浅析化学灌浆在坝体裂缝处理中的应用

胡 清 焱， 王 抗， 张 国 寿， 侯 丽 君

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

老挝色拉龙一级水电站以发电为主，主要建筑物由碾压混凝土重力坝、溢流坝、坝式取水口、坝后式发电厂房、主变GIS楼及尾水渠等组成，水库总库容为9.53亿m3，额定水头46 m，电站装机容量为70 MW，安装2台混流式机组，年平均发电量为2.7亿kW·h。

枢纽区拦河大坝为碾压混凝土重力坝，混凝土坝顶全长459 m，坝顶高程219.5 m，最大坝高64.5 m，从左岸至右岸依次为长175 m的左岸重力坝段，长71 m的溢流坝段(布置4个溢流孔)，长19 m的导流底孔坝段，长34 m的厂房进水口坝段，长160 m的右岸重力坝段。

大坝分为23个坝段，坝基C9020二级配常态混凝土底板为固结灌浆的盖重层，上部为碾压混凝土坝体。

(1)大坝坝基地质条件。大坝建基面主要为J2-4厚层砂岩，间夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩或泥岩透镜体，基础下部岩性为砂岩与泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩互层，软硬相间。各岩层之间接触良好，结合紧密，但泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩强度低，为软岩或较软岩。J2-4层砂岩中见透镜体状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩或泥岩夹层。

(2)采石场地质条件。原设计的1#料场因砂岩整体品质较低，进场后已废弃，采用新开辟的2#、4#料场替代原1#料场，目前使用的2#料场为主料场。2#料场距坝址约3 km，开采面积为4.4万m2，有用料厚度为2～7.3 m，平均为4.6 m，主要为青灰色砂岩，砂岩单轴饱和抗压强度为40.4～82.9 MPa，平均强度为66.2 MPa，属中硬岩。

坝体裂缝主要集中在2 m厚的常态混凝土底板上，裂缝为纵横向的贯穿性裂缝，各坝段裂缝数量不等，分布较为随机，裂缝宽度约为1～4 mm，深2 m，出现时间主要集中在底板常态混凝土浇筑后的3～15 d内，通过裂缝测缝计观测，发现裂缝发育一个月后基本趋于稳定。

2 裂缝成因分析及影响

2.1 裂缝成因分析

(1)砂岩坝基地质问题。坝址区为砂岩地质条件，坝基砂岩水平向缓倾向下游分布，前期勘探钻孔和进场后开挖揭露出的实际地质情况表明，水平向夹层裂隙较发育，夹层为粉砂质泥岩和泥质粉砂岩，层厚约10～15 cm，为软弱层；同时，坝基局部泥质粉砂岩开挖后遇水较易风化崩解，使坝基承载力不均匀，导致坝体出现贯穿性裂缝。

(2)砂岩骨料问题。由于采石料场岩性为砂岩，而砂岩抗压强度相对较低、稳定性差(较离散)，成品骨料压碎值偏高，骨料线膨胀系数大，吸水率高、易软化，磨耗性高，转运和搅拌过程中易产生石粉，部分指标接近或已超出规范要求，对混凝土强度有一定的影响。为保证混凝土强度，在增加水泥用量后导致坝体水化热偏高。

(3)现场混凝土温度控制问题。工程区地处老挝南部，旱季白天气温相对较高，昼夜温差较大。尽管采取了对混凝土出机口温度控制、坝体冷却水管通水流量控制、日常性的养护、重点部位保温膜覆盖等温控措施，但只能在一定程度上制约坝体裂缝的进一步发育。

2.2 裂缝对坝体安全的影响

(1)形成渗漏通道。若坝体上游裂缝处理不好，在大坝蓄水后会形成渗漏通道，进而影响上游灌浆廊道等建筑物的使用功能；同时有可能沿上游面裂缝发生水力劈裂，使裂缝进一步发育，形成贯穿性裂缝而危及坝体安全；或带走混凝土内的部分元素，锈蚀钢筋，亦会降低坝体的耐久性。

(2)改变坝体应力分布。坝体出现裂缝后，会使坝体内部的应力重新分布，出现应力集中区，导致上游块压应力集中，下游块拉应力集中，这些应力集中部位有可能会超过混凝土的抗拉强度，造成混凝土局部破坏，进而影响到大坝的整体安全和稳定。

3 裂缝处理材料及设备

3.1 裂缝处理材料

(1)YDS环氧灌浆材料。裂缝灌浆采用高渗透性的YDS环氧树脂灌浆材料，可灌入0.01 mm的微小裂缝，且其具有强度高、粘结性好、流动性好等特点，浆液凝固后能很好地和混凝土粘结在一起，使结构物恢复其整体性。 YDS环氧浆材的主要指标见表1。

