聚氨酯低压注浆技术在大坝渗漏处理中的应用

李 伟

(辽宁润中供水有限责任公司,辽宁 沈阳 110000)

碾压混凝土重力坝以其施工速度快、温控措施简单、工程造价低等诸多优点,在得到了大量应用[1]。上世纪末期,我国东北地区修建了观音阁、白石、温泉堡等多座大型碾压混凝土重力坝。但由于工程技术原因,我国寒冷地区的碾压混凝土重力坝裂缝和渗漏状况比较严重,如何进行修补加固已经成为水利工程研究领域的重要课题。

1 白石水库大坝概况

白石水库坐落在辽西地区主要河流大凌河的干流上,是一座兼具防洪、灌溉、供水、发电、养殖等功能的综合性大型水利枢纽工程[2]。水库的设计库容为16.45亿m3,控制流域面积1.76万km2。水库大坝为碾压混凝土重力坝,最大坝高50.3m,大坝全长513m,由挡水坝段、溢流坝段、取水坝段和电站坝段组成[3]。

白石水库所属流域为温带大陆性季风气候,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,多年平均气温为8.5℃[4]。由于库区冬季寒冷漫长、且冷空气活动十分频繁,当前强寒潮侵袭时,往往会出现比较剧烈的降温。因此,坝面附近混凝土的内外温差较大,极容易受温度荷载的影响而产生裂缝。

对水库大坝的定期检查发现,上游坝面的主要缺陷就是坝面裂缝。其中,3～28#坝块发现27条明显的裂缝,其出现的位置基本上是每个坝段垂直于水流方向的1/2到1/3处。对上述裂缝进一步进行超声波测试,结果显示其中的大部分裂缝已经贯穿了坝体表面的常态混凝土防渗层,同时在水位下降过程中可以观测到部分裂缝有明显的渗水痕迹。另一方面,监测结果显示大坝廊道的渗排水量周期性特征十分明显。每年的冬季低温期,廊道的渗排水流量明显加大,而随着春季到来,渗流量则逐渐减少、并最终消失。由此可见,大坝渗漏与温度荷载作用下大坝裂缝的伸缩有明显关联。此外,受渗漏和冬季低温的共同影响,大坝下游面渗水点附近的混凝土有比较明显的冻融破坏现象,一般表现为麻面和剥蚀。

2 坝体裂缝的形成机理与处理原则

2.1 形成机理

结合相关的研究结论与白石水库大坝具体情况,分析认为大坝裂缝的形成原因主要有以下几个方面。

(1)白石水库处于北方寒冷地区,年平均气温较低,这必然导致坝体本身的稳定温度较低,而大坝施工中夏季浇筑的混凝土入仓温度较高,所以大坝的基础温差很大,增大了控制基础贯穿性裂缝的难度[5]。

(2)白石水库处于辽西地区,位于冬季寒潮的主要移动路径上,寒潮活动十分频繁。在温度剧烈变化时坝面混凝土的内外温差较大,极易诱发坝面的表层裂缝,并进一步发展为劈头裂缝。

(3)由于白石水库地区冬季寒冷、夏季炎热且要度汛,在大坝浇筑施工中,每年都有几个月的停浇期。浇筑施工的长间歇导致上下层混凝土温差较大,在越冬面和度汛面附近容易形成渗水通道。

(4)白石水库大坝属于典型的“金包银”防渗结构的碾压混凝土重力坝,其外层的常态混凝土防渗层厚度为3.5m、施工浇筑层高度为2.5m。由于防渗层和碾压混凝土之间、防渗层的浇筑层之间存在薄弱层,容易诱发结构性裂缝。每个坝段垂直于水流方向的1/2到1/3处极容易形成垂直连续裂缝,这种裂缝一旦贯穿常态混凝土防渗层,就会形成渗水通道。白石水库坝体渗漏主要是这种裂缝造成的。

