防滲墻補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)在趙山渡引水工程的應(yīng)用

張 偉 李渭清 劉孔英

(1.溫州市水利建設(shè)管理中心，浙江 溫州 325000；2.杭州市河道與農(nóng)村水利管理服務(wù)中心，浙江 杭州 310014；3.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

1 問題的提出

混凝土防滲墻是水利水電工程中的重要防滲措施，適用于覆蓋層地基和土石壩。由于混凝土防滲墻的相關(guān)缺陷問題日益突出，混凝土防滲墻缺陷修復(fù)是水利工程管理與維護(hù)中不可避免的問題。多例滲漏引起垮壩的事件表明滲漏水庫除險(xiǎn)加固決不能輕視，滲漏水庫除險(xiǎn)加固可以消除滲漏安全隱患，保障水庫安全，保護(hù)下游人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全，提高工程社會和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

趙山渡引水工程位于浙江省溫州市瑞安市，屬于珊溪水利樞紐工程，由引水樞紐和輸水渠系組成[4-6]。建筑物主要有泄洪閘、重力壩、河床式電站廠房等。工程屬Ⅱ等工程。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇。泄洪閘采用消力池底流消能，消力池下游依次布置輔助消能工護(hù)坦、海漫和防沖槽。

自2004年12月以來，趙山渡水庫大壩多個(gè)泄洪閘閘墩下游側(cè)的結(jié)構(gòu)伸縮縫出現(xiàn)不同程度的滲漏現(xiàn)象。由于水庫已經(jīng)投入運(yùn)行，水庫閘壩滲流缺陷引起的原因往往很難發(fā)現(xiàn)，對缺陷進(jìn)行有效處理更為困難。目前對運(yùn)行狀態(tài)下的滲漏缺陷處理研究較少，該類工程缺陷處理有較好的技術(shù)研究與市場應(yīng)用前景。

2 加固原則與設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)與難點(diǎn)

本研究中補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)的目標(biāo)為：在不放空趙山渡水庫，保證溫州地區(qū)城鎮(zhèn)正常供水的前提下，通過對防滲墻補(bǔ)強(qiáng)加固施工，研究探索防滲墻滲漏處理方法，最終使趙山渡水庫大壩泄洪閘下游墩縫漏水現(xiàn)象消失，基礎(chǔ)揚(yáng)壓力明顯下降，滿足設(shè)計(jì)和現(xiàn)行規(guī)范要求。具體內(nèi)容[7]如下：

a.判定砂卵石地層中的混凝土防滲墻滲漏缺陷可能位置、范圍、滲漏量。

b.確定砂卵石地層中混凝土防滲墻不同大小、深度及滲漏強(qiáng)度等缺陷的處理方法。

c.從現(xiàn)有防滲補(bǔ)強(qiáng)灌漿材料中，針對混凝土防滲墻不同大小、深度及滲漏強(qiáng)度等缺陷情況，選擇相應(yīng)的堵水、補(bǔ)強(qiáng)灌漿材料。

根據(jù)研究目標(biāo)與目前技術(shù)，防滲墻補(bǔ)強(qiáng)加固的主要技術(shù)難點(diǎn)如下：

a.水庫不放空的條件下，水下沙礫石地層中的鉆孔成孔。

b.水庫不放空的條件下，砂卵石地層中的混凝土防滲墻滲漏缺陷可能位置的判定。

c.水庫不放空的條件下，混凝土防滲墻滲漏位置的封堵、加固處理。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)分析與設(shè)計(jì)

2.2.1 滲漏缺陷位置分析

趙山渡泄洪閘防滲墻是薄壁結(jié)構(gòu)[8]，主要薄弱部位有：?防滲墻每個(gè)槽段Ⅰ、Ⅱ序孔之間接縫處；?防滲墻頂部和墻體連接處施工縫；?防滲墻頂部伸縮縫之間止水結(jié)構(gòu)。滲漏缺陷問題主要有：?施工時(shí)閘基地質(zhì)條件引起的塌孔導(dǎo)致防滲墻墻體變薄的質(zhì)量缺陷；?澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生混凝土骨料離析現(xiàn)象引起蜂窩等質(zhì)量缺陷；?由于防滲墻墻體較薄，水庫蓄水后防滲墻運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生細(xì)裂縫。