表1 YDS环氧浆材主要指标表

注：检验依据《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》(HC/T1041-2007)。

(2)预缩砂浆。拌制良好的预缩砂浆具有较高的抗压、抗拉强度，与原混凝土的粘结强度亦较高，常用于修补混凝土裂缝和其他缺陷。预缩砂浆施工配合比见表2。

表2 预缩砂浆施工配合比

3.2 裂缝处理设备

为保证裂缝处理质量与高效施工，造孔采用YT-28型手风钻和电钻，灌浆设备为DH-512微型高压电动注浆机，洗孔设备采用SDB-6.3型手动试压泵冲洗，打磨采用角磨机。微型高压电动注浆机性能参数见表3。

表3 DH-512微型高压电动注浆机性能参数表

4 裂缝处理施工工艺及方案

4.1 裂缝处理工艺

凿U型槽→造孔→高压水洗孔及压水检查→用风吹干裂缝积水→表面镶缝及埋设灌浆管→化学灌浆→表面处理。

4.2 裂缝处理方案的实施

4.2.1 凿U型槽

沿裂缝缝面用电镐凿5 cm×5 cm(宽×深)的U型槽，然后用高压水将槽内缝面冲洗干净，观察缝口的状况；对渣粒或浆皮封住缝口的地方用薄刀片挑开缝口，再用高压水冲洗，待缝面干燥后进行贴嘴以及打斜孔处理。

4.2.2 造孔施工

(1)采用YT-28手风钻钻孔，孔径32 mm。沿缝两侧钻斜孔(深孔)，孔深2 m，孔距1.5 m，梅花型布置；孔距裂缝中心线38.8 cm，钻孔角度为15°，该孔在缝深1.5 m处交叉，钻孔均斜穿裂缝。

(2)在两灌浆孔中心线上，沿裂缝两侧交错布置浅孔(灌浆孔兼作排气孔)，电钻造孔，孔径15 mm，孔深40 cm，孔距1.5 m，梅花型布置；孔距裂缝中心线7.8 cm，钻孔角度为15°，该孔在缝深29 m处交叉；钻孔均斜穿裂缝。

(3)在U型槽中部缝口设骑缝孔，埋设φ15PVC管，为灌浆排气孔，间距1.5 m，与深孔平行布置。

(4)钻孔自下而上顺序进行；所有孔(包括灌浆孔和排气孔)均一次钻完。在混凝土表面采用预缩砂浆或其他方法粘贴灌浆贴嘴和灌浆斜孔。灌浆孔与灌浆嘴应粘贴牢固以保证灌浆效果。

4.2.3 洗孔及压水试验

(1)洗 孔：待全部钻孔完成后，采用高压水清洗缝面，冲洗自上而下逐孔进行，冲洗压力为0.2～0.3 MPa，直至缝面清洗干净为止(即缝面出水清净)。

(2)压水检查：洗孔结束后，采用压力水检查其是否畅通，并根据出水点打孔埋设排气管，封闭缝面，压水压力为灌浆压力的80%。

(3)压水检查结束后，用高压风吹干缝内的积水。

4.2.4 嵌缝及预埋灌浆管

(1)骑缝孔的设置。骑缝孔为φ15PVC管，先将其插入U型槽内的预先钻孔位置，并将其固定。

(2)预缩砂浆的制备。将按比例配置的砂与水泥混合，并反复翻拌3～4次，使之混合均匀，再加水(水中已加入减水剂与引气剂)翻拌3～4次。砂浆的稠度以手捏成团、手松砂散、手面潮湿又析不出水为度。拌好后的砂浆仍为松散体，将其归堆存放0.5～1.5 h，使砂浆预缩。

(3)预缩砂浆的填充。预缩砂浆的填补施工按分层铺料捣实、逐层填补的程序进行。填补预缩砂浆前，先在接触面薄涂一层厚约1 mm、水灰比为0.45～0.5的水泥素浆，然后再分层填入预缩砂浆，每层铺料厚度为2～3 cm，用木锤拍打捣实至表面出现少量浆液为度。层与层之间应用钢丝刷刷毛，以加强层间结合，如此反复进行至预填表面为止。预缩砂浆应在拌制好后的2 h内用完。

(4)养 护。施工完成4～8 h后，应用塑料薄膜覆盖，保温保湿。

4.2.5 化学灌浆的施工

(1)浆液配制。根据厂家提供的浆液配合比进行掺配，并保持浆液温度在25 ℃以下，可在水中配浆(将容器置于水中，以达到降温效果)，单次配浆量不宜过多。

(2)施工方法。自下而上依次灌注。先灌注最下部第一个孔，待上方孔出浆后，可改为上方孔灌注，也可封闭出浆孔，用原孔继续灌注，直至附件孔全部出浆；灌注下方孔时，上方孔兼作排气孔。

