北方寒冷地區(qū)大型水工隧洞鋼筋混凝土裂縫處理探討

陳 雷

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司,沈陽 110000)

由于大型水工隧洞的特殊作用,襯砌混凝土標(biāo)號(hào)一般很高且受外圍約束極強(qiáng),硬化過程中襯砌混凝土因水化熱作用內(nèi)部溫度升高,加之圍巖的約束作用較強(qiáng)很容易導(dǎo)致較大的溫度應(yīng)力[1]。對(duì)于過水隧洞,貫穿性裂縫的存在直接影響著結(jié)構(gòu)安全狀況。在長(zhǎng)期水化學(xué)和水頭力學(xué)作用下,淺層裂縫和表面裂縫不斷發(fā)展造成鋼筋銹蝕,使得襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性、穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度下降,甚至?xí)霈F(xiàn)滲流通道危及結(jié)構(gòu)安全,產(chǎn)生滲水、漏水及水資源浪費(fèi)等問題。另外,一旦水工隧洞出現(xiàn)裂縫,對(duì)這種地下隱蔽工程的修復(fù)處理難度較高,故裂縫所帶來的危害極大[2-5]。豐滿水電站位于松花江干流,運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜惡劣,泄洪工程泄量大、水頭高且河谷窄,溢洪道流量和泄洪功率較高。因此,為保證水工隧洞的安全運(yùn)行,必須選用合適的方法有效處理其內(nèi)部裂縫。

1 工程概況

豐滿水電站建于東北嚴(yán)寒地區(qū),上、下游建有紅石、白山等梯級(jí)水電站以及永慶反調(diào)節(jié)水庫,主要組成部分包括左岸泄洪洞、溢流壩、混凝土重力壩、變電站以及壩后式廠房等。其中,泄洪洞襯砌厚度1.0～1.5m,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);重力壩最大壩高90.5m,壩頂高程267.7m,共有60個(gè)壩段,右岸32#～60#與左岸1#～8#為擋水壩段,9#～19#、20#、21#～31#為溢流、過渡和發(fā)電引水壩段。研究區(qū)屬季風(fēng)大陸性氣候,特點(diǎn)是晝夜溫差大、寒冷干燥。多年平均降水量656.2mm,相對(duì)濕度60%,極端最高、最低氣溫為37.0℃和-42.5℃,年均氣溫3.9℃,平均風(fēng)速2.9m/s,冰封期約130d。因此,混凝土裂縫的形成主要受惡劣的外部環(huán)境和冬雨季施工等因素的影響。

2 裂縫處理方法

2.1 裂縫分類

為保證水工隧洞的安全運(yùn)行和使用功能,對(duì)于鋼筋混凝土及大體積混凝土按照設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,采用鉆孔灌漿法處理D類貫穿性裂縫及縫面較寬的C類深層裂縫。一般地,D類裂縫寬度≥0.4mm,C類裂縫寬度>0.3mm且≤0.5mm[6]。施工前,必須依據(jù)設(shè)計(jì)要求全面普查裂縫,并合理分類,按照不同裂縫特性采取適合的處理措施,條件允許時(shí)可以針對(duì)典型裂縫開展灌漿試驗(yàn),通過試驗(yàn)確定最優(yōu)技術(shù)參數(shù),確保裂縫的達(dá)標(biāo)處理。

2.2 灌漿材料性能

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范相關(guān)要求,研究使用PSI-530系列環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行水工隧洞襯砌混凝土裂縫處理,環(huán)氧樹脂漿液的性能參數(shù),見表1。

表1 環(huán)氧樹脂漿液的性能參數(shù)

其中,m、n代表兩種組份,控制試驗(yàn)溫度(20±2)℃,漿液可操作時(shí)間≥30min,起始黏度不超過30mPa·s,漿液密度≥1.00g/cm3。經(jīng)檢測(cè),漿液及固化物性能符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求,高溫時(shí)不宜按5∶1配比,應(yīng)考慮實(shí)際情況選用合適配比。

