關(guān)于深厚覆蓋層堆石壩壩基廊道裂縫滲水處理措施的探討

趙 春

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概 述

該水電站大壩樞紐建筑物為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩基建在最大厚度為91 m的深厚覆蓋層上，建基面坐落于卵石混合土層(含軟弱砂層)，壩址地形條件呈左緩右陡趨勢(shì)，河床深槽靠近右岸，壩基采取振沖碎石樁加固處理，基礎(chǔ)面設(shè)防滲墻。防滲墻與壩體之間設(shè)置了長(zhǎng)度281.7 m的城門洞型壩基廊道(斷面尺寸2.5×3.5 m)，其上部連接瀝青混凝土心墻，下部通過倒三角形混凝土基座連接防滲墻，兩岸通過交通排水洞連接，廊道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(強(qiáng)度等級(jí)為C35)，邊頂拱及底板厚分別為1.8 m、2.5 m。

在壩體填筑及庫(kù)區(qū)水位抬升過程中，壩基廊道開始變形從而在基覆分界線位置產(chǎn)生裂縫，上游側(cè)有滲水現(xiàn)象。初步分析主要原因?yàn)椋簤位鹊澜Y(jié)構(gòu)受力條件復(fù)雜(三維空間受力)，在承受上部及水平水壓力荷載下產(chǎn)生垂直向下和下游方向的變形。壩基廊道布置于深厚覆蓋層，建基面為軟弱砂層，進(jìn)一步導(dǎo)致廊道發(fā)生變形開裂的可能性。河床溝槽靠右岸，廊道在水壓力和上部荷載等復(fù)雜受力情況下，右岸基覆分界線受力薄弱區(qū)域出現(xiàn)變形。

壩基廊道連接大壩壩體及基礎(chǔ)防滲體系，在大壩系統(tǒng)工程中的作用尤為重要，變形產(chǎn)生的裂縫需要綜合考慮處理措施。

2 廊道裂縫滲水處理

在發(fā)現(xiàn)廊道變形產(chǎn)生裂縫后，應(yīng)做好充足的應(yīng)對(duì)措施。首先，應(yīng)進(jìn)行定期觀測(cè)，并形成各時(shí)段觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，掌握裂縫變化情況，以此制定處理措施。其次，對(duì)發(fā)生滲水的裂縫，應(yīng)盡可能對(duì)每段裂縫滲水量進(jìn)行量測(cè)，量測(cè)方式可采用量杯人工計(jì)算讀取等方式，同時(shí)，對(duì)壩基廊道水流總量進(jìn)行量測(cè)，以便及時(shí)調(diào)整滲水處理方案和抽排水措施。最后，在發(fā)現(xiàn)裂縫及滲水后，應(yīng)及時(shí)開展周邊監(jiān)測(cè)儀器專項(xiàng)觀測(cè)并做好記錄，以判定各階段不同工況下壩基廊道整體情況。

參考國(guó)內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)，壩基廊道裂縫處理通常采用化學(xué)灌漿、水泥灌漿，并采用先排后堵，排堵結(jié)合的方法。同時(shí)根據(jù)裂縫寬度、長(zhǎng)度、深度及滲水量等情況確定具體處理方案，以下圍繞較小裂縫及寬大裂縫不同的處理方式進(jìn)行探討。

2.1 較小裂縫處理

對(duì)較小裂縫采用集中引排并進(jìn)行化學(xué)灌漿，灌漿材料采用彈性聚氨酯及水泥-水玻璃。

2.1.1 縫面清理及開槽

2.1.1.1 縫面清理

將裂縫兩側(cè)各15 cm寬混凝土表面浮渣及油污打磨清除，用高壓水將裂縫及周邊混凝土面沖洗干凈。

2.1.1.2 沿裂縫開槽

沿裂縫開槽(寬≥3 cm；深≥2 cm)，開槽后清理裂縫內(nèi)的雜質(zhì)及污物，剔除周邊松散的結(jié)石和骨料。

2.1.2 孔位布置及鉆孔

灌漿孔采用地質(zhì)鉆造孔，有少數(shù)裂縫位置與混凝土中鋼筋沖突，造孔困難，應(yīng)充分考慮采用斜孔。根據(jù)滲水位置在裂縫一側(cè)布孔，孔徑75 mm，從廊道壁面45°角度鉆斜孔，每一高度布孔2個(gè)，孔距1 m，分別與接縫混凝土內(nèi)部相交約1 m、1.5 m，先布置一排孔與滲水較大的孔，灌后再視剩余高度補(bǔ)充一至兩排孔。對(duì)滲水量較大部位，縮小灌漿孔位間距，加大埋管深度。灌漿孔位布置見圖1。

