混凝土壩壩體滲漏水下修復(fù)處理及效果評(píng)價(jià)

李 錚，李宏恩，張安富，劉定忠

(1. 南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029； 2. 云南龍江水利樞紐開發(fā)有限公司，云南 芒市 678400)

壩體滲漏是影響混凝土壩安全的重要因素之一，其主要危害在于降低大壩的耐久性和加速壩體滲漏通道的形成，如果不引起重視，長期的滲漏溶蝕作用會(huì)逐漸降低混凝土壩的力學(xué)性能，甚至?xí){到大壩的安全運(yùn)行[1-2]。對(duì)于土石壩和堤防工程，滲漏隱患探測可以通過壩（堤）頂或壩（堤）坡開展。由于土體是散粒體材料，通過探測反饋的滲透性差異可以查找到可能的滲漏通道[3-5]。而混凝土本身滲透性較低，如何在保證工程正常運(yùn)用的情況下，開展水下滲漏點(diǎn)的探測及處理修復(fù)是水庫在運(yùn)行管理中面臨的難題。

在混凝土壩水下滲漏探測方面，偽隨機(jī)電流場、溫度測井、聲波測井、孔內(nèi)電視等方法在工程中已經(jīng)有一些應(yīng)用[6-7]。在滲漏處理方面，早期多采用在廊道或壩體內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿的方法，形成阻水帷幕對(duì)滲漏通道進(jìn)行封堵，或采用水上噴涂防滲材料和水下灌漿相結(jié)合的方法[8-11]?；炷翂蔚臐B漏裂縫往往較小，采取鉆孔壓水測試等直接手段則會(huì)對(duì)壩體造成一定程度的損傷，因此如何實(shí)現(xiàn)不破壞壩體或產(chǎn)生較少破壞的條件下找到可能的滲漏通道值得進(jìn)一步探討。隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)混凝土壩滲漏處理的新措施和技術(shù)也逐步涌現(xiàn)[12-13]。而對(duì)滲漏水入口進(jìn)行封閉，截?cái)酀B水通道應(yīng)該是最直接和有效的方法，在國內(nèi)直接進(jìn)行水下滲漏處理應(yīng)用案例還不多見，僅有部分混凝土壩進(jìn)行了嘗試[14-15]。本文以近期云南龍江水電站大壩壩體滲漏水下處理為背景，對(duì)水下滲漏處理方案及實(shí)施過程進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對(duì)修復(fù)處理的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 滲漏情況調(diào)查

1.1 工程概況

龍江水電站樞紐位于云南省德宏州芒市境內(nèi)的龍江干流上，水庫總庫容12.17×108m3，水庫正常蓄水位872.00 m，死水位845.00 m。樞紐由混凝土雙曲拱壩、左岸引水系統(tǒng)及地面式廠房組成，工程規(guī)模為大（1）型，Ⅰ等工程，大壩最大壩高110.0 m，壩頂高程875.00 m。

大壩于2010年正式蓄水發(fā)電，初期運(yùn)行時(shí)，壩體總滲漏量不大，2012年最大滲漏量為25.15 L/s，發(fā)生時(shí)間是2012年12月31日，當(dāng)日水位為868.16 m，距離正常蓄水位3.84 m。自2012年以來大壩歷年滲漏量和水位情況見表1，其滲漏量過程線見圖1。自2016年開始，壩體滲漏量逐年增大，以年最大滲漏量來看，2016年和2017年均增加11 L/s左右，2018年和2019年分別增加6.96和6.07 L/s。在2019年8月3日，滲漏量達(dá)到歷史最高值74.85 L/s，從表1和圖1來看，滲漏量與庫水位存在較好的相關(guān)性，而且近年來滲漏量有逐漸增大趨勢，滲漏通道存在劣化現(xiàn)象，大壩運(yùn)行存在安全隱患。

表1 大壩歷年最大滲漏量和水位對(duì)照Tab. 1 Comparison of maximum leakage and water level over the years