2.2.2 加固處理的原則

經(jīng)過對趙山渡工程泄洪閘的水下檢查、試驗(yàn)性修補(bǔ)及上游護(hù)坦和垂直止水系統(tǒng)的全面修復(fù)，淺灘區(qū)泄洪閘基底揚(yáng)壓力變化不大，閘墩下游伸縮縫漏水仍然明顯，表明趙山渡泄洪閘的淺灘區(qū)防滲墻墻體內(nèi)存在較大的滲漏通道。為確保趙山渡工程的安全運(yùn)行，必須加固防滲墻，封堵滲漏通道，消除漏水、降低基底揚(yáng)壓力，使泄洪閘的滲透穩(wěn)定滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。根據(jù)趙山渡引水工程承擔(dān)的功能任務(wù)，水庫運(yùn)行的實(shí)際情況，宜按照以下原則對防滲墻進(jìn)行加固處理：

a.由于水庫承擔(dān)著溫州地區(qū)供水功能，并且放空水庫具有較長的施工工期，經(jīng)濟(jì)投入較大，因此在考慮技術(shù)與投資條件下，需要在保證水庫正常運(yùn)行狀態(tài)下，采取水下作業(yè)來尋找防滲墻滲漏發(fā)生部位。

b.雖然無法直接判斷防滲墻滲漏缺陷的具體部位，但考慮到泄洪閘位于砂礫石之上，其基礎(chǔ)滲漏處理需要符合滲透變形基本原理，即常用的“上堵、下排”方法。首先，封堵上游滲漏入口，切斷滲漏路徑，阻礙滲入。其次，考慮到砂礫石的影響，需要鋪設(shè)土工布于消力池基建面之上。

對泄洪閘的基底揚(yáng)壓力進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合滲漏情況的分析，并參考防滲墻CT檢測成果，確定全面灌漿范圍與重點(diǎn)灌漿區(qū)段，先處理重點(diǎn)區(qū)段，后處理其他區(qū)段。

3 補(bǔ)強(qiáng)加固施工方案

趙山渡引水樞紐具有飛云江下游和溫州地區(qū)的供水、灌溉、生態(tài)等功能，要求灌漿施工使用的材料本身無毒環(huán)保，且具備耐久性。由于水下滲漏處理施工工藝復(fù)雜且在水下進(jìn)行，因此在進(jìn)行泄洪閘防滲墻滲漏處理時(shí)，盡可能降低庫水位以減少水下作業(yè)處理的范圍，減小水下工作量，提高施工質(zhì)量，縮短施工工期。泄洪閘現(xiàn)有防滲系統(tǒng)由原混凝土防滲墻、泄洪閘上游護(hù)坦伸縮縫和閘墩垂直伸縮縫止水系統(tǒng)組成，伸縮縫已經(jīng)按照要求處理完畢，本文主要對泄洪閘防滲墻處理方案進(jìn)行研究探討。

3.1 備選方案1：防滲墻上游側(cè)帷幕灌漿

該方案是緊靠原防滲墻上游側(cè)新設(shè)一道防滲帷幕與原防滲墻一起形成新的防滲墻。優(yōu)點(diǎn)是：?符合防滲系統(tǒng)離上游較近的原則；?對原防滲墻潛在缺陷的修補(bǔ)作用較強(qiáng)；?新設(shè)的防滲帷幕施工要求較獨(dú)立的防滲帷幕可低一些。該方案缺點(diǎn)是：?灌漿帷幕位于上游砂礫石層，表層有近3m厚的拋石，成孔難度較大；?灌漿過程中向上游側(cè)范圍較大，容易漏漿，材料使用量難控制。

3.2 備選方案2：直接在防滲墻墻體灌漿

該方案直接在防滲墻墻體中鉆孔灌漿，對防滲墻的缺陷進(jìn)行加固處理，優(yōu)點(diǎn)是：?對工程原設(shè)計(jì)防滲體系進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，針對性強(qiáng)；?混凝土內(nèi)鉆孔不易塌孔，灌漿易控制。但由于原防滲墻厚度僅為0.80m，在水庫不放空的情況下，對在防滲墻墻身內(nèi)鉆深孔技術(shù)要求較高，施工難度大，施工期較長，容易對原防滲墻產(chǎn)生新的破壞。

3.3 備選方案3：防滲墻下游側(cè)帷幕灌漿

該方案在原防滲墻下游側(cè)水平護(hù)坦部位鉆孔灌漿，形成新的灌漿帷幕。優(yōu)點(diǎn)是鉆孔相對容易成孔，灌漿量控制相對容易。缺點(diǎn)是：?防滲體距上游較遠(yuǎn)；?對原防滲墻沒有補(bǔ)強(qiáng)加固作用；?需要在護(hù)坦混凝土上開孔(數(shù)量較多)，如封堵不密實(shí)，極易形成新的滲透通道；?灌漿后造成新的地基強(qiáng)度不均勻，容易引起泄洪閘不均勻沉降。