圖1 灌漿孔位布置圖(單位：cm)

2.1.3 縫面止水鋼板安裝

鋼板封堵從廊道上游側(cè)底部向上布置至圓弧段分段拼接，用液壓千斤頂固定，千斤頂應(yīng)經(jīng)常檢查并及時(shí)布?jí)?。根?jù)現(xiàn)場(chǎng)滲水情況，部分鋼板中部需鉆孔(孔徑80 mm)設(shè)置引排管并加裝閥門。有明水滲漏且水壓較大部位，則采用帶有引排管的鋼板封堵，鋼板提前確定拼接順序和引排管布置，封堵鋼板厚10 mm(長(zhǎng)120 cm、寬30 cm)，腰線以上圓弧段封堵鋼板寬20 cm。在安裝鋼板過程中閥門打開對(duì)水流泄壓。為加強(qiáng)鋼板封堵的密封效果，在鋼板與混凝土墻體接觸面設(shè)置橡膠密封條，鋼板拼接處設(shè)置公槽和母槽，利于拼接形成整體。鋼板布置見圖2。

圖2 鋼板布置圖(單位：cm)

裂縫兩側(cè)0.6 m跨度、高2.3 m采用鋼板支護(hù)，頂拱圓弧范圍采用鋼模板(規(guī)格1.2×0.1 m)拼接支護(hù)，圓弧段鋼模板與槽鋼支架之間采用角鋼支撐。鋼板支撐布置見圖3。

圖3 鋼板支撐布置圖(單位：cm)

封堵鋼板安裝完成后，關(guān)閉所有引排管閥門，檢查鋼板與混凝土接觸側(cè)面密封情況，對(duì)出水部位采用棉紗麻繩等嵌填封堵，封堵前打開閥門泄壓。封堵鋼板出水部位處理完后再次封閉引排水管閥門，觀察封堵效果和周邊情況，并進(jìn)行必要的機(jī)械堵水(嵌縫或鋼板壓載堵水)。

2.1.4 化學(xué)灌漿

根據(jù)情況采用聚氨酯和水泥-水玻璃兩種灌漿材料。聚氨酯灌漿材料反應(yīng)速度快，膨脹率高，處理時(shí)優(yōu)先使用，封堵困難時(shí)使用水泥-水玻璃雙液。彈性聚氨酯化學(xué)灌漿材料性能[1]和水泥-水玻璃灌漿材料固結(jié)體物理學(xué)性能分別見表1、2。

表1 彈性聚氨酯化學(xué)灌漿材料性能指標(biāo)

表2 水泥-水玻璃灌漿材料固結(jié)體物理學(xué)性能

水玻璃模數(shù)宜為2.4～3，濃度宜為30～45波美度[2-3]，水泥-水玻璃雙液漿的配比初定為V水泥漿∶V水玻璃=1∶0.2，具體配比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)固化速度試驗(yàn)為準(zhǔn)(控制時(shí)間段2～10 min)，采用雙液在孔口混合的方式灌注，根據(jù)灌注效果逐步使用更快固化速度的配比，直至可有效封堵滲漏裂縫。

按確定的孔位成孔后用阻塞器阻塞到靠近滲水裂縫位置進(jìn)行靜壓灌漿，先灌淺部孔后灌深部孔，灌漿壓力按水頭壓力+0.5 MPa控制。灌漿方法：開始前打開全部灌漿管閥門，從底部進(jìn)漿管開始灌漿，待上部回漿管排出孔內(nèi)氣、水，并有濃稠漿液流出時(shí)封閉回漿管。根據(jù)吸漿量情況逐步增加灌漿壓力，同時(shí)按注入率的大小適時(shí)降低或提高。灌漿開始后觀察各鋼板預(yù)留排水管出漿情況，有濃漿流出后關(guān)閉閥門。

