置現(xiàn)場情況Fig.5 Emergency disposal site of plugginggrouting in asphalt well

5 結(jié) 語

化學(xué)灌漿作為水庫大壩除險(xiǎn)加固的重要技術(shù)手段之一，尤其適用于水工建筑物復(fù)雜不良地質(zhì)體和混凝土深層微細(xì)裂縫滲漏的防滲補(bǔ)強(qiáng)加固處理。

長江科學(xué)院以國家重大水利水電工程建設(shè)需求為導(dǎo)向，通過多年來的持續(xù)創(chuàng)新與積累，針對大埋深、大涌水、高壓動(dòng)水等工況下的低滲性不良地質(zhì)體和混凝土微細(xì)裂縫滲漏處理重大技術(shù)難題，研發(fā)了高性能、可操作時(shí)間精確可調(diào)和環(huán)保性能優(yōu)良的新型環(huán)氧樹脂、丙烯酸鹽和聚氨酯系列化學(xué)灌漿材料，研制了可自動(dòng)精確計(jì)量、高壓動(dòng)態(tài)流量控制、快速響應(yīng)的配套灌漿設(shè)備系統(tǒng)，開發(fā)了高水頭下壩基不良地質(zhì)體水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿精細(xì)控制、全封閉分序灌漿封堵大壩橫縫滲漏處理等新工藝方法，形成了水庫大壩除險(xiǎn)加固化學(xué)灌漿成套新技術(shù)。該技術(shù)已在三峽、丹江口、溪洛渡、白鶴灘、烏東德、向家壩、巴基斯坦KAROT、厄瓜多爾CCS 等國內(nèi)外100余個(gè)重點(diǎn)水利水電工程除險(xiǎn)加固中得到成功應(yīng)用，保障了工程安全運(yùn)行和發(fā)電、防洪、供水、生態(tài)補(bǔ)水等綜合效益發(fā)揮，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。