地下壓力箱涵背水面堵漏技術(shù)應(yīng)用研究

(北京韓建水利水電工程有限公司，北京 102488)

1 工程概況

河北省南水北調(diào)配套工程石津干渠滄州支線壓力箱涵段擔(dān)負(fù)著滄州市所有供水及衡水市部分供水輸水任務(wù)，是石津干渠的重要組成部分，壓力箱涵段線路總長約89.94km。供水目標(biāo)包括衡水市的阜城、景縣以及滄州市的交河、東光、吳橋、泊頭和青縣，并最終輸水至大浪淀水庫。

箱涵滄州境內(nèi)長約57.26km，流量13m3/s，采用2孔3.0m×3.3m(寬×高)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。每節(jié)箱涵外觀尺寸為15m×7.3m×4.25m(長×寬×高)，每兩節(jié)箱涵之間設(shè)2cm寬伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)一道橡膠止水帶，并采用聚乙烯閉孔泡沫板填充，迎水面設(shè)2cm深雙組分聚硫密封膠。具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 箱涵斷面(單位:cm)

2 工程運(yùn)行情況

河北省南水北調(diào)配套工程自2015年12月試運(yùn)行至今已3年，期間因各種原因，業(yè)主并沒有安排試運(yùn)行檢修。2018年3月發(fā)現(xiàn)樁號(hào)168+180處伸縮縫處存在漏水現(xiàn)象，并使用水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿進(jìn)行封堵，封堵后表面無滲水現(xiàn)象，由于該處有地下水，且水流量較小，當(dāng)時(shí)工作人員判斷漏水點(diǎn)已封堵，且回填后一直未發(fā)現(xiàn)地表有滲水現(xiàn)。后來箱涵水壓從3m水頭加壓至9m水頭，于2018年12月發(fā)現(xiàn)該處再次漏水，且較為嚴(yán)重。2019年1月中旬樁號(hào)166+480伸縮縫處也發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

3 堵漏處理方案

3.1 滲漏原因分析

根據(jù)對箱涵設(shè)計(jì)圖紙及施工情況的了解，結(jié)合現(xiàn)場表面覆土開挖后觀察漏水點(diǎn)位置、漏水量大小，以及滲水壓變化情況，初步分析可能產(chǎn)生漏水的原因如下：

a.由于橡膠止水帶材料采用抽檢方式，可能部分材料不滿足性能要求，導(dǎo)致運(yùn)行一段時(shí)間后橡膠止水帶拉裂。

b.止水帶接口采用熱熔焊接連接方式，樁號(hào)166+480處右側(cè)頂板有一個(gè)漏水點(diǎn)位置在止水帶接頭附近，可能是接頭開裂引起漏水。

c.通過開挖覆土，箱涵頂部暴露后，發(fā)現(xiàn)伸縮縫處并未出現(xiàn)“錯(cuò)臺(tái)”，可以判斷不屬于地基不均勻沉降引起漏水。

3.2 滲漏點(diǎn)位置判斷

最初判斷思路：由于箱涵上部覆土厚度大約3m左右，僅僅通過上部地表滲水無法判斷伸縮縫滲漏點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，初步擬定在開挖上部、兩側(cè)覆土后，通過直接觀察來找滲漏點(diǎn)，如發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)不在上部、兩側(cè)，則可推斷滲漏點(diǎn)在箱涵下部。

實(shí)施中實(shí)際滲漏點(diǎn)情況：根據(jù)最初判斷思路，采取發(fā)現(xiàn)一處封堵一處的原則，最后發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)并不呈最初想象中的“點(diǎn)”狀，而是在整圈伸縮縫止水帶與外部高密泡沫板之間形成了滲漏通道。