廊道滲水壓力隨庫(kù)區(qū)水位抬升逐漸加大，灌漿壓力設(shè)定值較高，可能對(duì)廊道混凝土造成損傷，灌漿過程中應(yīng)注意：

(1)嚴(yán)密觀測(cè)周邊變形情況，及時(shí)作出過壓預(yù)警，同時(shí)觀察該裂縫周邊滲水，適時(shí)采取封堵和防裂縫擴(kuò)展措施；

(2)因上游水壓過大可能導(dǎo)致局部封堵材料破損，在施工中應(yīng)堆高和擴(kuò)大快硬水泥埋設(shè)體量，增加快硬水泥與混凝土接觸面，同時(shí)混凝土面應(yīng)打磨清理，增加封閉層黏結(jié)性能，提高抗沖能力；

(3)滲水較大時(shí)，灌漿過程中存在漿液流失，在施工中應(yīng)縮小排水管埋管間距，減少灌漿壓力，加大排水管口徑，充分引流泄壓，提高灌漿效率。

2.1.5 封堵及特殊情況處理

2.1.5.1 封堵

整條裂縫灌漿完成后待凝72 h[4]，待漿液完全固化并具有一定強(qiáng)度后，切除外露灌漿管，用環(huán)氧膠泥將灌漿管填平，清理后在縫面涂刷2道增厚環(huán)氧砂漿(寬15～20 cm，厚1 mm)。

2.1.5.2 特殊情況處理

(1)若鉆孔完成后不泄壓，為防止漏水量進(jìn)一步加大，減小抽排水壓力，應(yīng)在鉆孔前預(yù)先焊接好管路及閥門，在緊急情況下，可埋管并關(guān)閉閥門。(2)底板或環(huán)縫出現(xiàn)新滲水點(diǎn)時(shí)立即停止灌漿，待漿液初凝后，再布置斜孔埋管灌漿。

2.2 寬大裂縫處理

壩基廊道寬大裂縫一般位于左右岸基覆分界線等受力薄弱部位，裂縫較寬且易反復(fù)張開，同時(shí)伴有較大滲水，普通水泥或化學(xué)灌漿措施無法達(dá)到效果，故最有效的辦法是增加內(nèi)襯混凝土補(bǔ)強(qiáng)該部位的受力，并通過布置引排管對(duì)滲水進(jìn)行集中引排(引排管設(shè)閥門)，再對(duì)引排管進(jìn)行堵水灌漿，新增內(nèi)襯混凝土內(nèi)側(cè)設(shè)置鋼板并采用工字鋼進(jìn)行支撐。新增內(nèi)襯混凝土斷面見圖4。

2.2.1 結(jié)合面處理及管路、止水埋設(shè)

2.2.1.1 結(jié)合面處理及管路埋設(shè)

新老混凝土結(jié)合面應(yīng)鑿毛(深2～3 cm)，以微露粗砂為宜。裂縫滲水部位通過鋼管引排至新增混凝土端頭外(鋼管直徑150 mm或89 mm，具體大小根據(jù)滲水量調(diào)整)，鋼管根部采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行封閉。

廊道裂縫滲水點(diǎn)一般較分散，無法逐一對(duì)出水點(diǎn)進(jìn)行引排，施工前將原有出水管引排至廊道一側(cè)，根據(jù)出水點(diǎn)分部情況采用5 mm厚鋼板制作止水盒進(jìn)行引水。引水采用盒中盒的方式進(jìn)行，先采用0.5 m×0.5 m×0.2 m(長(zhǎng)×寬×高)止水盒對(duì)主縫滲水最大部位進(jìn)行引水，然后采用5 m×2 m×0.3 m(長(zhǎng)×寬×高)止水盒對(duì)大面積滲水部位進(jìn)行引水，止水盒大小根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。止水盒將滲水部位全部覆蓋后采用環(huán)氧砂漿封閉，盒內(nèi)積水采用鋼管引排，為混凝土提供干地施工條件。止水盒引水過程中需占用約30 cm寬度，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)鋼筋位置及混凝土厚度進(jìn)行調(diào)整以滿足止水盒安裝要求。

