化学灌浆技术在水电站工程中的应用

2020-12-22龚武

价值工程 2020年33期

龚武

（中国水利水电第八工程局有限公司，长沙410000）

0 引言

近年来，化学灌浆技术在水电、建筑、交通、采矿等领域均得到了广泛运用，在微细裂隙抗渗治理、泥化夹层补强、堤防于建筑物加固方面效果显著。目前，化学灌浆技术已经有了几十年发展历史，灌注工艺、浆材均不断改进，文章主要围绕水电站工程中化学灌浆技术的应用展开详细论述。

1 化学灌浆技术概述

研究表明，化学灌浆过程中浆液与固相介质间不仅存在灌浆压力产生的渗透作用，而且还存在介质对浆液的吸渗作用，浆液可以通过吸渗作用浸润渗透到岩土介质的夹泥孔隙中。吸渗作用在化学灌浆技术中意义重大，是除注浆压力外保证岩土体获得良好可灌性的另一动力。当浆液与岩土介质表面接触时，浆-土的界面张力和吸渗作用可以将介质中的孔隙水置换出来，浆液则可以渗透并填充到介质的空隙内，如图1 所示。

图中，s 为岩体；w 为孔隙水；g 为浆液；σs、σg和 σw分别为岩体、浆液和水的表面张力；σsg、σsw和 σgw分别为岩-浆、岩-水和水-浆的界面张力；θ 为润湿角。性能良好的化学浆液具有自动渗入被灌介质和被灌介质自动吸吮的双向作用机制。

2 化学灌浆材料及其运用分析

化学灌浆材料可分为防渗堵漏、补强加固材料两类，前者如水玻璃类、丙烯酸盐类、聚氨酯类、木质素类和丙烯酰胺类材料等，后者如环氧树脂类、甲基丙烯酸酯类材料等。下文主要就几种新型灌浆材料的运用展开分析。

2.1 环氧树脂材料

表1 PSI-530 低粘度改性环氧灌浆材料性能指标表

图1 浆-水-岩体介质表面张力及吸渗作用

环氧树脂材料制备以低黏度环氧树脂为主剂，掺加无毒、高韧性、适于水下固化的固化体系以及反应性表面活性剂。近些年，双酚A 型环氧树脂凭借着挥发性低、耐腐蚀性强等优点，常被用作环氧树脂的主剂。我国三峡工程、溪洛渡工程中，均采用了环氧树脂材料进行软弱岩层、破碎带治理，灌浆效果良好，且获得了较好的社会经济效益，值得推广运用。

2.2 高聚物注浆材料

高聚物注浆材料主要成分为有机高分子化合物，如多异氰酸酷、聚醚多元醇、聚酷多元醇等。高聚物材料注射至不良地质体空穴后，有机高分子材料间能迅速产生化学反应使得体积急剧膨胀，由此获得高强度、高韧性固结体，达到良好的防渗堵漏、补强加固的效果。

2.3 改性脲醛树脂

脲醛树脂（UF）是由尿素和甲醛缩聚而成的有机高分子材料，因其具有胶合强度高、反应速度快、合成工艺简单且性价比高、来源广泛等优点而成为化学注浆的主要材料之一。传统生产工艺制备的脲醛树脂含有高量的游离甲醛，在一定程度上限制了脲醛树脂的推广应用。近年来，科研人员相继尝试并成功获取了苯酚改性、三聚氰胺改性脲醛树脂，经过检验后在工程实践中取得了良好效果。

2.4 乳化低热沥青

沥青具有加热后变为易于流动的液体、遇水冷却后变为流动性较差的固体的物理特性，基于此性能可选其作为良好的抗冲释和涌水封堵注浆材料。普通沥青需加热至150℃才可实现较好的流动性，而掺加乳化剂和破乳剂改良后的低热沥青只需要80℃就能融熔流动，有利于节省能源简化施工。