2.2 处理原则

监测结果和理论分析均显示,在冬季低温季节,坝体裂缝加宽,渗径阻力系数减小,造成坝体的渗排水量加大。下游坝面的水平施工缝,特别是越冬面和度汛面形成的施工缝渗水情况最为严重。如果仅在下游面进行封堵,显然是治标不治本,并不能从根本上解决问题。如果对下游坝面的渗漏点进行封堵,势必会增加坝体内部的渗水压力,不仅不利于坝体稳定,还必定会形成新的渗水出漏点。因此,对寒冷地域的碾压混凝土重力坝必须坚持“上堵下排、防渗为主”的渗漏处理原则。目前,针对上游坝面裂缝造成的坝体渗漏,通常做法是进行灌浆补强。但是,无论采用普通水泥灌浆还是超细水泥灌浆,实际效果均不理想,甚至个别位置还会发生跑动,而封堵掉原有的排水系统；如果在灌浆补强过程中的灌注压力控制不当,还有可能形成新的裂缝。此外,对于北方寒冷地区的碾压式混凝土重力坝,其上游坝面裂缝虽然会对坝体稳定造成一定影响,但是一般不会导致坝体失稳,其主要危害在于下游坝面混凝土耐久性的降低。因此,对白石水库大坝上游坝面的裂缝应以防渗为主要处理目标。

3 聚氨酯低压注浆技术的选用与施工

3.1 传统水泥灌浆的局限

传统水泥灌浆属于高压瞬间灌浆,其灌浆压力通常为6kg/cm2。这种高压灌浆属于典型的瞬间,对宽度较大的裂缝具有良好的灌注补漏作用,原因是缝隙间的间隙较大,可以在瞬间填充。但是,高压瞬间灌浆过程中,浆液受压力的影响并不会仅向排气座方向渗透,并最终导致“气阻”发生。因此,即使使用流动性大的超细水泥浆,能起作用的缝隙宽度为0.15mm。因此,传统灌浆技术在处理宽度较窄的混凝土内部裂缝方面作用极其有限。

3.2 聚氨酯低压注浆技术原理

聚氨酯灌浆材料是将多氰酸酯与多基聚醚进行化学合成而获得的一种高分子有机材料[6]。其水溶性浆液可以与水发生剧烈的化学反应,反应生成物是不溶于水的弹性凝胶和大量的CO2气体。其中,弹性凝胶会造成浆液的粘稠度增大,而CO2气体的膨胀作用会推动浆液沿缝隙向四周扩散,使空隙充填密实,从而达到防渗止水的目的[7]。

3.3 聚氨酯浆液优点

(1)聚氨酯浆液的亲水性与水利工程的潮湿环境极为适应,遇水即可发生反应,然后乳化、发泡并自行分散,产生良好的止水效果[8]。

(2)聚氨酯浆液和水反应形成的凝胶体不仅具有良好的抗渗性和延展性,耐低温性能亦十分突出,对白石水库库区这种年平均气温低,气温年内波动变化的北方寒冷地区的气候特点相适应。

(3)聚氨酯浆液和水反应形成的凝胶体化学性能稳定,无毒、无害、无污染,对白石水库这种承担着城市供水功能的水工建筑物缺陷修复具有特殊意义。

(4)聚氨酯浆液与水反应可产生大量的CO2气体,在气体膨胀的压力下,浆液可被压进结构空隙,这种“二次渗透”的特点,可以使混凝土内部裂缝被完全填充密实。特别适用于白石水库大坝这种“金包银”式碾压混凝土重力坝上游坝面内部缺陷造成的渗漏。

(5)由于常态混凝土防渗层的厚度一般在3～4m,这就决定了其内部的贯穿性裂缝的长度不会超过此数。聚氨酯浆液包水量大、膨胀性好,相比普通水泥浆液更具有可灌性,在灌注施工中可以采用低压持续灌浆的工法,从而最大限度保证修补质量。

