混凝土坝裂缝灌浆关键技术问题探讨

陈彦玉

混凝土坝裂缝灌浆关键技术问题探讨

陈彦玉

（北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191）

混凝土坝施工期或运行期常出现不同程度的裂缝，灌浆作为修补混凝土裂缝的一项主要技术，能显著提高坝体整体性和承载力。结合国内外混凝土坝裂缝灌浆修补的工程实例，对灌浆技术的应用进行阐述，并对其中几个关键技术问题：灌浆时机的选择、灌浆压力的合理取值及灌浆效果评价方法等进行了探讨。

混凝土裂缝；灌浆；灌浆时机；灌浆压力；灌浆效果评价

1 概 述

大坝等大体积混凝土结构，施工期和运行期常因温度变化而产生较大的拉应力，由于混凝土抗拉强度较低，在拉应力的作用下坝体混凝土常出现不同程度的裂缝［1］。裂缝不但影响结构的美观和混凝土的耐久性，甚至还会给结构的整体安全性带来隐患。目前，混凝土坝建设仍没有摆脱“无坝不裂”的历史，防止裂缝是坝工结构设计和施工中的重要课题。

灌浆技术作为修补裂缝的常用手段，其主要原理是通过灌浆泵等压送设备将浆体灌入裂缝内，使其渗透、扩散、胶凝或固化，以恢复坝体的整体性及其承载能力。上世纪初，为提高水闸基础的抗渗性和承载力，法国工程师Charles首次成功地将水泥浆注入水闸地基裂隙中，并取得了良好的效果［2］。此后，新型灌浆材料的不断涌现及丰富的工程实践经验，推动了灌浆施工技术和理论的不断发展。

混凝土裂缝问题本身较为复杂，灌浆过程中浆体与坝体混凝土存在流固耦合作用，同时叠加早期残余温度应力，使得混凝土坝裂缝灌浆机理更为复杂。工程实践表明，有的灌浆效果较好，达到了预期目的，但也不乏灌浆过程中出现裂缝扩展等失败的案例。究其原因，主要是对浆体与混凝土间耦合作用的机理及浆体压裂过程中裂纹扩展规律研究不够。因此，开展灌浆作用下，混凝土坝裂缝及灌浆效果研究具有重要的工程意义。本文在总结已有的工程实践和相关理论的基础上，探讨混凝土坝裂缝灌浆修补中存在的主要问题和研究思路，以期为后续的研究工作提供参考。

2 国内外混凝土坝裂缝灌浆修补工程实践

作为一种常见的裂缝修补措施，灌浆技术在坝工界受到高度重视。该技术的应用成功地解决了许多工程技术难题，并取得了良好的效益。

我国的灌浆技术发展，源于上世纪50年代。当时为应对三峡工程中可能出现的裂缝，长江科学院等单位相继开展混凝土灌浆补强工作的研究［3］。三峡二期工程因温度应力出现不同程度的裂缝，采用化学灌浆技术修补，取得了良好的工程效果［4，5］。

国外有关灌浆技术在混凝土坝中的应用较早。上世纪初，灌浆技术就应用于修补大坝基础，以提高坝基整体性和承载力［6］。随着灌浆材料的不断涌现和灌浆工程实践经验的积累，灌浆技术取得了长足的进步。在Big Eddy重力坝水平施工缝修补过程中，首次提出了最大灌浆压力的概念［7］；瑞士坝工专家Lombardi提出灌浆强度值法，即GIN法，通过定义GIN的取值，来防止灌浆过程中裂缝的张开和扩展［8］，该法在国内外大坝裂缝修补中均得到广泛应用。

国内外应用灌浆技术修补大坝裂缝的实例很多，包括成功的、较成功的及失败的。典型工程实例如表1和表2所示。

表1 国内混凝土坝裂缝灌浆修补工程实例Table 1 Examples of repaired concrete dams by grouting in China

表2 国外混凝土坝裂缝灌浆修补工程实例Table 2 Exam ples of repaired concrete dams by grouting in foreign countries

