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膨胀浆塞法大坝横缝堵漏技术
一、前言水库是一座大型水库,位于辽阳市境内太子河干流上,是以防洪、灌溉、工业XX供水为主,结合发电的综合水利枢纽工程,水库坝址以上控制流域面积占全流6175Km,域面积的水库总库容亿立方米,为不完全年调节水库大坝为混凝土重力
44.5%,
7.91坝,最大坝高大坝全长共分个坝段
50.3m,532nb31该工程年月开工,年月基本建成在工程建成后,陆续发现197011197210了大坝裂缝、横缝渗漏等质量问题对此各级领导十分重视,并先后进行了检查和修补实验年对主要裂缝进行了调查研究,编写了补强设计,并提出了“在坝197423*段未处理前,限制最高库水位不超过运行”的意见年水电部听取了辽
97.0m1982宁省水利局关于水库现状及存在问题”的汇报,同意了水库加固设计工作大纲”“xx“XX当时对工程提出两项措施一是水库最高蓄水位限制在;二是对问题较严重XX
95.5m的坝段进行紧急加固处理在全国大型水库三查三定中,被列入四十三座大型重点23,病险库之一年开始了全面加固除险施工,年经专家对加固进行安全评审,19851991同意恢复按设计标准运行水库大坝横缝漏水是该工程主要病害之一全坝个坝段,各横缝均有程度不xx31同的渗漏渗漏水流自下游坝面和观测廊道、灌浆廊道等部位逸出,尤其观测廊道内渗漏十分严重,在横缝处形成渗漏水幕,严重者呈喷射状流出,不仅恶化工程运行条件,而且危及大坝安全为处理漏水问题,多次进行了处理实验,先后做了凿槽涂贴、氟凝灌浆、丙凝灌浆、环氧树脂及、聚氨酯灌浆等修补实验,均未获得良好SK—1SK-4效果年水库加固除险设计中确定采取两项措施一是在上游面凿槽跨缝涂贴橡1985胶板;二是在坝顶两道止水带中间打孔灌注水泥浆年首先按第一方案实施,由1986于横缝处粗骨料集中,最大粒径达难以凿成规定的槽形,无法涂贴,而且在水120mm,库正常蓄水条件下,水下部分无法进行,因而又采取了第二项措施,在进行过程中发现水泥浆在渗透水作用下,溶蚀严重,逐渐复渗如初经有关部门共同对灌浆效果检查,确认水泥灌浆失效,进而提出化学灌浆处理方案
二、膨胀浆塞法堵漏方案的确立处理大坝横缝渗漏,据国内外有关资料介绍,一般有四种方法,这就是在上游面跨缝涂贴法、凿槽嵌缝法、于横缝两侧打斜交孔向横缝予定部位灌浆法及廊道周围灌浆封闭法涂贴法要求跨缝凿槽,槽底砂浆找平后涂贴橡皮,两侧锚固,外面再涂贴丁基橡胶等弹性防水材料,表面再抹砂浆等保护;于横缝打斜交孔向横缝予定部位灌浆法,因大坝横缝止水设计时,多设置两道止水,此法要点是向两道止水带之间横缝进行灌浆;嵌缝法,也是骑缝凿槽,基面处理后,镶嵌、等粘结强度好、能适应变形的防GB SR水材料,外层再加以保护,要彻底解决横缝渗漏问题,就必须从坝基做起,这就要求在空库条件下施工、或采用潜水作业,不仅损失和投入巨大,而且水下作业质量也不易保证;采用廊道周围封闭灌浆法,虽然改善廊道工作环境效果明显,但是对整个坝体防渗作用有限,无法降低坝体渗透压力,在设计施工中稍有不慎,会造成排水管堵塞,同时,有悖于水工上堵下排的设计原则,是不得已而为之的方法可见以上几种方法,在技术经济方面都存在不足经过比较分析确认,在坝顶于两道止水带之间骑横缝造孔灌浆的方案,施工不受水库运行工况的