化学灌浆技术在紫坪铺工程泄洪排沙洞混凝土震损裂缝修复中的选择与应用

谭 炜，廖桂英，黄俊玮

(1.四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610091；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；3.中国水电十一局 郑州科研设计有限公司，河南 郑州 450001)

1 前 言

“5·12”汶川8.0级特大地震导致紫坪铺水利枢纽工程泄洪排沙洞混凝土衬砌损坏。震后洞内检查发现混凝土衬砌裂缝较多且渗水严重，须及时进行化学灌浆修复。目前，国内外对混凝土裂缝化学灌浆的方法和材料有多种，如何选择适合紫坪铺泄洪排沙洞震损裂缝修复的工艺和材料，需从裂缝性质、浆材性能、各工艺特点上进行分析，根据实际情况制定修复措施来确保修复质量。

2 工程概况

紫坪埔水利枢纽工程位于成都市西北60余公里的岷江上游，是以灌溉、供水为主，兼有发电、防洪、环保、旅游等综合效益的大(Ⅰ)型水利枢纽工程。主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、4条引水发电洞及其进水塔、冲沙放空洞、1号和2号泄洪排沙洞及其进水塔、溢洪道、地面发电厂房等。水库总库容11.12亿m3，装机容量4×190MW。

1号、2号泄洪排沙洞属高流速泄水建筑物，最大流速45m/s，洞内混凝土衬砌(C50硅粉混凝土)设计厚度2～4m，分为进口明渠、进水塔、“龙抬头”段(斜管段)、导泄结合段(水平段)、出口明渠及反弧挑坎。进口底高程均为800.00m。1号洞出口低高程为745.5m，全长812.35m；2号洞出口低高程为745.156m，全长698.87m。

3 裂缝成因分析

大量的工程实例和混凝土研究表明，水工隧洞混凝土裂缝产生的原因主要是：(1)混凝土在硬化过程中，干缩引起的体积变形受约束时产生裂缝；(2)混凝土水化热得不到散发，因内外温差较大，变形超过极限引起裂缝；(3)混凝土在约束条件下热胀冷缩，由温度应力引起的拉裂缝；(4)水泥中的碱性物质与活性骨料中活性氧化硅等起反应，析出的胶状碱吸水后体积膨胀产生裂缝；(5)结构基础不均匀沉陷导致的混凝土裂缝；(6)混凝土浇筑的仓面处理不当，形成施工冷逢。

紫坪铺工程泄洪排沙洞浇筑C50硅粉钢纤维混凝土衬砌。震前，因温控等措施得当，由水化热、温度应力产生的裂缝较少，裂缝以施工冷缝为主。大部分裂缝出现在混凝土边墙的非过流面和顶拱上，以干缝为主，湿缝(渗水裂缝)数量较少，对混凝土整体结构的安全无影响。

“5·12”地震的巨大地震冲击波对紫坪铺工程右岸条形山脊和泄洪排沙洞混凝土衬砌结构破坏明显。主要表现为两点：一是裂缝(包括渗水裂缝)数量明显增多，原渗水裂缝渗水量明显加大；二是新出现贯穿性裂缝。造成上述破坏的原因是巨大的地震波能量对混凝土衬砌及其围岩进行了扰动破坏。一方面，局部地质条件的改变使结构基础发生变化；另一方面，原混凝土结构本身存在既定的约束条件，在约束条件和地震波的相互作用下混凝土发生破坏，最终引起洞内新增大量裂缝，而原有裂缝的缝宽、缝长、缝深数量明显增加。经现场检查和测量，大部分裂缝缝宽超过0.2mm，渗水裂缝数量较多，不能自愈，须采取止水补强的综合措施予以修复。

4 裂缝修复要求

为对裂缝采取针对性的治理措施，将其分为有害裂缝和无害裂缝。有害裂缝指对混凝土结构耐久性、安全性、稳定性有危害，裂缝渗水、缝宽大于0.2mm，且不能自愈，以及裂缝密度呈网状等的裂缝。无害裂缝指对混凝土结构耐久性、安全性、稳定性无影响，无渗水，不贯通，缝宽小于0.2mm，且不渗漏水，可自愈的裂缝。无害裂缝原则上只进行表面修补，对有害裂缝的处理则要根据实际情况采取综合的处理措施。紫坪铺工程泄洪排沙洞混凝土震损裂缝属于有害裂缝。

根据有害和无害裂缝的处理原则，从混凝土结构安全性出发，对紫坪铺工程泄洪排沙洞混凝土裂缝宽度大于0.2mm的表干无水裂缝(干缝)进行化学灌浆补强处理；对混凝土表面渗漏水裂缝(湿缝)进行化学灌浆止水补强处理。化学灌浆有效灌浆深度不小于50cm。

5 化学灌浆材料

5.1 选材要求

根据裂缝修复要求，应按照以下要求选择化学灌浆材料：

(1)补强加固要求浆液固化后有较高的强度，能恢复混凝土结构的整体性。由于隧洞裂缝主要受拉应力破坏影响，因此要求材料有较高的抗拉能力。防渗堵漏要求浆材抗渗性好，而不一定要有较高强度。如果要提高强度，则要采取结构加固与其他综合处理相结合的措施。