通过以上工程实例，可以获得以下几点认识：

（1）新型灌浆材料的不断涌现。从早期水泥浆到现在的各种化学材料，如环氧树脂、水溶性环氧浆材等，灌浆材料不断向低成本、高强度、高抗渗性、绿色无污染的方向发展。

（2）灌浆施工工艺日趋成熟。通过国内外大量大坝裂缝灌浆实例，已总结出系统的灌浆施工步骤，如裂缝普查→钻孔与埋管→表面封缝→清洗与压水试验→灌浆→质量检查验收等［9］，便于现场工人操作。

（3）灌浆理论的匮乏。由于目前灌浆多是结合以往工程经验或现场试验开展的，灌浆指标的确定和灌浆效果的评价均缺乏理论层面的研究。工程中灌浆理论的匮乏与灌浆技术的迫切需求极不协调。

3 混凝土坝裂缝灌浆中几个关键技术问题

众所周知，灌浆技术在混凝土坝裂缝修补中的工程实践远远超出其基本理论研究。为满足工程需要，灌浆指标的确定多局限于现场试验或借鉴类似工程经验，这既是科学研究的逻辑步骤，也是在缺乏理论研究成果下的权宜之计。原因是多方面的：混凝土裂缝问题本身的复杂性，导致灌浆前坝体的应力状态较难确定；灌浆过程中，浆体与裂缝处混凝土存在流固耦合作用，且关系到裂缝扩展的判别，机理较为复杂；灌浆结束后，浆体与坝体混凝土成为整体，灌浆效果的评价涉及到非线性分析问题［26］。目前，混凝土坝裂缝灌浆修补中，工程界极为关注的几个问题，如灌浆时机的选择、合理的灌浆压力及灌浆后效果评价等，并没有理论层次上的深入分析。因此，灌浆作为一种技术手段，其理论基础的匮乏与实际工程的需求存在严重的矛盾。以下结合已有灌浆理论和工程实践，就上述3方面问题进行探讨。

3．1 灌浆时机的选择

由于坝体混凝土对温度变化较为敏感，裂缝产生后，在周而复始的气温变化作用下，裂缝张开位移（Crack Mouth Opening Displacement，CMOD）随之变化，并有可能扩展或出现新裂缝。灌浆时机的选择直接关系到灌浆效果：灌浆过早，当遭遇气温骤降或二期冷却时，浆体和裂缝处混凝土结合面有脱开的可能；若在裂缝产生很久后开始灌浆，一方面会影响施工进度，另一方面，混凝土表面会出现“白华”现象，严重影响浆体和混凝土的粘结效果［27，28］；此外，在温度应力作用下，原有裂缝有可能扩展或出现新裂缝。目前，国内外常见的做法是：对于浅表裂缝，发现后立即进行灌浆处理，对于深层裂缝，一般在第一年冬季进行灌浆，如果灌浆效果达不到预期目标，则进行二次灌浆，如三峡二期工程中出现的裂缝，在12月至2月低温季节期间对裂缝进行处理［4］。上述灌浆时机是在总结国内外灌浆效果并结合现场试验的基础上提出的，目前对合理灌浆时机的确定从理论层次上仍没有合理的解释。

对于坝体混凝土施工期内出现的裂缝，由于此时混凝土只承受温度荷载，灌浆时机的研究可从以下两方面入手：其一，分析完整坝体混凝土在内部水化热及外界气温作用下的温度场和应力场，找出应力最大的时刻，作为灌浆的最佳时机。气温降低时，由于没有考虑裂缝产生后坝体混凝土应力重分布，导致计算的应力往往偏大，但这种计算仍具有指导意义。因为一般来说，温度应力越大，裂缝张开位移也越大，灌浆结束后，后期裂缝闭合产生的压应力保证了浆体与混凝土之间的有效粘结。其二，在进行混凝土温度场和应力场仿真时，引入混凝土开裂模型来模拟既有裂缝，通过分析外界气温变化情况下裂缝张开位移，判断最佳灌浆时机，在裂缝起裂前进行灌浆。但由于目前混凝土温度场和应力场的求解基于线弹性理论，混凝土开裂问题则涉及到非线性问题，且裂缝与坝体混凝土的尺寸在数量级上相差较大，采用传统的重新划分网格的有限单元法基本很难实现。程井等提出基于修正衍射准则的不连续面裂纹模拟方法，应用无单元伽辽金法（Element Free Galekin Method，EFGM）计算温度应力以及由温度应力引起的裂纹扩展［29］，由于采用的是线弹性断裂力学原理，其有效性和合理性有待进一步研究。