3.4 聚氨酯低压灌浆工艺的施工要点

(1)确定大坝渗漏的入渗点位置。在灌浆施工开始前,工程管理和设计人员应该结合平时检查结果确定大坝渗漏的入渗点位置。如果坝面被水大片浸湿,无法准确确定漏水点位置,则可先将坝面上的水迹擦拭干净,然后均匀撒上干水泥,等三五分钟之后,水泥粉被浸湿的部位就是渗漏点。

(2)渗漏部位的表面处理。首先利用钢丝刷清理裂缝部位的尘土、淤泥和水垢,清理的宽度为缝隙两侧各5～10cm；表面清理干净之后,利用锤子和钢钎将裂缝周围剥离、松动的混凝土全部清除干净,露出坚实的混凝土表面,并用抹布擦拭干净。如果混凝土表面有油污,可以用抹布蘸丙酮擦拭。

(3)打灌浆孔。根据裂缝的具体情况布置灌浆孔,孔径14mm,间距200mm。

(4)清孔。用清水对灌浆孔进行清洗,清除打孔时残留在孔内的粉尘。

(5)埋嘴封缝。在埋设好专用的灌浆孔之后,利用高强封缝涂料或快干水泥进行表面封缝。

(6)试压。在正式灌浆前要进行压水试验,试验压力掌握在0.5MPa左右为宜。

(7)灌浆。在灌浆开始前先利用压缩空气将缝隙内残存的水分吹干净,使缝隙内达到无水或干燥状态,提高灌浆效果；白石水库的坝面裂缝均为垂直走向,在施工中应采取自下而上的灌浆顺序；灌浆施工的初始压力设定为0.1MPa,然后逐步提高灌浆压力至0.5MPa,当灌浆孔见浆后即可关闭其孔,但是还应持续压浆至不能再进浆后关闭阀门,然后保持压力稳定5～10min,灌浆即可结束。

(8)缝面整理。待浆液凝固后,首先切除灌浆嘴的外露部分,然后用1∶2水泥砂浆进行封填,使表面恢复原状。

(9)上游坝面的部分裂缝已经深入水面以下。因此,尽量在气温适宜、水位较低的4、5月份进行灌浆施工。如有必要,也可以实行水下施工。

4 结语

由于坝体结构、气候特征和施工工艺等诸多因素的影响,碾压混凝土重力坝渗漏现象比较普遍,是此类大坝的主要共性缺陷。北方寒冷地区的碾压混凝土重力坝上游坝面的裂缝不仅会造成严重的渗漏问题,还会造成坝面混凝土冻融破坏,进而影响坝体本身的安全性和耐久性。从工程经验来看,传统水泥灌浆处理上述缺陷效果不佳,而充分利用聚氨酯灌浆工艺,在低水位期间在上游坝面采用低压持续灌浆堵漏可以取得较好的封堵效果。

[1] 梁慧兰, 詹靑文. 江西山口岩碾压混凝土坝防渗方案设计与施工[J]. 人民长江, 2015(21): 68- 70+97.

[2] 吴凡. 白石水库生态影响与下泄流量计算分析研究[J]. 水利技术监督, 2016(06): 125- 128.

[3] 张磊, 何俊仕, 刘洋. 白石水库泥沙淤积影响因子计算分析[J]. 水电能源科学, 2012(04): 87- 89.

[4] 刘福玉. 白石水库施工导流优化方案探讨[J]. 水利规划与设计, 2015(10): 64- 65+72.

[5] 袁自立, 马福恒, 李子阳. 石漫滩碾压混凝土重力坝渗流异常成因分析[J]. 水电能源科学, 2013(05): 42- 45.

[6] 刘广建, 陈冲冲, 陈国富. 新型聚氨酯灌浆材料的研制[J]. 塑料, 2012(04): 38- 39+105.

[7] 刘玉亭, 孙德文, 冉千平, 等. 高性能水活性聚氨酯灌浆堵漏材料的制备与性能研究[J]. 中国建筑防水, 2015(01): 11- 14+20.

[8] 郑先军, 王新锋, 段存业. 煤矿用聚氨酯灌浆加固材料性能研究及应用[J]. 聚氨酯工业, 2015(05): 34- 37.