止水盒引水施工完成后，在止水盒鋼板對(duì)應(yīng)廊道主縫位置及廊道內(nèi)側(cè)新增支撐鋼板上對(duì)應(yīng)位置開孔焊接DN50鋼管作為灌漿管(從下至上間距1 m)，頂拱處預(yù)留灌漿管不穿過止水盒鋼板，采用刻槽及環(huán)氧砂漿封閉底部的方式埋設(shè)。

所有引水鋼管及灌漿管均安裝閥門，同時(shí)預(yù)埋頂拱回填及側(cè)墻接縫灌漿管，混凝土澆筑完成具備齡期后進(jìn)行回填及接縫灌漿。

2.2.1.2 止水埋設(shè)

在新增襯砌混凝土兩側(cè)端頭各布置環(huán)向平板銅止水封閉，止水寬15 cm、厚1.6 mm，埋入新老混凝土內(nèi)各7.5 cm，位置距混凝土端頭≥25 cm。

銅止水采用在原廊道混凝土面刻槽的方式進(jìn)行埋設(shè)，刻槽尺寸為底寬10 cm、兩側(cè)坡比1∶0.2的梯形槽，槽深不低于9 cm以滿足銅止水埋設(shè)深度，銅止水固定在槽內(nèi)后采用環(huán)氧砂漿填充密實(shí)。

2.2.2 鋼板及模板安裝

在新增內(nèi)襯混凝土內(nèi)側(cè)安裝1.5 cm厚鋼板，鋼板整體呈城門洞型(1.5×2.5 m)，頂部為半徑75 cm圓弧。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)鋼筋安裝完成后進(jìn)行鋼板安裝，按照體型將鋼板就位后對(duì)鋼板接縫進(jìn)行焊接，采用Ⅰ18工字鋼支撐(間距100 cm)，工字鋼與鋼板連接為整體。端頭模板采用木模板進(jìn)行拼裝，底板面層采用3015鋼模板。

2.2.3 襯砌混凝土澆筑

新增混凝土范圍為裂縫兩側(cè)各5 m，混凝土應(yīng)不小于廊道結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度，底板及邊頂拱一次性澆筑，采用平鋪法施工，單次鋪料厚度≤50 cm，振搗時(shí)間以混凝土不再顯著下沉、不出現(xiàn)氣泡并開始泛漿為準(zhǔn)，振搗過程中應(yīng)快插慢撥，插點(diǎn)均勻排列，逐點(diǎn)移動(dòng)，按順序進(jìn)行，不得遺漏，做到均勻振實(shí)[5]。

邊墻澆筑時(shí)兩側(cè)邊墻混凝土面應(yīng)均勻水平上升，同時(shí)控制邊墻混凝土上升速度不大于50 cm/h，防止倉(cāng)內(nèi)混凝土上升過快導(dǎo)致爆模。

2.2.4 襯砌后堵水灌漿

混凝土澆筑完成并達(dá)到齡期后再進(jìn)行回填灌漿及接縫灌漿，灌漿完成待凝后進(jìn)行裂縫灌漿施工，裂縫灌漿分兩階段進(jìn)行，第一階段首先進(jìn)行止水盒內(nèi)灌漿施工，第二階段通過主縫引排管進(jìn)行裂縫灌漿施工。灌漿水灰比為0.5∶1，最大灌漿壓力為廊道處庫(kù)區(qū)水壓力+0.5 MPa，采用逐步增大的方式加壓，以能順利灌入漿液為準(zhǔn)。

第一階段止水盒灌漿施工時(shí)，關(guān)閉除主縫引排管外的所有閥門，從底部灌漿孔開始灌注0.5∶1水泥漿，灌漿過程應(yīng)對(duì)周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行巡視。灌漿時(shí)從下至上依次小幅打開從止水盒內(nèi)排水的引水管閥門，將止水盒及引水管內(nèi)積水通過漿液置換，待引水管出濃漿后關(guān)閉引水管。所有引水管出濃漿關(guān)閉后持續(xù)進(jìn)行灌漿，觀察主縫引水管出水情況，待主縫引水管出漿后采用水泥-水玻璃雙液進(jìn)行灌注，雙液灌漿時(shí)通過預(yù)埋灌漿管依次從下至上進(jìn)行，使止水盒內(nèi)漿液快速凝固，灌漿完成后保持除主縫引水管外的所有引水管閥門關(guān)閉。