3．2 灌浆压力的合理取值

灌浆压力涉及到两方面的矛盾：灌浆压力过小，在裂缝处可能存在未粘结的地方，达不到修补裂缝、提高承载力的目的；由于裂缝尖端存在应力集中区域，过大的灌浆压力易导致裂缝扩展，适得其反。因此，合理的灌浆压力是指既能达到灌浆密实的效果，又能防止裂缝扩展的压力。在Big Eddy混凝土重力坝灌浆修补中，为了防止灌浆压力过大导致裂缝扩展，首次提出合理灌浆压力的概念，并对灌浆压力的取值进行了研究，采用水泥浆进行灌浆后，提高了坝体抗渗性和结构整体性［7］。在混凝土坝裂缝修补过程中，不乏因灌浆压力过大致裂缝扩展的实例［21］，究其原因，主要是对浆体与混凝土间耦合作用的机理及浆体压裂过程中裂纹扩展规律研究不深入。

灌浆过程的实质是浆体在裂缝中流动，如图1［30］和图2［31］所示，浆体与混凝土存在流固耦合作用，合理的灌浆压力既要保证裂缝处浆体和混凝土之间有效粘结，又要防止裂缝进一步扩展。目前国内对合理灌浆压力的选择，亦多基于现场压水试验或者类似工程经验，在理论层次上对灌浆压力合理取值进行研究的报道较少。张国新等从Ⅰ型二维裂纹模型出发，对混凝土裂缝灌浆的临界压力以及灌浆压力对裂缝稳定性的影响进行定性分析，确定了不同缝长和约束条件下的混凝土裂缝安全灌浆压力［32］；连志龙等基于流固耦合理论，导出平行裂缝内层流流动压降方程，以临界应力作为裂缝扩展原则，模拟了水力导致的裂缝扩展问题［33］，该过程与灌浆过程十分相似，可能成为合理灌浆压力数值模拟的突破点。由于浆体多具有凝聚力和粘度，属于伯明翰流体，Amadei给出了伯明翰流体沿裂缝流动时的平衡方程，并根据裂缝表面的不光滑特性对压力梯度进行修正［34］。ITASCA公司开发的二维离散元软件能对灌浆过程中的流固耦合进行模拟，但混凝土灌浆过程中裂纹扩展准则如何确定，并没有标准可循。

图1 浆体在裂缝中扩散及裂缝表面压力分布Fig．1 The grout spread and the pressure on the fracture surfaces

图2 浆体与裂缝处混凝土粘结图像Fig．2 Cementation Photograph between concrete and grouting

灌浆过程涉及到流体力学、流固耦合以及断裂力学等多学科知识，同时叠加早期残余温度应力，合理灌浆压力的数值模拟有待于进一步研究。

3．3 灌浆效果评价方法

裂缝修补完成后，在正常蓄水或遭遇地震等其他特殊荷载时，能否安全运行是工程界最为关心的问题。目前工程中常用的灌浆效果评价方法有压水试验、钻孔取样及声波探测等［12，35］，这些手段在一定程度上能反映灌浆的补强效果；其局限性在于：检测方法尚不成熟，缺乏相应的判断标准，尤其不能反映灌浆后坝体整体应力状态。目前，混凝土坝裂缝灌浆修补完成后，坝体整体应力状态并没有合理、统一的评价方法，国内外一般借助于数值方法对修补后的坝体应力状态进行评价。

李九红等对青铜峡电站坝段的3大条贯穿裂缝，运用ANSYS－CAE和SAP有限元软件，模拟分析了灌浆后裂缝处的应力应变特性，并与完整结构、裂缝结构的模拟分析成果进行对比，分析了裂缝灌浆后对整体稳定性和裂缝局部应力的影响，结果表明灌浆修补后大坝满足安全运行要求［12］。Pierre Leger采取二维离散元分析软件UDEC，对一座90m高的重力坝灌浆修补后的坝体响应进行全过程仿真，分析灌浆后坝体的应力状态［26］。