3.4 補(bǔ)強(qiáng)加固方案的確定

考慮原防滲墻結(jié)構(gòu)安全及施工可行性等因素，直接在防滲墻墻體鉆孔灌漿方案對防滲墻破壞明顯，而且防滲墻滲漏缺陷定位難度相當(dāng)大，技術(shù)上可行性較差。因此，排除直接在防滲墻墻體灌漿的方案。綜合考慮剩余2個(gè)方案的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)相關(guān)指標(biāo)，選擇在原防滲墻上游側(cè)進(jìn)行帷幕灌漿的補(bǔ)強(qiáng)加固處理方案，盡管該方案存在拋石層成孔難度較大、灌漿過程向上游的漏漿不易控制的缺點(diǎn)。

4 防滲墻加固處理中的灌漿材料研究

水下基礎(chǔ)灌漿技術(shù)難度大，必須根據(jù)趙山渡防滲墻滲漏特點(diǎn)，選用滿足水下動(dòng)水灌漿要求的灌漿材料。對幾種典型的灌漿材料的可灌性、防滲性、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間等指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究，包括有機(jī)灌漿材料、普通硅酸巖水泥、特種快速早強(qiáng)水泥、水泥-水玻璃灌漿材料等。

4.1 聚氨酯化學(xué)灌漿材料

聚氨酯化學(xué)灌漿材料屬于親水性的高分子材料，其特點(diǎn)是遇水乳化、分散、固結(jié)，延伸性較好，能適應(yīng)活動(dòng)縫的變形，尤其是遇水膨脹的性能(可達(dá)250%)可以調(diào)節(jié)。其處理活動(dòng)裂縫的原理是親水性基團(tuán)與混凝土的黏結(jié)力較強(qiáng)，黏結(jié)強(qiáng)度大于1MPa，廣泛用于各種裂縫的封閉處理[9]。此種材料除了價(jià)格昂貴，同時(shí)需要相應(yīng)的水下密封材料來達(dá)到灌漿效果。

根據(jù)施工方案特點(diǎn)，通過試驗(yàn)研究了幾種常用化學(xué)灌漿材料的物理力學(xué)性能，發(fā)泡時(shí)間、止泡時(shí)間和發(fā)泡倍數(shù)與溫度、催化劑含量、水溫的關(guān)系，飽和面干(潮濕)黏結(jié)強(qiáng)度(3天)，凝膠時(shí)間，催化劑對凝膠時(shí)間的影響，不同水量對凝膠時(shí)間的影響，抗壓強(qiáng)度(含彈性恢復(fù))，抗拉強(qiáng)度和遇水膨脹率等指標(biāo)或關(guān)系。凝膠時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖1)表明該類材料可以顯著提高凝結(jié)效果。

圖1 凝膠試驗(yàn)結(jié)果

4.2 水泥-水玻璃材料

水泥-水玻璃材料作為灌漿材料，其主要成分是水泥和水玻璃，需要將兩種材料按照比例，在雙液混合器內(nèi)充分混合，得到雙漿液。該材料的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)投入少、毒性小、凝結(jié)快速、強(qiáng)度高等，同時(shí)具有化學(xué)漿液與水泥漿液的特征[10]。該材料的凝結(jié)時(shí)間范圍廣，可從幾秒到幾十分鐘，結(jié)石率可達(dá)到100%，較純水泥漿有明顯提高。

4.2.1 凝結(jié)時(shí)間

水玻璃與水泥的相對含量、水灰比、水玻璃模數(shù)是影響該材料性能的主要因素。水玻璃含量對凝結(jié)時(shí)間影響較大，以水泥漿的體積為基準(zhǔn)，水玻璃在25%～60%之間時(shí)，凝結(jié)速度較快，同時(shí)變化較為平緩。水泥、水玻璃雙漿液試驗(yàn)結(jié)果(見表1)表明凝結(jié)時(shí)間具有以下規(guī)律：