2.3 冬季施工措施

低溫會(huì)在一定程度上增大起始黏度,進(jìn)而影響裂縫的灌注,延長(zhǎng)質(zhì)量檢查及表面修復(fù)、初凝時(shí)間和可操作時(shí)間[7-8]。同時(shí),封縫后的待凝時(shí)間會(huì)隨著環(huán)氧樹脂凝固時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,并且灌漿質(zhì)量還會(huì)受到縫內(nèi)地下滲水及鉆孔用水結(jié)冰的影響。實(shí)際施工時(shí),可以適當(dāng)加大現(xiàn)場(chǎng)取樣頻次,通過觀察凝結(jié)時(shí)間及時(shí)調(diào)整漿液配比。在-5～0℃環(huán)境下環(huán)氧樹脂的的性能參數(shù),低溫下環(huán)氧樹脂漿液的性能參數(shù),見表2。

表2 低溫下環(huán)氧樹脂漿液的性能參數(shù)

因此,應(yīng)盡可能選擇在低溫季節(jié)進(jìn)行混凝土裂縫的處理,這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)收縮裂縫張開有利于灌漿處理和裂縫普查,但溫度過低會(huì)對(duì)灌漿效果造成不利影響[9]。冬季施工時(shí)主要包括以下措施:①洞內(nèi)裂縫處理的合理環(huán)境溫度為5～20℃,可以考慮具體條件采取掛設(shè)擋風(fēng)簾、搭設(shè)保溫棚或其它手段調(diào)整合適溫度;②洞外裂縫處理時(shí)應(yīng)盡量選擇高溫時(shí)段;③在配制漿液時(shí)可以將攪拌時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng),保證各組分混合均勻;④適當(dāng)延長(zhǎng)質(zhì)量檢查時(shí)間,大多選擇10～14d。

2.4 裂縫處理施工

2.4.1 準(zhǔn)備工作

1)檢查裂縫。全面清理表面雜物和砂漿,用高壓水沖洗干凈后普查混凝土裂縫,精準(zhǔn)測(cè)量,統(tǒng)一編號(hào)。采用電子測(cè)縫儀多點(diǎn)測(cè)量縫寬、縫長(zhǎng),并考慮滲水和析出物情況初步判定縫深,綜合考慮各項(xiàng)參數(shù)合理劃分裂縫類型。其中,C、D類通常為貫穿性裂縫,編錄時(shí)要詳細(xì)描述是否為貫穿裂縫、裂縫的走向、長(zhǎng)寬深、有無溶出物和滲水情況等,結(jié)合編錄繪制裂縫分布圖。

2)灌前清理縫面。清理干凈裂縫兩側(cè)5～10cm范圍內(nèi)的混凝土,打磨完成后使縫口完全出露,將縫面上的浮灰等雜物用高壓水進(jìn)行沖洗?？p面清理后,必須符合不起砂、不松脫、干凈、平整等要求,當(dāng)縫面干燥且表面張開無阻塞物時(shí)才能進(jìn)行封縫。

3)鉆孔處理。布設(shè)方式選用斜縫和騎縫孔,后者能夠作為補(bǔ)充灌漿孔和灌漿排水、排氣孔,沿裂縫中心布置騎縫孔,控制孔間距約50cm,鉆孔與縫面走向相同或垂直于混凝土面[10]。采用鉆頭直徑25mm的水磨鉆進(jìn)行鉆孔,控制孔深不超過5cm。斜孔是一種交叉布設(shè)在裂縫兩側(cè)的化學(xué)灌漿孔,單側(cè)間距處于200～300cm之間,可以按照縫寬大小調(diào)整,如適當(dāng)提高滲水處的鉆孔數(shù),鋼筋密集處的孔距適當(dāng)增加,為合理控制通常單邊布置前斜孔和神斜孔。