常规检测方法只能定性表达灌浆的局部效果，不能反映坝体整体应力状态，数值方法的优势在于：能对修补后的坝体进行全过程仿真，并综合评定灌浆后坝体整体性及灌浆效果。但由于灌浆后，浆体与混凝土粘结状态不可视，准确描述二者的接触性态存在困难，导致无法确定接触问题数值模拟中的参数。

4 结 语

混凝土坝开裂问题是工程界备受关注的问题，本文结合国内外混凝土坝裂缝灌浆修补工程实例和相关理论进展，对灌浆中的几点关键技术问题进行了探讨，以期为后续的研究工作提供参考。

（1）目前国内外在灌浆实践方面，有丰富的工程经验，并在灌浆材料和灌浆设备的研发方面取得了长足的进步。对混凝土开裂理论、温度场和应力场数值模拟的研究也比较深入，但将混凝土开裂模型引入到混凝土温度应力场分析中较困难，原因是目前温度场和应力场的求解多是基于线弹性理论，而混凝土开裂问题涉及到非线性问题，使得灌浆前、开裂后坝体混凝土的初始应力难以描述。

（2）灌浆过程涉及到流体力学、流固耦合以及断裂力学等多学科知识。虽然流固耦合等理论比较成熟，但将多场耦合与裂缝扩展结合起来，同时叠加早期残余温度应力，在数值模拟方面仍存在较大困难，导致目前对灌浆压力的确定仅局限于现场试验或借鉴类似工程经验。

（3）对于修补后的大坝灌浆效果评价，目前尚缺少合理、统一的方法。常规的检测方法只能定性地分析，缺乏相应的评判标准，即使采用数值方法进行全坝非线性仿真分析，混凝土与浆体之间接触参数的描述仍存在困难。

（4）灌浆技术的成败关系到整个坝体的修复效果及安全性。在灌浆之前，对裂缝及开裂后坝体应力状态应有合理描述；灌浆压力的合理取值除借鉴类似工程或现场试验外，应开展灌浆过程的数值模拟研究；灌浆过程中应加强裂缝张开位移的实时监测，防止灌浆压力过大导致裂缝扩展；灌浆结束后，应对整个坝体的灌浆效果进行评价，尤其是特殊荷载作用下坝体应力状态。建议对坝体裂缝灌浆进行全过程仿真分析，以达到修复坝体、提高其安全性的目的。

致谢：感谢加拿大蒙特利尔大学土木工程系Pierre Leger教授为本文的撰写提供了部分基础资料。

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（编辑：刘运飞）

Discussion on Key Technical Problems of Grouting to Repair Cracks in Concrete Dam s

CHEN Yan-yu
（Traffic Science and Engineering institute，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

Cracking is a common phenomenon in the construction or operation period of concrete dams due to the low tensile strength of concrete．Grouting is considered to be an effective approach to repair the concrete crack，which can reinstate the integrity and bearing capacity of the dam．The stresses of concrete dam are redistributed by cracks before grouting；the effect of solid-fluid coupling exists between the concrete and the groutingmaterial，and excessive grouting pressure easily leads to crack propagation during grouting；the new state of stress appears as the grout sets，so the effect of the grouting needs to be reasonably evaluated．In this paper，the application achieve-ments of grouting in reparing cracks of concrete dams were reviewed．Then，some problems concerned were dis-cussed，such as the grouting opportunity，themaximum grouting pressure to avoid hydro-fracturing，and the reason-able evaluation method of grouting effect in the repaired dam．

concrete crack；grouting；grouting opportunity；grouting pressure；evaluation of grouting effect

TV543

A

1001－5485（2011）03－0054－05

2010-04-06

陈彦玉（1984-），男，北京市人，硕士研究生，主要从事准大体积混凝土结构温控防裂研究，（电话）13426017731（电子信箱）che-nyanyu0140＠163．com。