表1 水泥、水玻璃雙漿液試驗(yàn)成果

a.水玻璃模數(shù)與二氧化硅含量、凝結(jié)時(shí)間、結(jié)石強(qiáng)度成正比。

b.水泥漿濃度提高加快了凝結(jié)時(shí)間。

c.在30～50°Bé范圍內(nèi)，水玻璃濃度與凝結(jié)時(shí)間成反比。

d.水玻璃與水泥的體積比在0.3∶1～1∶1范圍內(nèi)時(shí)，水玻璃用量與凝結(jié)時(shí)間成正比。

4.2.2 結(jié)石強(qiáng)度

該材料結(jié)石的抗壓強(qiáng)度主要受水灰比的影響，同時(shí)也受水玻璃溶液的濃度、水玻璃與水泥漿液的比例等因素的影響。其主要規(guī)律如下：

a.水灰比與結(jié)石的抗壓強(qiáng)度成反比。

b.當(dāng)水灰比較小時(shí)，水玻璃濃度與不同齡期結(jié)石的抗壓強(qiáng)度成正比；而當(dāng)水灰比處于中間狀態(tài)時(shí)，無明顯規(guī)律性；當(dāng)水灰比較大時(shí)，二者成反比關(guān)系。

c.水玻璃與水泥體積比存在一個(gè)適宜的比例范圍，使得水泥與水玻璃的化學(xué)反應(yīng)完全，結(jié)石強(qiáng)度較高。

4.3 快速固化水泥灌漿材料

4.3.1 材料特征

該類型材料的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

a.工作性好：水灰比較小時(shí)，流動(dòng)性較好，填充間隙的能力較強(qiáng)。

b.早強(qiáng)高強(qiáng)：3d、28d的抗壓強(qiáng)度分別大于45MPa、70MPa，安裝較快。

c.黏結(jié)強(qiáng)度較高、收縮較小，可以與接觸材料牢固結(jié)合。

d.耐久性好：屬于無機(jī)灌漿材料，抗老化，基本無銹蝕。

4.3.2 使用方法

該類型材料的使用方法如下：

a.需要先清理干凈填充空間再灌注清理干凈，表面需預(yù)濕半天左右。

b.對于小空間二次灌注，直接加水拌和。對于大空間二次灌注，可加入5～10mm粒徑的石子。

c.可用人工插搗處理較小的空隙，需要提前把氣體趕跑，經(jīng)12h后需要及時(shí)養(yǎng)護(hù)(澆水或濕草袋覆蓋)，養(yǎng)護(hù)期1～2周。

4.4 灌漿材料的選用

灌漿材料的選擇需要綜合考慮膠凝速度、可灌性、結(jié)石強(qiáng)度等指標(biāo)。由于原防滲墻上游側(cè)有30多m厚的砂礫石層，表面有3m厚的拋石層，都會影響灌漿效果，因此這里采用多種灌漿材料，包括水泥、特種水泥、水泥-水玻璃、聚氨酯漿材等常規(guī)松散層灌漿漿材。而具體灌漿過程還需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。所選材料指標(biāo)如下:

a.42.5普通硅酸鹽水泥：

技術(shù)指標(biāo):抗壓強(qiáng)度:3d不小于17.0MPa，28d不小于42.5MPa；

抗折強(qiáng)度:3d不小于3.5MPa，28d不小于6.5MPa；

流動(dòng)度:199mm。

b.水玻璃：

成分組成：二氧化硅，氧化鈉；

技術(shù)指標(biāo)：水玻璃模數(shù):2.4～3.4；

波美度:30～45°Bé。

c.特種水泥：

成分組成：還原性特制硫鋁酸鹽水泥，聚丙烯酰胺絮凝劑；

技術(shù)指標(biāo)：形狀:灰白色粉末；

密度：2.8～3.0g/cm3；

結(jié)石率：不小于98%；

抗壓強(qiáng)度:1d 15MPa，7d 30MPa；

凝結(jié)時(shí)間:20～90min可調(diào)；

流動(dòng)度:280～320mm。

5 結(jié)論與建議

用灌漿技術(shù)處理土石壩滲漏問題有許多成功經(jīng)驗(yàn)，而用于處理類似趙山渡工程的混凝土壩體滲漏較為少見。施工過程中，進(jìn)行了調(diào)整成孔工藝、在主要滲漏通道部位增加鉆孔密度、改變漿液配比等一系列探索性工作，最終取得了封堵滲漏通道的成功，消除了下游結(jié)構(gòu)縫的漏水，降低了閘壩的基底揚(yáng)壓力，滿足了大壩滲流穩(wěn)定要求。本研究中防滲墻的灌漿加固處理，有許多可供總結(jié)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，可為類似水利工程除險(xiǎn)加固提供借鑒。