3.3 堵漏處理方案

3.3.1 材料選擇

以往類似的滲漏處理，大都利用停水檢修期間在箱涵內(nèi)部迎水面使用水溶性聚氨酯進(jìn)行化學(xué)灌漿。但本次因多種原因無法停水，只能在箱涵外部背水面進(jìn)行處理?？紤]水頭高、滲漏量大，為保證封堵效果，將水溶性聚氨酯與油溶性聚氨酯進(jìn)行對比分析，選擇了油溶性聚氨酯作為堵漏化學(xué)灌漿材料。該材料相對水溶性聚氨酯具有發(fā)泡率高、發(fā)泡強(qiáng)度大、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。兩種材料性能指標(biāo)對比見表1。

表1 水溶性聚氨酯與油溶性聚氨酯性能指標(biāo)對比

3.3.2 施工機(jī)具選擇

化學(xué)灌漿機(jī)：WGT-816高壓灌漿機(jī)。

3.3.3 初步堵漏方案

起初對箱涵伸縮縫處上部及兩側(cè)開挖后，發(fā)現(xiàn)滲水點(diǎn)在南側(cè)邊墻與底板交接處，于是認(rèn)為滲漏點(diǎn)就在此處。對底板下簡單開挖50cm后進(jìn)行常規(guī)鉆孔灌注油溶性聚氨酯，發(fā)現(xiàn)此處雖不再滲漏，但滲漏點(diǎn)沿著伸縮縫向底板內(nèi)部發(fā)展，且滲水量并沒發(fā)生變化。于是在底板下部繼續(xù)向內(nèi)開挖，由于箱涵底板距離地面高約7.5m，寬度7.3m，地下水豐富，在冬季三九天進(jìn)行施工(氣溫-10°)開挖難度非常大。然后，邊開挖邊簡單支護(hù)掘進(jìn)0.8m后進(jìn)行鉆孔灌漿封堵，發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)變化情況與前面一樣。如此反復(fù)艱難處理，達(dá)到約3.5m處(箱涵中部)，情況依然如此。因天氣寒冷，地下工作面狹小、積水嚴(yán)重，支護(hù)難度大，繼續(xù)向內(nèi)掘進(jìn)確實(shí)困難，且存在底板掏空后出現(xiàn)沉降的安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)研究決定停止南側(cè)開挖，重新對滲漏情況進(jìn)行分析，判斷極有可能是止水帶某處破壞后箱涵內(nèi)部水穿過破壞的止水帶，在止水帶與外部高密泡沫板之間進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，在泡沫板薄弱處流出，形成滲漏水。因此，如果僅僅對某個(gè)點(diǎn)進(jìn)行封堵，勢必導(dǎo)致其他地方滲漏。漏水點(diǎn)示意見圖2。

圖2 漏水點(diǎn)水流示意圖

3.3.4 方案調(diào)整與改進(jìn)

3.3.4.1 工作思路

調(diào)整堵漏思路，即先對箱涵頂部、兩側(cè)伸縮縫暫未滲漏位置逐段進(jìn)行灌漿封堵，通過這樣的處理，一方面判斷止水帶具體破壞位置，另一方面徹底封堵滲漏通道。按照調(diào)整后的思路進(jìn)行逐段排除處理，最后發(fā)現(xiàn)滲漏源頭在箱涵底板下南側(cè)3.5m范圍內(nèi)，具體位置還需逐段封堵才能找到。考慮之前采取底板開挖鉆孔灌漿封堵的困難程度以及帶來的風(fēng)險(xiǎn)，決定使用加長鉆桿對底板水平鉆孔進(jìn)行灌漿，代替開挖鉆孔灌漿的方式。

3.3.4.2 調(diào)整后的施工流程

施工流程：土方開挖→頂板分段(從中間向兩側(cè))鉆孔→頂板分段灌漿→邊墻分段鉆孔(從上至下)→邊墻分段灌漿(從上至下)→底板分段鉆孔(從外至內(nèi))→底板分段灌漿(從外至內(nèi))→外部防滲加固→防腐→回填。

a.土方開挖。上部覆土開挖露出頂板伸縮縫，兩側(cè)邊墻至底板開挖露出邊墻伸縮縫。邊墻向下開挖至墊層，且不得破壞墊層混凝土，邊開挖邊降水，最后在墊層外側(cè)設(shè)置排水坑放置污水泵。

b.縫面清理。鉆孔前先用水清除縫面周圍泥土。

c.鉆孔。頂板、邊墻鉆孔：在伸縮縫兩側(cè)進(jìn)行斜向鉆孔，孔間距為30cm左右、孔的角度約45°、孔徑10mm。鉆孔深度根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙小于20cm，不得破壞止水帶，以避免造成更大面積的漏水。