(3)灌浆压力。可根据裂缝开度和混凝土强度确定灌浆压力，一般浅孔压力为0.2～0.3 MPa，深孔压力为0.3～0.5 MPa。

(4)如出现有未出浆的灌浆孔或排气孔，需重新钻孔进行补灌。

(5)灌浆结束标准。不吸浆后继续灌注10 min；或上方孔出浆后封闭下方灌浆孔，改为上方孔进行灌注，直至缝隙饱满。

4.2.6 灌后缝面的处理

灌浆检查结束后，将排气管和贴嘴割除，采用砂轮机打磨平整，水泥灰浆填缝使其与原混凝土面外观相近。

4.2.7 特殊情况的处理

(1)灌浆时出现长时间不进浆且浆液粘度增加，即浆液配合比出现问题。处理方法：打开机箱盖，排弃部分混合液，然后重新灌浆。

(2)灌浆过程中，若发现冒浆、漏浆，应根据具体情况采用嵌缝，表面封堵、限量、间歇灌浆等方法进行处理。

4.3 灌浆质量的检查及验收

(1)压水检查。对进行过化学灌浆的混凝土裂缝，在浆材固化强度达到设计要求后应钻检查孔进行压水试验，孔口压力为50%～80%设计灌浆压力，最大压力为0.3 MPa，检查孔单孔吸水量应小于0.01 L/min；不合格时应进行补灌。

(2)对重要部位的裂缝灌浆后可进行声波检查，灌浆后的声波检查孔利用灌前的裂缝声波检查孔，通过灌浆前后声波波幅的对比分析判定灌浆效果。

(3)钻孔取芯。对重要部位的裂缝灌浆完成21 d后可进行钻孔取芯及钻孔全景图像检查，观察其缝面浆液结合和充填情况，并测定其力学指标是否达到相应部位混凝土的设计要求值。芯样试验内容主要为抗压强度和劈拉强度。

5 针对裂缝预防采取的综合措施

(1)坝体底板混凝土分块浇筑。设计各坝段常态混凝土底板宽度为20 m，长度在40～60 m之间，为整体结构，一仓浇筑完成。在右岸一期基坑底板浇筑过程中，出现了规律性较强的横向贯穿性裂缝(沿坝轴线方向)，将底板均匀地分成了几块；根据该现象，在左岸二期基坑底板浇筑中，设计人员将各坝段底板进行了分块，每块长度不超过20 m，各块间按施工缝处理进行凿毛、并设置φ25插筋连接，同时底板增设限裂钢筋，具体为满铺φ25钢筋，间排距为20 cm。通过该项措施，左岸二期基坑内的坝体底板裂缝明显少于右岸一期基坑，同时，横向裂缝进一步减少，证明该项裂缝处理措施对坝体底板裂缝起到了一定的遏制作用。

(2)采用碾压混凝土替代常态混凝土底板。该工程为全坝段固结灌浆，采用2 m厚的C9020常态混凝土作为固结灌浆的盖重层。由于采用砂岩骨料，因骨料自身的一些特殊属性使得常态混凝土水泥用量相对偏高，水化热偏大，较易出现坝体裂缝。实践中，通过优化，取消了2 m厚的常态混凝土底板，在建基面清基后，浇筑30 cm厚的钢筋混凝土垫层找平，然后直接进行碾压混凝土浇筑，碾压混凝土浇筑的第一层作为固结灌浆盖重层。如此实施，既减少了常态混凝土底板因水泥用量偏高而造成的坝体裂缝，又避免了因固结灌浆基础抬动带来的底板裂缝。实践证明：该项措施有效，后期浇筑的大坝底板均未出现裂缝。

6 结 语

该工程坝基及采石场均为砂岩地质条件。由于砂岩作为混凝土骨料存在一些先天性的缺陷，给配合比设计和现场混凝土浇筑质量控制带来了较大的挑战，导致坝体底板出现裂缝。坝体裂缝给大坝安全和稳定带来了潜在的隐患。裂缝出现后前期处于发育期，处理不当会影响裂缝的处理质量，给大坝安全留下隐患；处理不及时会延误关键线路工期，有可能使工程工期滞后一年而导致损失严重。通过该工程的实践和总结，采用化学灌浆进行坝体裂缝处理，处理后的底板裂缝钻孔取芯的各项物理力学指标均满足设计要求，经过孔内成像检测，裂缝内部的化学浆液饱满密实，达到了裂缝处理的效果。同时，提出了裂缝预防措施，对国内外同类型工程具有较高的参考意义和实用价值。