(2)材料与混凝土裂缝的粘接强度要高，不易脱开，粘接强度大于混凝土本体的抗拉强度最佳。

(3)可灌性。不管是补强加固还是防渗堵漏，重要的一条是所选浆材能够灌入裂缝，充填饱满。灌入后能凝结固化，以达到补强和防渗加固的目的。

化学灌浆材料要考虑黏度低、可灌性好、低温条件能固化、黏接强度高等要素。有水裂缝还要求浆液有好的亲水性能等。

(4)耐久性。选用材料在使用环境条件下性能稳定，不易起化学变化，不易被侵蚀破坏。

(5)对活缝的处理不能选用普通环氧浆材等脆性材料，而要选用弹性环氧、弹性聚氨酯等能适应裂缝伸缩变形的材料。有水裂缝的处理还可选用有弹性的、能吸水膨胀的水凝胶材料。

5.2 浆材选择

国内用于混凝土裂缝化学灌浆的材料种类较多，性能指标各异。按照选材要求，结合经济性，并参考其在大中型水电工程泄洪建筑物中的应用情况，主要从材料抗拉强度、粘接强度、抗渗性等与水工隧洞大体积混凝土裂缝恢复密切相关的指标出发，经对几种不同的干缝和湿缝化灌材料的现场试验块成果对比(见表1、2)后，选择粘度较好的NE-IV型环氧灌浆材料对干缝进行化灌，选择粘接强度可以在原材料配比中根据不同成分的比例进行调整、抗渗性能较佳的LW、HW聚氨酯灌浆材料对湿缝进行化灌。

表1 干缝化灌材料主要指标

表2 湿缝化灌材料主要指标

5.3 NE-IV型环氧与LW、HW聚氨酯的性能

NE-IV型环氧结构胶是一种双组份、低粘度无溶剂环氧树脂灌注材料，具有粘度低、粘接强度高、使用方便、可工作时间长、柔韧性好、无收缩等特点。其指标见表3。

LW是快速高效的防渗堵漏材料，具有良好的亲水性。聚合体具有水胀性，并可通过配方调整其膨胀值，最大可达300%，具有弹性止水和以水止水的双重功能。对大量漏水、微渗水，都有良好的止水效果，抗渗指标达到1.8×10-9cm/s(10%浆液固砂体)；HW既能防渗堵漏又能固结补强，其浆液具有良好的亲水性，遇水能均匀分散，表面活性好，能显著提高潮湿面的粘结强度，又具有高强度、低粘度的特点，有很好的韧性。聚合体在酸、碱中长期浸泡(3年)后的指标性能无异常变化，对环境无污染。HW与LW相辅相成，两者可以任意比例互溶。若以强度为主，HW的比例要高，若以弹性和遇水膨胀性能为主，则LW的比例要增加。两者指标见表4。

表3 NE-IV型环氧结构胶主要力学指标

表4 LW、HW聚氨酯灌浆材料主要技术指标

针对紫坪铺泄洪排沙洞震损裂缝的实际情况，LW与HW按照1∶1的比例进行配置，既兼顾了较强的止水能力，也具备了良好的补强加固能力。

6 化学灌浆施工

6.1 钻孔埋嘴法和无损贴嘴法工艺的选择

目前，混凝土裂缝处理主要有开槽修补法、无损贴嘴法和钻孔埋管法。开槽修补法因对原混凝土结构破坏较大、材料损耗大、开槽处难以修复好等问题已基本不再采用；无损贴嘴法具有工艺简单、无钻孔、无孔容耗浆、成本低、对混凝土无损伤等优点，其难点是灌浆贴嘴的施工工艺，更适用于新浇混凝土出现的裂缝和宽度较大(≥0.2～0.5mm)、内部贯通、连续的裂缝；钻孔埋嘴法能解决开槽法的诸多不利，该方法因施工简单、适应各种裂缝类型而被普遍采用，但存在管容耗浆较大、微细粉尘易堵塞缝面影响灌浆质量的缺点。

紫坪铺工程泄洪排沙洞衬砌混凝土为老混凝土，就单条震损裂缝而言有两个特点：(1)存在时间较长，缝内钙质析出物较多，其中深部裂隙沿裂缝发展方向大多堵塞并不贯通或连续，深浅不一；(2)各种裂缝类型并存，裂缝处理难度较大。