一般地,裂縫位置距離斜孔鉆孔為20cm,以縫深的1/3處和2/3處作為前斜孔、深斜孔的穿線位置,按照離縫距離和穿縫深度計(jì)算鉆孔角度,化學(xué)灌漿孔深與鉆孔角度,見表3。然后采用直徑32mm的水磨鉆進(jìn)行斜孔鉆孔,成孔后利用風(fēng)槍或清水水槍清洗,該過程中要觀察裂縫是否與斜孔連通。

表3 化學(xué)灌漿孔深與鉆孔角度

4)埋管、埋嘴和封縫。沖洗干凈后使用快速堵漏劑,將T型灌漿嘴固定于騎縫孔,以2～3mm厚的環(huán)氧膠泥刮抹在裂縫兩側(cè)各5～10cm處,封閉裂縫和孔口。對(duì)淺斜孔和深斜孔單孔要埋設(shè)一根進(jìn)漿管(深入孔底)及一根回漿管(露出封堵段),保證孔內(nèi)充滿漿液以及孔內(nèi)漿水或積水混合物的順利排出,確保封孔和灌漿質(zhì)量。

5)壓風(fēng)檢查。完成封縫和灌漿管埋設(shè)后,統(tǒng)一標(biāo)識(shí)和編號(hào)所有鉆孔,控制風(fēng)壓約0.1MPa,封縫48h時(shí)檢查風(fēng)壓,明確孔連通情況。檢查壓風(fēng)時(shí)將孔內(nèi)積水吹出,并扎緊灌漿管;用肥皂水涂刷縫面封閉處能夠檢驗(yàn)其封閉效果,對(duì)密封不合格的必須返工。

2.4.2 灌漿處理

1)灌漿順序。根據(jù)管路暢通和連通情況,合理確定化學(xué)灌漿流程,總體按照從低到高、先灌串通孔再灌非串通孔的原則灌注,即先灌深、淺斜孔,再補(bǔ)灌騎縫孔的順序。灌注過程中應(yīng)關(guān)注騎縫孔及相鄰斜孔是否出現(xiàn)泛漿,若相鄰斜孔泛漿應(yīng)及時(shí)排出泛漿中的漿水與積水混合物,并灌至達(dá)標(biāo)閉漿待凝[11]。

2)控制灌漿壓力?；瘜W(xué)灌漿應(yīng)遵循受灌裂縫黏接良好、充填飽滿、低壓漫灌的原則,控制灌漿壓力處于0.2～0.4MPa之間,按照注入量情況可以適當(dāng)減小或增大,但最高≤0.4MPa。從0.1MPa開始按照0.1MPa/5min的方式逐級(jí)升高灌漿壓力,若灌漿時(shí)出現(xiàn)較大耗漿量,必須查明原因或用快凝漿材關(guān)注,也可待凝或間歇灌漿,控制冬季的待凝時(shí)間約為20h。如果灌漿時(shí)出現(xiàn)管頭封堵或縫面封閉不嚴(yán)等問題,必須及時(shí)處理后才能灌漿。

3)結(jié)束條件。在預(yù)定壓力下,當(dāng)灌漿孔吸漿率接近0時(shí),持續(xù)灌注30min且灌漿壓力不減小,以此作為停止條件,管頭閉漿直到漿液初凝。

2.4.3 灌后縫面處理

完成灌漿后,在待凝10～14d期間鏟除灌漿管,打磨、清理干凈灌漿孔口,并使用環(huán)氧膠泥填平。將2～3mm厚環(huán)氧膠泥刮涂在滲水處斜孔附近5cm范圍,確保表面的平整和平順連接。

2.4.4 異常處理

處理裂縫時(shí)有少數(shù)不通非連續(xù)性騎縫孔時(shí),一般不會(huì)影響整體處理質(zhì)量。在處理隧洞變強(qiáng)豎向裂縫時(shí),可以適當(dāng)加大高速水流區(qū)距離以降低混凝土平整度受鉆孔的影響。