限制,具有明显的优越性,关键是作用机理和材料的选择为了寻求最优方案,对此前各种处理实验进行了分析和取样检查,从钻取的混凝土芯样发现对较宽裂缝灌注的水泥浆有结石体存在,但结石体与裂缝脱离对较细裂缝灌注的水泥浆,只有灰白色颗粒状粉沫,无结石体;对环氧树脂等的灌浆,在裂缝处可见环氧浆片,但粘结不牢,浆片与混凝土界面之间有白色软弱夹层,可见裂缝届面已遭严重污染这种污染一是来源于裂缝本身混凝土的溶蚀,二是来源于库水,水库XX已投入运行二十年之久,运行初期就有渗漏,根据辽宁省水科所对水库水质取样分XX析认为混凝土在压力水渗透作用下,溶蚀情况十分明显,析出物沉积于裂缝表面,多数为白色,也有灰白、黄白掺混、砖红色等,其主要成份为碳酸钙,还有少量铅、镁、铁、硅及铁的氧化物等,经钻取混凝土芯样检查,在横缝界面处均有碳酸钙质薄膜;而太子河流经本溪市,本钢等个企业每年向水库排放亿吨污水,除酚、氨氮、21XX
2.6油、鼠之外,还有大量粉煤灰、选矿水等,对于较宽的裂缝如电站坝段及横缝均可见黑水逸出,其对横缝界面的污染可见一斑对于这种界面的污染,一经形成,难以清除通过这一分析和总结,认识到,以前诸种方法处理渗漏所以未成功的原因是仅按与缝面粘结机理选择材料•,忽视了横缝温升张开的特性和缝面严重污染的客观事实针对这一原因,确立了胀塞法堵漏机理即在横缝处造骑缝孔后填充材料,靠缝内材料自身膨胀性能始终把横缝胀紧,达到防渗堵漏之目的
三、膨胀浆塞材料的选择与实验胀塞堵漏机理确定后,制作膨胀浆塞材料的选择就是该技术的关键根据工程要求,膨胀浆塞应具备的主要性能为一是有膨胀特性保证胀紧;二是能适应伸缩缝重复开合变形的能力;三是能快速固结,不为渗水所冲蚀;四是固结体的抗渗性能要满足防渗要求基于这些要求,显见只有弹性材料可供选择年本工程实验采用的1981SK-4聚氨酯,有一次膨胀和在水中快速固化特性,但无浸水膨胀和重复变形的能力其他如水泥,环氧树脂等干缩性材料,更难以适用经过多种材料对比分析,认为华东院科研所研制的水溶性聚氨酯最为理想该材料以水做固化剂,遇水固化,固化时间在几秒至十几分钟内,时间可调固结体浸水膨胀,可达原体三倍,而且有重复变形能力,永久变形为零浆液固结后,基本无毒性反应通过以上分析,选定用水溶性聚氨酯做LW为膨胀浆塞主剂但此材料存在问题有二第一是价格较高,需找出降低造价的途径;第二是抗渗性能满足不了本工程需要,尚需提高针对上述问题,决定进行复合材料研究,即在主浆液里选择合适掺料,而不改变主要性能为此,先后进行三种材料实验首先,选择了细砾石将细砾石洗净后,向其孔隙内注入此掺料固结
0.5〜20mni LW体浸水膨胀后,发现聚氨酯与砾石脱壳,形成连通空腔,失去防渗性能;其次选择橡胶粉做为掺料,水溶性聚氨酯与橡胶粉混合固化后,其浸水膨胀与防渗性能无大改变,但固化前橡胶粉与因比重差异,橡胶粉上浮,离析现象明显,复合浆液质量的均一性LW无法保证;最后做了以膨润土做掺料的实验膨润土也称斑脱岩,常做为水泥灌浆稳定剂,掺入后不沉淀、不离析,同时也有遇水膨胀特性,可吸收本体五倍水和浸水后膨胀达干体的十五倍的性能因此,最后选定膨润土做为掺料,与组成复合灌浆材料LW在确定掺料后,进行了物理力学配比实验经测试各项指标如下、固化体浸水实验见表11表1浆体浸水实验II原尺寸试件编号浸水24h浸水48hmm期(体积)%(体积)%mm mm1#方样
88.