由于无损贴嘴法通过高压冲洗机沿裂缝开口向两边冲洗，以保证缝口敞开无杂物，但不能确保裂缝中部、深部缝段杂物或析出物能得以清除，因此，要满足浆液渗透深度不小于50cm并保证裂缝的中、深部完全充注满浆液的难度大，最终的灌浆质量很难保证。而钻孔埋管法恰恰能通过不同深度的钻孔等工艺措施，大大提高对裂缝中、深部饱满注浆的施工质量，使混凝土的结构安全性得到充分保证。虽然其与贴嘴法相比，存在一定缺点，但可通过对钻孔工艺的控制、加强钻孔浆材的补强能力，加强缝隙通风等措施来尽量避免或减少以上缺点对化灌的影响。另外，由于泄洪排沙洞衬砌段长和厚度大，强度高，设计浆液渗透深度为衬砌壁厚的12.5%～20%，钻孔深度为壁厚的5%～16%，钻孔不会对混凝土产生结构性破坏。因此，从混凝土修复后的结构安全性出发，应首选钻孔埋嘴法作为裂缝补强止水的主要技术措施。

6.2 钻孔埋嘴法修复震损裂缝

6.2.1 施工工艺

钻孔埋嘴法施工工艺简单，操作简便，是该方法得以普遍使用的原因之一。其施工工艺流程是：裂缝清洗→裂缝描述→钻孔→清孔和埋嘴→表面封缝→试漏(通风)→制浆和注浆→拆嘴封孔→待凝检查→表面处理。钻孔纵剖面示意见图1。

图1 钻孔纵剖面示意(cm)

6.2.2 施工措施

钻孔埋嘴法对泄洪排沙洞混凝土干缝和湿缝的处理工艺相互联系而各有不同。表5列出了在紫坪铺工程泄洪排沙洞混凝土裂缝修复中，两类裂缝的施工措施。

在施工过程须特别注意以下几点：

(1)钻孔过程中，若遇到钢筋时需另换孔位；遇到蜂窝面需及时清渣并放慢钻进速度，防止破坏混凝土。灌浆完成后对注浆孔口采用环氧胶泥封孔，孔表面和原混凝土面平顺连接，确保泄洪排沙洞混凝土在高速泄流中，钻孔部位不产生空蚀破坏。

(2)采用在孔中埋双管的方法排除干缝中的水；湿缝渗水量大，需采取打排水孔的方法来降低外水压力，提高浆材的粘接强度和灌浆效果。

(3)为避免粉尘对化学灌浆的危害，须改进和完善试漏和通风，避免微细粉尘对灌浆的影响。

(4)采用电动灌浆泵提供稳定的灌浆压力是保证浆液充填饱满裂缝的关键之一。

表5 紫坪铺工程泄洪排沙洞混凝土衬砌干缝和湿缝的化学灌浆措施

6.2.3 成果检测

(1)压水试验。按照化学灌浆规范要求进行压水试验，在压力不低于0.8MPa时，检查孔吸水量是否小于或等于0.01L/min，若小于则说明灌浆满足规范要求。根据现场实际情况，将试验时压力范围控制在0.7～1.0MPa之间，压水时间控制在10min。经检测，所有检查孔的压水试验测值在0～0.004L/min之间，说明灌浆质量满足规范要求。检查孔采用环氧胶泥封孔，孔口和原混凝土面平顺连接。

(2)混凝土取芯检测。对裂缝化学灌浆后的混凝土取芯，直径10cm，长度为钻取到第一层钢筋时的深度(约10～20cm)。从取芯的外观看，裂缝及钻孔灌浆液注饱满，芯样的劈裂抗拉强度检测均值为2.06MPa，大于C50混凝土抗拉强度设计值(ft=1.89MPa)，说明浆材和裂缝的粘接良好，满足混凝土结构抗拉强度要求。取芯孔采用NE-Ⅱ环氧砂浆封孔，孔口和原混凝土面平顺连接。

7 结论与思考

通过对化灌材料和工艺的分析，可以得出以下主要结论：

(1)选择NE-IV型环氧和LW、HW聚氨酯结合钻孔埋嘴法化学灌浆技术应用于紫坪铺工程泄洪排沙洞震损裂缝的修复是科学和有效的。

(2)在施工过程中要注意对缝屑和缝内积水的清理，渗水严重的须采取有效的排水或止水措施，要保证灌浆压力的稳定。灌浆孔和检查孔要封闭严实且抗冲耐磨，孔口须与原混凝土面平顺连接，确保泄洪排沙洞高速过流时混凝土无空蚀破坏。

(3)灌浆材料应根据缝的宽度、渗水情况及处理的结构要求进行选择。低粘度、低收缩的环氧浆材是较好的选择。

无损贴嘴法是较钻孔法在成本、耗浆量、对混凝土无破坏等方面更有优势的一种先进的化灌技术。但针对大体积、高流速水工隧洞混凝土裂缝修复，其还需在贴嘴工艺和灌注陈旧性非贯通、非连续深裂缝的工艺上继续创新和完善。钻孔埋嘴法目前存在问题对化灌的影响，可通过施工控制来避免或减轻，今后仍需通过工艺和材料的不断创新来解决，可作为混凝土裂缝治理技术发展过程中一个新的探索。

参考文献：

[1] 葛家良.化学灌浆技术的发展与展望[J].岩石力学与工程学报，2006，25(增2)：3384-3386.

[2] 邵国维.水工地下隧洞衬砌混凝土渗水裂缝处理[J].中国三峡建设，2002(7)：1-3.