1.2 滲漏現(xiàn)場調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場察看，滲漏水主要來自壩體內(nèi)各層廊道。其中，壩體廊道內(nèi)共有16處較明顯滲漏點(diǎn)，滲漏量較大的為兩處，分別位于8#和9#壩段分縫處、10#壩段中部位置，現(xiàn)場滲漏情況如圖2所示。其中，8#和9#壩段分縫處、10#壩段中部滲漏水流呈噴射狀?；A(chǔ)廊道積水主要是因各層廊道匯集至此的滲水無法排出，積水最深處超過15 cm，基礎(chǔ)廊道本身未發(fā)現(xiàn)明顯的滲漏點(diǎn)。

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及竣工驗(yàn)收資料來看，出現(xiàn)滲漏量較大的點(diǎn)均不是經(jīng)施工期檢查修復(fù)的缺陷部位。因此，原缺陷部位再出現(xiàn)劣化的可能性較小，而層間縫或分縫是混凝土壩施工中滲流控制的重要環(huán)節(jié)。從以往混凝土壩出現(xiàn)滲漏的經(jīng)驗(yàn)來看，壩體滲漏與分縫處或?qū)娱g縫缺陷的相關(guān)性較大，這也是混凝土壩較容易出現(xiàn)滲漏隱患的部位。為徹底了解并處理壩體存在的滲漏問題，遂開展了滲漏隱患探測和壩體水下檢查工作。

圖1 龍江水電站大壩壩體滲漏量過程線Fig. 1 Hydrograph of leakage of dam in Longjiang hydropower station

圖2 壩體廊道內(nèi)主要滲水點(diǎn)Fig. 2 Main leakage points in dam corridor

2 水下滲漏檢查及修復(fù)處理

2.1 隱患探測和水下檢查

考慮到壩體滲漏特性的復(fù)雜性，采用滲漏示蹤探測和水下檢查相結(jié)合的方法查找滲漏隱患點(diǎn)。溫度測試是進(jìn)行滲漏隱患點(diǎn)探測的主要方法之一，采用溫度電導(dǎo)率儀測定大壩上游面不同深度處的溫度變化，依據(jù)可能滲水點(diǎn)附近溫度異常的特性來判斷壩體存在的滲漏通道。作業(yè)時(shí)將探頭緊貼大壩上游面放至預(yù)定深度后進(jìn)行測試，經(jīng)測試壩體存在5處可能集中滲漏通道。

為了有針對(duì)性地開展水下修復(fù)處理，在初步查明滲漏通道入口的前提下，又進(jìn)行了水下復(fù)核檢查。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)9#壩段上游面水下832.00 m和816.00 m層間縫存在明顯的滲漏點(diǎn)，滲漏點(diǎn)處壩面混凝土表面有破損，且有明顯的淘空現(xiàn)象。利用水下噴墨示蹤檢查，在廊道排水溝內(nèi)滲漏水中追蹤到壩前釋放的示蹤劑，因此可確認(rèn)以上2處為滲漏通道的入口。隨后，對(duì)10#和11#壩段進(jìn)行滲漏檢查，其中10#壩段存在2處滲漏點(diǎn)，同樣進(jìn)行了示蹤檢查確認(rèn)了滲漏通道入口，示蹤檢查過程如圖3所示，檢查詳細(xì)結(jié)果見表2。

圖3 10#壩段滲漏點(diǎn)示蹤檢查Fig. 3 Leakage point tracer check in block 10#

表2 水下檢查情況（庫水位846.00～847.00 m）Tab. 2 Subaqueous check information (water level of 846.00～847.00 m)

2.2 水下滲漏修復(fù)處理

壩體滲漏處理常采用的有兩種方法，一種是在廊道內(nèi)灌漿封堵，另一種是進(jìn)行水下修復(fù)。下面對(duì)兩種方案進(jìn)行比選分析。

（1）廊道內(nèi)灌漿。灌漿堵漏在國內(nèi)應(yīng)用比較普遍，也取得了一定的成果[8-9]。該方法主要是結(jié)合廊道內(nèi)滲漏點(diǎn)位置進(jìn)行預(yù)判，并采取水泥或化學(xué)灌漿等手段進(jìn)行封閉，優(yōu)點(diǎn)是施工單位的處理經(jīng)驗(yàn)較豐富，對(duì)滲漏點(diǎn)末端位置判斷比較準(zhǔn)確，可從壩體內(nèi)滲漏點(diǎn)處著手處理，有一定的針對(duì)性；同時(shí)，灌漿還能發(fā)揮堵漏防滲和補(bǔ)強(qiáng)的雙重作用。其缺點(diǎn)是大量的新設(shè)鉆孔對(duì)原壩體破壞較嚴(yán)重，雖然直接從滲漏點(diǎn)位置出發(fā)進(jìn)行灌漿，但存在“頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳”的問題，未必能夠切實(shí)解決滲漏源頭問題。在施工過程中也可能將原來并不明顯的缺陷放大，形成新的滲漏通道，破壞大壩的整體性。