底板鉆孔：因底板下部不開挖，鉆孔只能從底板側(cè)面進(jìn)行水平鉆孔。一般電鉆鉆孔深度在50cm左右，考慮灌漿擴(kuò)散半徑有限，計(jì)劃定制加長鉆桿鉆孔，確保鉆孔深度分別達(dá)到0.75m和1.5m，且不能破壞止水帶。鉆孔布置如圖3所示。

圖3 底板鉆孔布置(單位:cm)

d.縫口封堵。注漿前用水不漏(速凝水泥基材料)對伸縮縫進(jìn)行整修，封堵縫口表面以減少漿液的外漏。

e.化學(xué)灌漿。灌漿材料：注漿采用油溶性聚氨酯材料，該材料是單組分合成高分子物，黏度低，遇水產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，發(fā)泡生成多元網(wǎng)狀封閉彈性體，同時(shí)釋放大量二氧化碳?xì)怏w，產(chǎn)生二次滲壓，高壓推力與二次滲壓再次將彈性體壓入并充滿所有裂隙(包括肉眼難以觀察的0.015mm微縫)，可達(dá)到止漏目的。對于空腔體滲漏，通過高壓作用，一方面保證聚氨酯的滲透半徑，同時(shí)還將發(fā)泡生成的彈性體進(jìn)行擠密，保證彈性體的密實(shí)性、飽和性以及與空腔體的緊密結(jié)合。

灌漿方式：采取逐段分期法向灌漿。初期為填充注漿，通過斜向鉆孔使?jié){液進(jìn)入伸縮縫的全斷面，漿液遇水化學(xué)反應(yīng)后生成低密度輕型泡沫體，由外向深處擴(kuò)張。再次注漿為高壓注漿，通過增加灌漿壓力，提高聚氨酯發(fā)泡體的密實(shí)度，保證發(fā)泡體與縫面緊密貼合。

因在寒冷的冬季灌漿，為加快油溶性聚氨酯發(fā)泡體的凝結(jié)及提高凝結(jié)強(qiáng)度，對灌漿機(jī)漿液輸送管外綁電加熱條進(jìn)行加熱。灌漿過程中，為減少漿液竄、冒，采取限壓、限流、間歇待凝的方式予以控制。

f.觀察與判斷。方案調(diào)整前，底板已經(jīng)從南側(cè)向北側(cè)方向開挖了約3.5m(箱涵寬度的一半)，且對已經(jīng)開挖的部分進(jìn)行了灌漿封堵處理，因此在對頂板、邊墻以及底板北側(cè)逐段灌漿時(shí)，可以通過觀察底板中部滲漏變化情況來判斷封堵效果。如漏量減少或不漏則可判斷灌漿處即為止水帶破壞處，從而對該段重點(diǎn)灌漿；如有漿液流出，則可判斷灌漿處與滲漏處形成了通道。

通過逐段灌漿觀察，最后發(fā)現(xiàn)在灌注北側(cè)底部水平孔時(shí)滲漏水明顯減少，且漿液流出，于是判斷該段為止水帶破壞處。由于灌漿處與滲漏處形成了通道，不能連續(xù)灌漿，只能間歇待凝，最后經(jīng)過兩次灌漿，滲漏處徹底不再漏水。

g.橡膠板外加固防滲。伸縮縫灌漿封堵處理完畢后，觀察2天未發(fā)現(xiàn)有滲水現(xiàn)象，對開挖暴露的伸縮縫外部進(jìn)行橡膠板安裝。橡膠板選用厚度6mm寬度40cm的優(yōu)質(zhì)橡膠；壓板選用6mm厚的鋼板；采用直徑6mm的鍍鋅螺栓壓緊，螺栓間距25cm。