4.
256774.
5137.
4878157.782#方样
88.
6.
296570124.
974147.563#8字样
88.
6.29厚20厚
24172.8厚
25195.3其中1#样配比为LW:HW:斑脱岩=100:20:242#方样配比为100:20:363#8字样为纯浆体LW:lI\V=100:20()、固结体强度实验见表22表2固体强度实验抗压强度抗拉强度抗剪强度抗弯斑脱岩掺试件编号量最小平均最小平均最小平均d二1#20%
6.
727.
001.
251.
462.
612.72d=01802#30%
11.
3211.
842.
102.
332.
612.68d=0180注L抗压、抗拉、抗剪强度单位为MPa(N/mm)
2.实验温度25℃()、抗渗性能实验见表33表3抗渗性能实验试件编号斑脱岩掺量浸水历时(s)平均水头(cm)浸透系数备注1#20%
492002453.788X10水温25℃2#30%
948002453.834X10水温25℃0#
077100246.
151.263X10水温25℃纯浆通过表、、可以看出123)、固结体膨胀率与浸水时间成正比,与斑脱岩加入量成反比;1)、固结体的抗压、抗拉强度随斑脱岩掺量增加而增加,说明加入斑脱岩浆液2固结体的抗压、抗拉强度,较纯浆液固结体有所增加;)、加入斑脱岩浆液固结体的渗透系数比纯浆液固结体的渗透系数约小倍,
33.3其抗渗性能有明显提高
四、分析与计算.膨胀余度的计算1水溶性聚氨酯复合材料用于膨胀浆塞堵漏,因其主要指标之一是固结体浸水膨胀余度,即膨胀余度应大于横缝开度()固结体膨胀余度二钻孔直径(膨胀率)1X-1从表中选取最小膨胀率为时,
1124.9%当钻孔直径(开口),膨胀余度为105mm
14.54nun钻孔直径(终孔),膨胀余度为91mm
12.60mm()坝体横缝开度变幅2理论计算值S=LXaX AT式中坝段长度,取最大值L—21m混凝土线胀系数,为)a-10X10-6a/AT—温差,选取25℃〜5℃代入上式S=
4.2mm()坝体横缝变幅实测值,灌浆廊道为322#
2.2mm从以上可见浆塞最小膨胀余度远大于横缝实测变幅和理论变形值
12.6mm,说明膨胀浆塞除满足横缝开度变化量外,至少还有压缩量因此,膨
4.2mm,4nlm胀浆塞胀紧横缝是可靠的,同时说明,灌浆可以在横缝处于任何开度下进行,不必选择横缝开度最大时施工.抗渗性能的计算2抗渗性能是膨胀浆塞的主要指标之二,对抗渗性能进行如下计算()、求观测廊道上游抗渗要求碎的渗透系数,计算为21Bg S=MD/2THn m该公式为“水工碎试验规程中提供的对碎试件经一次加压法试验后劈SD105-82开,进行渗透系数计算的公式式中厂一碎渗透系数,S cm/h----险吸水率,一般为M
0.03o水压恒压时间,一次加压法为24小时T-一水压力,以水柱表示,取()H Bg8000cm
0.8MPa平均渗水高度(试件劈开后,观测渗水高度的平均值),试件高按Dm—15cm,要求最大渗水高度需小于15cm,取平均高度13cm经计算及变换单位S=
3.7X10-9cm/soH()、求膨胀浆塞固结体必需的抗渗性能2打孔灌浆的位置是在两个止水带之间,距第一道止水带净距考虑造孔
1.125m,