（2）水下修復(fù)處理。水下修復(fù)處理是從源頭上切斷壩體滲漏通道，更符合長期解決滲漏問題的初衷。修復(fù)前的水下檢查可以直接觀察到壩體可能存在的缺陷，并采取相應(yīng)的處理措施，工作量相對(duì)可控。當(dāng)然，水下修復(fù)處理也存在一些不確定性因素，如國內(nèi)施工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，需要承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)。水下作業(yè)有較高的技術(shù)要求，需要有完善的施工組織措施，以及經(jīng)驗(yàn)豐富的潛水員等。為保證潛水員身體健康，每位潛水員一般每天僅工作2 h左右，受潛水員水下工作時(shí)間的限制，施工周期可能會(huì)較長。

在綜合比較兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)后，由于龍江拱壩為薄拱壩，進(jìn)行大量鉆孔灌漿對(duì)壩體結(jié)構(gòu)安全會(huì)造成較大隱患，而水下處理可選擇在低水位時(shí)進(jìn)行，即可最大限度保證水下作業(yè)的安全，也可以提高水下工作效率。因此，選擇水下修復(fù)處理方案對(duì)龍江水電站壩體進(jìn)行滲漏修復(fù)處理，以期解決影響大壩安全的壩體滲漏問題。

水下作業(yè)是滲漏修復(fù)處理的核心工作，而潛水員是完成水下修復(fù)處理主要作業(yè)人員。確保人員安全是水下作業(yè)的首要條件，在作業(yè)前需要做好各項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)作業(yè)人員安全意識(shí)。本次潛水作業(yè)采用水面供氣式空氣潛水作業(yè)，采用自制潛水梯，潛水員通過水面作業(yè)平臺(tái)出入水中。作業(yè)開始前確定臨近的溢洪道、輸水洞等過流建筑物處于關(guān)閉狀態(tài)。

水下修復(fù)作業(yè)主要步驟如下：

①水下復(fù)核檢查。為確保滲漏處理效果并便于后期檢查，首先對(duì)滲漏部位進(jìn)行復(fù)核定位。每壩段以分縫為界限，測量出滲漏裂縫距左右側(cè)分縫的距離，結(jié)合測深表測量距離水面距離計(jì)算出滲漏點(diǎn)處高程，并繪制缺陷位置分布圖。

②水下表面清理。先將滲漏點(diǎn)表面水垢用鋼絲刷清理干凈，用塞尺（又稱厚薄規(guī)）測量滲漏點(diǎn)或裂縫的縫寬，記錄縫寬的最大、最小及平均值，確定整條滲漏裂縫或局部滲漏點(diǎn)的縫寬分布情況。根據(jù)確定的滲漏點(diǎn)位置，潛水員采用高壓水槍對(duì)水下滲漏部位的表面附著浮泥、水生生物等進(jìn)行清理。水槍沖洗完畢后，采用鋼絲刷（或液壓旋轉(zhuǎn)動(dòng)力刷）對(duì)整個(gè)縫面和局部滲漏點(diǎn)及兩側(cè)混凝土表面進(jìn)行再次打磨清洗，清理范圍為滲漏裂縫或滲漏點(diǎn)兩側(cè)20 cm。清理完成后對(duì)缺陷部位的位置、尺寸、邊界等再進(jìn)行復(fù)核并記錄。

③水下切槽及鑿除。根據(jù)滲漏裂縫的情況，騎縫切V型或U型槽，在滲漏裂縫或滲漏點(diǎn)的兩側(cè)切槽，槽寬約2 cm，槽深3 cm，要求切槽須跨縫進(jìn)行，并采用液壓設(shè)備對(duì)槽內(nèi)混凝土進(jìn)行鑿除。