h.防腐。安裝前對混凝土結(jié)合面清理后涂刷環(huán)氧煤瀝青，鋼板涂刷環(huán)氧煤瀝青，安裝完畢后，在鋼板及螺母等表面涂刷環(huán)氧煤瀝青防腐。

i.回填。上述工序全部完成后，再觀察一天左右，未發(fā)現(xiàn)任何滲漏現(xiàn)象后對開挖部位進(jìn)行回填。

以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［9］中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和廣西地區(qū)土壤背景值［10］為依據(jù)，對荸薺地土壤中鋅、銅和鉻含量進(jìn)行分析。由表4可知，鋅、銅和鉻在荸薺土壤中含量范圍分別為 63.9～126.8、9.1～18.9、1.2～26.8 mg／kg，均值分別為 83.8、12.6、11.4 mg／kg。鋅元素在土壤中的含量低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但其平均值已超出廣西地區(qū)土壤背景值；銅、鉻元素含量均低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值和廣西地區(qū)土壤背景值，且含量相對較低。從變異系數(shù)來看，鉻元素在土壤中的變異較大，而鋅元素在土壤中的變異較小。

因本次滲漏處理方案調(diào)整前已經(jīng)對箱涵底部北側(cè)進(jìn)行了開挖，因此對箱涵底部采取了灌注砂漿的回填方式，確保箱涵地基的穩(wěn)定。對于箱涵兩側(cè)及頂部回填，采取常規(guī)臺(tái)背回填方式進(jìn)行。

4 實(shí)施效果

本次對滄州境內(nèi)兩處壓力箱涵伸縮縫滲水問題進(jìn)行了處理，兩處滲漏原因基本相同，處理后效果相同。但因及時(shí)進(jìn)行方案調(diào)整，經(jīng)濟(jì)效果卻不相同，采取調(diào)整后底部非開挖實(shí)施方案的箱涵處理時(shí)間(3天)比調(diào)整前處理時(shí)間減少12天，節(jié)約直接成本約10萬元。實(shí)施效果見圖4，經(jīng)濟(jì)效益對比見表2。

圖4 實(shí)施前后效果對比

表2 經(jīng)濟(jì)效益對比分析

5 施工注意事項(xiàng)

a.滲漏箱涵覆土清除后，要及時(shí)對滲漏水進(jìn)行抽排，不能長期積水，防止因積水浸泡導(dǎo)致地基承載力降低。

b.找到表面滲漏點(diǎn)后，要根據(jù)各滲漏點(diǎn)滲漏量大小、滲漏位置及時(shí)分析滲漏原因，再安排封堵順序。在封堵時(shí)，要邊堵邊觀察，以便及時(shí)調(diào)整封堵方案。

c.鉆孔前要詳細(xì)熟悉圖紙結(jié)構(gòu)尺寸；鉆孔時(shí)不能破壞止水帶。

d.灌漿封堵完畢后，不要急于回填，留1～2天觀察期，便于再次滲漏時(shí)及時(shí)處理。

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

針對地下壓力箱涵結(jié)構(gòu)縫滲漏，尤其是箱涵底板背水面滲漏，采取上述非開挖鉆孔灌漿方案進(jìn)行施工，不僅質(zhì)量可靠，而且能減少工期、節(jié)約成本。

6.2 建議

a.在壓力箱涵結(jié)構(gòu)縫滲漏處理中，為保證修補(bǔ)后的耐久性，建議采用優(yōu)質(zhì)油溶性聚氨酯灌漿材料。

b.對于結(jié)構(gòu)滲漏問題，采取背水側(cè)封堵只是權(quán)宜之計(jì)，維持時(shí)間有限。對于壓力箱涵結(jié)構(gòu)縫滲漏問題，還應(yīng)通過停水，在箱涵內(nèi)部迎水面進(jìn)行徹底處理。