止水盒內(nèi)灌漿完成待凝(3～7 d)后從主縫引出的引排管對(duì)裂縫進(jìn)行第二階段灌漿。首先采用0.5∶1水泥漿對(duì)主縫引出的引排管輪流灌注，灌注一定量漿液后采用水泥-水玻璃雙液進(jìn)行灌漿使縫內(nèi)漿液快速凝固封縫，灌漿完成后關(guān)閉所有閥門。

3 巡視檢查及監(jiān)測(cè)

在壩基廊道產(chǎn)生變形后應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)物及周邊巡視檢查，并充分利用所埋設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行觀測(cè)，掌握處理前、處理過程及處理后建筑物的各項(xiàng)物理指標(biāo)。

安全監(jiān)測(cè)應(yīng)從滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變、廊道斷面監(jiān)測(cè)及沉降觀測(cè)等方面綜合得出，并分析其在各階段的數(shù)據(jù)走向，同時(shí)通過設(shè)置量水堰實(shí)時(shí)測(cè)量壩基廊道內(nèi)水流量，給壩基廊道積水抽排設(shè)備布置提供參考。

主要監(jiān)測(cè)儀器或觀測(cè)方法：壩基廊道分段設(shè)置量水堰、壩基滲壓計(jì)、壩基廊道測(cè)壓管、壩基廊道引張線、壩基廊道沉降觀測(cè)、三維激光掃描等。

4 處理效果及評(píng)價(jià)

4.1 處理效果

經(jīng)采用集中引排，縫面封閉進(jìn)行化學(xué)灌漿處理，裂縫滲水一般均能得到有效控制。但在填筑過程或庫(kù)區(qū)水位分階段抬升過程中，廊道存在變形反復(fù)產(chǎn)生裂縫，且裂縫較寬，此時(shí)對(duì)裂縫部位采用增加內(nèi)襯混凝土配合堵水灌漿的方式進(jìn)行處理，實(shí)踐證明處理效果良好，處理后無滲水現(xiàn)象。

4.2 評(píng)價(jià)

裂縫及滲水處理完成后，應(yīng)對(duì)壩基廊道結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，主要大壩沉降及壩基廊道觀測(cè)、壩基滲流滲壓觀測(cè)，同時(shí)根據(jù)全斷面激光掃描等方式對(duì)壩基廊道結(jié)構(gòu)斷面觀測(cè)，并提供上述結(jié)論給設(shè)計(jì)單位綜合分析復(fù)核壩基廊道結(jié)構(gòu)及壩體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。通過上述綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行論證得出廊道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，裂縫處理后滲水得到有效控制，滿足設(shè)計(jì)允許滲流量即可。

5 結(jié) 語

壩基廊道裂縫是當(dāng)前類似工程存在的共性問題，目前已建成的四川大渡河瀑布溝、長(zhǎng)河壩、黃金坪，四川寶興河磽磧、四川黑水河毛爾蓋等工程均發(fā)生廊道開裂滲水情況。設(shè)計(jì)單位一般在結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算時(shí)均會(huì)考慮加強(qiáng)處理，但仍存在從壩基廊道混凝土結(jié)構(gòu)受力薄弱部位出現(xiàn)破壞的情況。

在施工及運(yùn)行階段，壩基廊道、大壩均應(yīng)及時(shí)開展監(jiān)測(cè)工作，尤其是在大壩蓄水至正常蓄水位過程中，增加觀測(cè)次數(shù)，做好相關(guān)應(yīng)急預(yù)案工作，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)處理。針對(duì)堆石壩壩基廊道開裂共性問題，后續(xù)還應(yīng)持續(xù)開展深厚覆蓋層堆石壩壩基廊道抗變形能力的研究工作，并完全解決堆石壩結(jié)合部位應(yīng)力分布不均造成廊道開裂的難題。

探討壩基廊道發(fā)生裂縫導(dǎo)致滲水后的處理方法及要點(diǎn)，為后續(xù)類似工程合理優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)和施工方案提供參考。