對(duì)于較大斜孔孔距,如果存在幾個(gè)連續(xù)孔的通風(fēng)效果都不好,必須結(jié)合具體情況進(jìn)行補(bǔ)打。為確保填充密實(shí)飽滿以及漿液浸潤(rùn)充分,可以采取間歇放漿或延長(zhǎng)時(shí)間的方式。若該過程中存在管頭埋設(shè)不密實(shí)或縫面封閉不到位,并產(chǎn)生漏漿的情況,必須及時(shí)處理后才能灌漿,特別是要注重對(duì)豎縫的處理。另外,灌漿流量較高時(shí)可以采取待凝、降壓、用快凝漿材和間歇灌漿等措施。

在處理滲水裂縫特別是高速過流面時(shí),可以使用鉆孔灌漿法和常規(guī)封閉處理措施。雖然刻槽法具有較好的臨時(shí)縫面封閉效果,但后期使用時(shí)受較大晝夜溫差影響,基材與處理材料存在較大差異,極易發(fā)生二次破壞和脫落情況。

3 灌漿檢查

為降低過流面受鉆孔的不利影響,選用Φ32mm穿縫鉆孔進(jìn)行壓水檢查,選用Φ76mm騎縫鉆孔以3%～10%的單元比例進(jìn)行取芯檢查,為擴(kuò)大檢查范圍按照錯(cuò)開壓水取芯單元的方式進(jìn)行物探無損檢查。

3.1 目測(cè)檢查

通過錘擊、目測(cè)的方式檢查每條裂縫,以錘擊聲間清脆、無孔洞、無氣泡和滲水現(xiàn)象為標(biāo)準(zhǔn),原混凝土結(jié)構(gòu)與灌后裂縫縫面緊密連接,縫面充填漿液飽滿、密實(shí),檢查不合格的要返工處理。

3.2 鉆孔壓水

采用Φ32mm的鉆孔穿縫,對(duì)灌漿效果進(jìn)行壓水檢查,檢查單元600個(gè),壓水達(dá)到0.32MPa(灌漿壓力的80%),經(jīng)檢查透水率<0.1Lu,符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。采用Φ76mm騎縫鉆孔進(jìn)行取芯檢查,檢查比率10.2%符合要求,檢測(cè)62個(gè)單元。通過全景圖像檢測(cè)發(fā)現(xiàn),環(huán)氧漿材能夠密實(shí)、飽滿地填充縫面。

3.2 無損檢測(cè)

按照8%的單元比例進(jìn)行灌后無損檢測(cè),通過對(duì)比灌漿前、后的聲波變化共完成53個(gè)單元檢測(cè),結(jié)果顯示縫面密實(shí)填充符合設(shè)計(jì)要求,裂縫灌后無損檢測(cè)數(shù)據(jù),見表4。

表4 裂縫灌后無損檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

1)采用環(huán)氧樹脂鉆孔灌漿法能夠有效處理北方寒冷地區(qū)水工隧洞混凝土D類貫穿性裂縫及C類深層裂縫,縫面灌漿密實(shí)、飽滿,處理效果較好。采用D類和C類裂縫處理方案能夠保證裂縫處理質(zhì)量,該技術(shù)方案切實(shí)可行。

2)裂縫處理應(yīng)選擇在冬季,這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)收縮裂縫張開有利于灌漿處理和裂縫普查,但溫度過低會(huì)對(duì)灌漿效果造成不利影響,其適宜溫度為5～20℃。為防止溫度過低使得漿液稠度過大、縫面結(jié)冰等,可以采取洞室布設(shè)掛簾或搭設(shè)保溫棚等措施,以保證灌漿質(zhì)量。對(duì)于混凝土裂縫處理應(yīng)做好工序質(zhì)量控制,以保證這種隱蔽工程的全過程施工質(zhì)量可控。