④水下鉆孔與灌漿。沿水平層間縫采用液壓鉆在滲漏點(diǎn)上、下側(cè)20 cm處鉆斜孔及騎縫鉆直孔，斜孔與上游壩面呈45°角，騎縫孔與壩面垂直，灌漿孔間隔約100 cm，孔徑16 mm，孔深約35 cm。鉆孔完成后，采用栓塞灌漿孔口管，灌漿孔口管孔徑16 mm，管長10～20 cm，埋深8～15 cm，灌漿管埋設(shè)后逐一編號(hào)。

⑤嵌壓止水材料并封縫。完成預(yù)埋灌漿管后，沿開槽切縫嵌壓塑性止水材料，止水材料尺寸為2 cm×3 cm，沿槽將塑性止水材料嵌入并鋪平壓實(shí)?？p面采用水下密封劑封閉，封縫完成后，采用連續(xù)噴墨方式檢查水下封縫質(zhì)量，如發(fā)現(xiàn)有噴墨被吸入，則鑿除該段，重新施工。

⑥水下灌漿。灌漿材料選用專用聚氨脂材料，化學(xué)灌漿遵循從底部向頂部進(jìn)行，灌漿孔間距控制在30 cm。灌漿孔分為一序孔和二序孔，采取并灌的方式進(jìn)行，首先對(duì)一序進(jìn)行灌漿，二序孔敞開，當(dāng)二序孔出現(xiàn)返漿時(shí)，臨時(shí)封住二序灌漿孔，待一序灌漿孔達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)（維持灌漿壓力0.2 MPa，5～10 min為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)），用鐵絲扎牢一序灌漿管后再改二序孔進(jìn)行并灌，直至最后二序孔灌注達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為止。

本次灌漿為填充表面縫隙的充填灌漿，一般灌漿壓力控制在0.2 MPa左右，并根據(jù)注入量大小可適當(dāng)降低或提高灌漿壓力，灌漿壓力從0.1 MPa開始，先小后大分級(jí)升壓，每級(jí)按0.1 MPa升壓至灌漿壓力，極端情況下可以間斷采用升壓灌漿，但最高不得超過0.5 MPa。待漿液固化后，一般不低于90 min，拆除灌漿管，并對(duì)灌漿孔口管及周邊進(jìn)行打磨清理。

⑦粘貼SR蓋片。灌漿孔口管拆除后，分段粘貼寬度不大于50 cm的SR蓋片，相鄰防滲材料搭接長度10 cm，用5 mm厚不銹鋼壓條對(duì)防滲保護(hù)材料壓邊固定，并采用水下射釘槍或水下鉆孔固定，完成處理后滲漏點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

⑧完工示蹤檢查。固定完防滲蓋片一周后，對(duì)防滲保護(hù)材料周邊再噴示蹤劑檢查，并進(jìn)行全程水下攝像，確認(rèn)處理效果。

圖4 滲漏點(diǎn)封堵完成后結(jié)構(gòu)示意Fig. 4 Sketch of structure after blocking of leakage point

3 處理效果評(píng)價(jià)及思考

從壩體滲漏處理后滲漏量的變化過程線（圖5）可見，隨著水下滲漏處理工作的進(jìn)行，滲漏量逐步減小，滲漏處理效果顯著。表3列出了在水下滲漏處理過程中滲漏量的變化，在全部水下滲漏處理工作完成后，水位持續(xù)上升，而滲漏量并未明顯增加，在庫水位接近正常蓄水位872.00 m的情況下，壩體滲漏量僅為6.04 L/s，遠(yuǎn)小于處理前滲漏量。大壩廊道內(nèi)環(huán)境也大有改觀，目前廊道內(nèi)已無明顯滲漏水流和積水，地面和墻面也在逐步恢復(fù)干燥。

圖5 龍江水電站壩體滲漏量過程線（滲漏處理前后）Fig. 5 Hydrograph of leakage of dam in Longjiang hydropower station (before and after leakage remediation)

表3 壩體滲漏處理進(jìn)度與對(duì)應(yīng)滲漏量Tab. 3 Comparison between leakage and remediation process