3 实例探析化学灌浆技术在水电站工程中的应用

本文以某水电站工程中化学灌浆技术（环氧树脂材料）的运用为例，展开详细分析。

3.1 工程概况

水电站进水口采用岸塔式，位于距坝轴线上游约230m 处的右岸岸坡上。6 孔进水口呈“一”字型布置，塔顶设置交通桥与边坡平台连通。进水塔建基面高程2760m，塔顶高程2875m，塔体前缘总宽度159.8m，顺水流方向长33m，塔高115m，进水塔底板厚度5m。从上游至下游由拦污栅、塔体和塔后的回填混凝土3 部分组成。

在进水塔底板混凝土浇筑过程中，对进水口闸墩底板混凝土采用超声波单面平测法进行了检测，检测出2 条混凝土纵向裂缝，2 条裂缝均为贯穿性裂缝。裂缝长度分别为3.3m、2.8m，深度分别为 66.1cm、9cm，宽度分别为 0.4～1mm、0.3～0.7mm。

3.2 施工方法

根据施工实际情况，结合现有资源，采用化学灌浆对裂缝进行处理。灌浆施工遵循低温时段施工原则，尽可能选择上午或傍晚低温时段进行化学灌浆工序施工。使浆液能在裂缝最大张开宽度时填充饱满，避免因混凝土低温收缩使裂缝再次破坏形成裂缝。

3.2.1 化灌材料的选用

本次化学灌浆主要原材料均选用PSI-5 系环氧类材料，该材料主要物理性能均符合JC/T104-2007《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》规定的质量标准。PSI-530 低粘度改性环氧灌浆材料具有高渗透性及力学性能指标优越等优点。环氧类材料的配比见表1。

3.2.2 施工工艺

①裂缝检查描述。将混凝土表面砂浆、杂物等清理完毕并冲洗洁净，扫干积水，选择早上或温度相对较低的时段对混凝土裂缝进行详细普查，对裂缝的长度及宽度进行测量，根据裂缝表面是否有渗水、是否有析出物、是否贯通混凝土板块等判断裂缝深度，确定裂缝类型并进行详细描述。

②灌前缝面清理。将裂缝两侧15cm 宽混凝土表面的浮渣、油污清理干净，并采用角磨机进行打磨。除去缝面上的浮灰、水泥浮浆、油脂和污垢等杂物，并使用高压水对缝面进行冲洗，观察缝口状况。待缝面干燥，再进行贴嘴、封缝施工。

③布孔、钻孔。灌浆孔采用骑缝孔和斜孔相结合的方式布设。骑缝孔作为灌浆过程中的排气、排水孔，也可作为补充灌浆孔。骑缝孔自缝端开始布孔，布孔间距为30～50cm，沿裂缝中心布置孔位，垂直钻孔。斜孔主要为化学灌浆孔，布设在裂缝两侧，呈交叉布置。单侧间距60～100cm，布孔位置距离缝中心20cm 左右，穿缝位置为缝深的2/3 和1/3 处左右交错成孔，穿缝深度不小于5～10cm，钻孔角度根据穿缝深度及离缝距离计算获得，并结合便于施工等综合确定。骑缝孔和斜孔钻孔均采用水磨钻钻孔，骑缝孔直径为φ27mm，孔深不大于5cm，斜孔直径为φ32mm。裂缝化灌骑缝孔和斜孔布孔、钻孔如图2 所示。

图2 裂缝化灌平面布孔示意图

④埋嘴、封缝。待冲洗干净后用环氧树脂固定T 型灌浆嘴。沿裂缝两侧各10～15cm 处采用环氧树脂对孔口及裂缝进行封闭，厚度为2～3mm。

⑤压风检查。封缝24～48h（视环境温度情况）进行压风检查，风压为0.15～0.2MPa。检查1 号孔时，将其他孔软管另一端均插入肥皂水中，当对1 号孔压风，2 号孔插入水中的软管出现气泡时，表示1 号、2 号孔是贯通的，再将2 号孔软管扎紧，再观察3 号孔插入水中的软管是否有气泡冒出，若有，说明3 号孔与1 号、2 号孔串通，按此方法逐一检查其他各孔的贯通情况。