1.0m,时钻屑受动水压力影响,集中在孔下游面,将下游横缝堵塞,固结体仅充满上游
1.0m宽范围的不利条件,即宽的浆液固结体抗渗性能要大于或等于观测廊道上游
1.0m
3.5m宽碎的抗渗性能用平面渗透理论近似计算,即SH・Jg得:S=SH•JH/Jg式中式的渗透系数,取S-—
3.7X10%m/sH—硅中的水力坡降工二(g为碎宽度,取,山为流经碎中的水JH-%/LH350cm头损失)----浆液固结体的渗透系数,S cm/sg浆液固结体中的水力坡降(为浆液固结体宽度,取为Jg——J=H/L Lg100cm,Hg g gg流经固结体中的水头损失)设H=H,经计算得Sg=L059X109cm/sH R浆液固结体的渗透系数要小于或等于方能达到抗渗性能要求从表中可以看Sg3出,纯浆液固结体的渗透系数义一大于,不满足要求,加之是隐蔽工程
1.26310958如因某种原因浆液固结体宽达不到将更不能满足要求而加入斑脱岩的复合浆液
1.0m固结体的渗透系数()小于$丁完全满足要求
3.788X17°从上述计算分析,充分证明水溶性聚氨酯掺膨润土复合料,完全满足做膨胀浆塞的各项指标由于市售膨润土价格为元仅为化学材料的可见,当膨润120〜150/31/200,土掺量为时,工程造价可降低近经济效益十分明显20%20%,
五、灌浆工艺与施工膨胀浆塞靠灌浆来实现,其灌浆与帷幕灌浆程序大体相同,由造孔--洗孔(压水实验)-一灌浆一一并浆一一封孔等工序组成造孔选用型钻机,开口直径4DJ-100终孔直径孔底深入基岩左右,孔深左右清洗用钻机配套之往105mm,91mm,L5m52m复泵进行但膨胀浆塞法灌浆,因灌注材料是水溶性聚氨酯复合料,该材料遇水就反应,浸水就膨胀,不同于水泥,因此,不能采用水泥的灌浆模式,按水泥分段灌浆模式,由于水溶性聚氨酯固化快、遇水发泡,会有两个问题一是段间衔接会有自由发泡区,结合部连续性差;二是孔口阻塞器,为浆液所固结,拔除困难这样采用一次灌浆法最为有利,但采用通常化学灌浆使用的一次注浆方式,对于多米充水深孔,水不排除,50包水量过大,浆柱难以密实,只有排水才能保证浆液充添饱满经过认真分析、反复研究,确定以浆赶水、以水压浆根据实测资料,复合料比重为重于水,把射浆管深
1.2,入孔底,使之孔底出浆,以浆赶水上溢为了保证灌浆中浆柱密实,不自由发泡,不能让水自由溢流,需在孔口加以节制,实现以水压浆经过认真分析采取了如下措施()、控制全孔注浆时间为做到快速进浆,使浆液在未固化前将全孔灌满,1实现以浆赶水,全孔总注浆时间按分钟控制根据钻孔孔径与孔深和进浆时间,计10算进浆流量,公式如下式中、及钻孔孔径;、、分段长度;进浆时间根据工地钻D D……L LiL……T……22孔孔径与设计孔深,最后确定进浆流量为为此改造了型齿轮泵,40〜50L/min CB—46选用二级电动机驱动,以提高进浆速度另以高压氧代替压缩空气(因其中含水