此次云南龍江水電站壩體滲漏水下修復(fù)處理較為成功，在處理過程中得到一些經(jīng)驗(yàn)。如通過示蹤法獲得的5個(gè)滲漏點(diǎn)與實(shí)際滲漏點(diǎn)位置有較大差異，從9#和10#壩段所探測到的1#和2#兩處滲漏點(diǎn)來看，示蹤法檢查到了大致范圍，但預(yù)估高程比實(shí)際滲漏點(diǎn)實(shí)際高程高5～10 m不等。產(chǎn)生偏差的原因可能與大壩體型有關(guān)，本次檢測的大壩是雙曲拱壩，通過溫度示蹤法確定高程，在現(xiàn)場測試時(shí)測點(diǎn)通過船只由水面向下放置，測點(diǎn)未能緊貼壩面，導(dǎo)致高程上存在較大的誤差；水流的流向也并不完全水平，而是存在一定的梯度，這樣測深越大所引起的誤差將會(huì)越大。溫度示蹤探測到的3#、4#、5#測點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏點(diǎn)，可能是滲漏量較小，有待后期進(jìn)一步復(fù)核。因此，在后續(xù)工作中還需更加精細(xì)化示蹤探測手段，不僅需要確定可能的滲漏點(diǎn)，而且應(yīng)能夠預(yù)估滲漏量的大小。當(dāng)然，滲漏點(diǎn)位置的不確定性也體現(xiàn)了大體積混凝土壩體內(nèi)滲漏通道的復(fù)雜性，因此，應(yīng)采用綜合手段開展?jié)B漏隱患檢查。目前已經(jīng)有水下機(jī)器人、聲納檢測、仿生學(xué)攝像等方面的探索，能夠?qū)崿F(xiàn)高清攝像及噴墨示蹤等工作[16-18]。在今后滲漏探測中，也可以借助水下機(jī)器人等手段探明滲漏點(diǎn)的位置，潛水員再針對(duì)性地開展修復(fù)工作，可降低人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)有效提高水下修復(fù)作業(yè)效率。

從此次水下檢查情況和修復(fù)過程看，層間縫是壩體的主要滲漏通道。一般情況，混凝土拱壩的橫縫通過采取設(shè)置鍵槽、封孔灌漿、多層止水等措施對(duì)大壩的防滲起到了有效作用。而層間縫貫穿于壩體施工的全過程，且數(shù)量眾多，這就要求建設(shè)管理單位加強(qiáng)施工中的過程控制，認(rèn)真對(duì)待每一倉混凝土層面間的沖洗和拋毛，保證層與層之間的緊密結(jié)合。另外，在壩體設(shè)計(jì)中可以考慮在上游面增設(shè)加強(qiáng)層間縫結(jié)合措施的新工藝，多管齊下提高層間縫質(zhì)量的可靠性。目前水下修復(fù)施工對(duì)混凝土滲漏處理成功案例不多，從此次處理實(shí)踐來看，在完善的施工組織措施保障下，水下施工技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)局部缺陷的修復(fù)，應(yīng)得到認(rèn)可和推廣。

4 結(jié) 語

以云南龍江水電站壩體滲漏水下修復(fù)處理為實(shí)例，詳細(xì)介紹了混凝土壩水下滲漏處理技術(shù)，工程實(shí)踐表明，經(jīng)水下修復(fù)處理，壩體滲漏量明顯減小，在正常蓄水位下，壩體總滲漏量降低至6.04 L/s。這表明從源頭上截?cái)酀B漏的入口，進(jìn)行水下修復(fù)處理混凝土壩體滲漏是有效的，該方法可以供同類工程借鑒。層間縫是混凝土壩壩體的主要滲漏通道，而層間縫貫穿于壩體施工的全過程，數(shù)量眾多，需在混凝土壩施工中加強(qiáng)層間縫質(zhì)量控制，以保證各層間的緊密結(jié)合，有效減少層間縫發(fā)生滲漏的可能性。

從此次水下修復(fù)實(shí)踐來看，在完善的施工組織措施保障下，水下施工技術(shù)已經(jīng)能夠滿足壩體局部缺陷的修復(fù)需求。對(duì)于更大規(guī)模工程壩體滲漏，可以結(jié)合水下機(jī)器人開展相關(guān)水下初步排查工作。