⑥灌浆施工。

1）配制浆液。PSI-530 高性能快凝型环氧灌浆材料配比为 A 组份∶B 组份=8∶1（质量比，根据现场温度等环境条件可适当调整配比），各组份材料采用电子称计量。B 液（固化剂）应以慢速、自落呈线状加入A 液，边加边搅拌，搅拌均匀即可。搅拌时间不得过长，根据配浆量的多少，一般以固化剂加完后再搅拌3min 为宜。

2）灌浆顺序。化学灌浆应根据各条裂缝的灌浆孔布置、灌浆孔之间的通畅性情况，确定化学灌浆顺序。一般先灌斜孔，再灌骑缝孔。每种孔均应自低向高（水平缝自一端向另一端）依次进行灌注，且一般先灌串通孔，待串通孔灌浆结束后再对非串浆孔进行单孔化学灌浆。

3）灌浆压力控制。针对混凝土裂缝化学灌浆，尤其是本次实施化学灌浆施工的混凝土厚度仅为1.5m，施工时应遵循“低压、慢灌”的原则，以使受灌体充填饱满，裂缝粘接良好。最大灌浆压力控制在0.4～0.6MPa。灌浆压力需逐级升高，压力从0.1MPa 开始，按每级0.1MPa 升压。

4）灌浆结束标准。串通孔在保证设计灌浆压力下，当吸浆率趋于零时，再继续灌注30min，压力不下降，即可以结束灌浆。单孔在保证设计灌浆压力下，当吸浆率趋于零时，再继续灌注10min，压力不下降，即可以结束灌浆。每条裂缝的串通孔及每个单孔都达到结束标准时，本条裂缝灌浆结束。

⑦灌后缝面处理。在灌浆结束后待凝72h（可视不同温度环境下浆液初凝时间进行调整），铲除灌浆管，并对灌浆孔口表面进行打磨清理干净即可，要求达到设计平整度。

3.3 化学灌浆质量检查

裂缝均进行目测检查，以压水、取芯检查为主，根据需要做物探检测。

①目测。裂缝化灌完成7d 后，对每条缝进行目测，目测采用肉眼观查、锤击等方式进行，修补后混凝土表面应平整，裂缝缝面浆液充填应密实、饱满，与原混凝土结构连接紧密，锤击声间清脆、无气泡、孔洞。

②压水试验。压水试验在所在缝完成化灌15d 后开始进行压水试验检查，压水试验压力按灌浆设计压力的80%进行控制，合格标准为透水率不大于0.1Lu。压水试验取化灌裂缝条数10%进行检查。进水塔底板混凝土化学灌浆共布置8 个检查孔，共压水8 段，压水透水率最大为0.074Lu，合格率100%。

③取芯检查。裂缝化灌完成28d 后进行钻孔取芯检查。芯样外观检查要求浆材对裂缝充填饱满、裂缝粘接牢固。芯样检测试验内容为抗压强度和劈拉强度，按每累计200m 缝长至少取1 组芯样的频率进行取样，累计缝长200～400m 取2 组，以此类推。检查孔可见裂缝内浅黄色化学浆液充填饱满，结合紧密，且填充饱满密实，灌浆效果明显。

④无损检测。根据灌浆效果及实际情况，对灌浆处理裂缝采取无损检测方式进行补充检查。无损检测可采取频测法、单孔声波、跨孔声波及孔内电视（摄像）等方式进行检查。通过进水塔底板混凝土化学后检查孔全景图像揭示，局部孔段有少量裂缝分布，裂缝内化学浆液均充填饱满、结合紧密。