3.0Kw汽)做动力源,以压力灌浆罐做备用,保证灌浆的连续性()、灌浆采用双层管法孔口设备为特制双层管三通,内管为〃塑料射浆管,21深入孔底,下端设逆止装置,防止孔内水进入管内使浆液在射浆管内发生反应外管为直径排水管,上部接控制阀及压力表,控制回水(浆)压力外管深入钻孔90m500mmm左右,上部缠线麻并以水泥水玻璃封堵孔口在确定灌浆设备与进浆流量之后,对其他工艺也进行了周密实验与严格控制,主要是控制材料含水量与温度前已述及,水溶性聚氨酯遇水或潮湿空气即有发泡反映和固化,为了做到顺利进浆和保证浆柱密实、连续,无疑在浆液到位前应严格杜绝此现象发生因此,主要工艺措施是对灌浆设备、管路和掺料进行干燥处理和防水防潮,尤其是掺料,市售膨润土一般含水量较高,掺入就有发泡反应,因此必须进行干燥处理经测试,浆液的固化时间与气温有密切关系,气温高固化反应快,当气温在时,13cl4c掺料含水量要控制在当气温高于℃时,含水量要控制在以下,最好是纯
0.5%,
150.2%干的膨润土掺入前,要过筛,细度要求目筛全通过横缝堵漏,主要靠浆塞膨胀,100只要求浆液充满钻孔及邻近的横缝(两道止水带之间),就可达到防渗目的,因此无需要求较高的灌浆压力,孔口控制压力当回浆(水)管流出纯浆即可并浆终止
0.2MPa灌浆,进行封孔按上述工艺要求,年月进行了现场实验,按计算孔内占浆为19887叫实灌进浆量为超过计算值,且孔外无跑浆,说明浆液填充饱满,
6.5〜
8.66L/
9.05L/ni,效果良好年月灌注了全部挡水坝段横缝,年汛前完成的溢流坝段横缝198891989堵漏,累计造孔总进浆量聚氨酯耗量膨润土93L15m,
8413.3Kg,
6996.9Kg,1394Kgo膨胀浆塞法大坝横缝堵漏技术,通过水库实际运用,解除了横缝漏水的困扰,xx水库恢复按设计标准正常运行,而且经过了九个寒暑横缝开合的变形的检查,其间还经历了超水位蓄水(年最高蓄水位在正常高水位以上运行天)的
199498.4m,
96.6m165考验,横缝工作正常,无复渗现象发生由此可以得出以下结论()、采用膨胀浆塞,靠胀紧横缝来进行防渗堵漏,工作原理清晰明了,只要1浆塞胀紧,则措施有效胀塞法并不排斥对缝面的粘结,由于胀塞是通过造孔实现的,造孔后的新鲜界面,更有利于粘结因此,从某种意义上说,胀塞法是对粘结法的完善与补充这点说明,胀塞法不仅可以进行横缝堵漏,对于坝体裂缝,只要比较顺直,钻孔能骑住裂缝就可以采用,如大坝劈头缝等,都可以采用此法,这样不仅可以堵漏,还可恢复一部分强度这是对十几年传统灌浆堵漏方法的突破和堵漏技术的创新较之其他堵漏方法突出的优点是对边界条件要求低,适用性强,操作简单,因其在坝面施工,不受水库运行条件限制,没有辅助工程,工效高、进度快、总体造价低()、在国内外没有先例情况下,开发的水溶性聚氨酯掺膨润土复合材料,2LW用来做膨胀浆塞,性能优越,工作可靠只要浆塞膨胀余度满足要求,不必选择开度最大的时机灌浆,可在任意时间灌浆,仍能取得良好效果用膨润土做掺料r匹配合理,既提高了原化学浆材的主要性能,又降低了造价,效果显著在浓度时仍有良LW10%好的抗渗性能,与膨润土的聚合体仍保持较好的浸水自膨胀特性,现掺量远没达到极限,如选用可灌稠浆的灌浆设备,加大掺料比例,降低造价指标尚有巨大潜力对推广应用该材料进行岩土工程的处理,有促进作用()、保证膨胀浆塞的完整与浆柱的密实度是膨胀浆塞法,堵漏技术的质量关3键,采用双层管孔口设备,通过加大进浆流量,对多米充水的深孔实现“以浆赶水、50以水压浆”的一次灌浆法,施工工艺设计科学合理、安全、高效()、膨胀浆塞法大坝堵漏技术,被潘家口水库、葛洲坝电厂等大型4工程应用,足以证明其推广应用前景与价值。