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工程设计,保温砂浆在堤坝加固工程中的应用

点击: 68 次  来源:http://www.010zws.com 时间:2020-04-30

摘要:结合磨子潭水库除险加固工程防渗墙裂缝施工实例,阐述了保温砂浆的常用材料、施工工艺及常见问题处理措施。

简介:大坝横缝渗漏是混凝土坝主要病害之一,传统处理方法是在上游面跨缝涂贴、嵌缝或在廊道周围进行封闭灌浆等,由于投资过大或施工条件的限制,处理效果均不理想。本文通过参窝水库等工程实践,介绍一种在水库正常运行情况下,进行横缝堵漏的方法----膨胀浆塞法,即在坝顶于大坝两道止水带之间骑横缝垂直造孔,用一次灌浆法,将水溶性聚氨酯复合料灌注孔内,达到胀紧横缝止漏的目的。该法工艺简单、效果明显、工程造价低、止漏全面彻底。 关键字:横缝堵漏,膨胀浆塞,水溶性聚氨酯,膨润土,一次灌浆 一、前言 参窝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6175Km ,占全流域面积的44.5%,水库总库容7.91亿立方米,为不完全年调节水库。大坝为混凝土重力坝,最大坝高50.3m,大坝全长532m,共分31个坝段。 该工程1970年11月开工,1972年10月基本建成。在工程建成后,陆续发现了大坝裂缝、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。1974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23#坝段未处理前,限制最高库水位不超过97.0m运行”的意见。1982年水电部听取了辽宁省水利局关于“参窝水库现状及存在问题”的汇报,同意了“参窝水库加固设计工作大纲”。当时对工程提出两项措施:一是参窝水库最高蓄水位限制在95.5m;二是对问题较严重的23#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病险库之一。1985年开始了全面加固除险施工,1991年经专家对加固进行安全评审,同意恢复按设计标准运行。 参窝水库大坝横缝漏水是该工程主要病害之一。全坝31个坝段,各横缝均有程度不同的渗漏。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、氰凝灌浆、丙凝灌浆、环氧树脂及SK一1、SK一4聚氨酯灌浆等修补实验,均未获得良好效果。1985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胶板;二是在坝顶两道止水带中间打孔灌注水泥浆。1986年首先按第一方案实施,由于横缝处粗骨料集中,最大粒径达120mm,难以凿成规定的槽形,无法涂贴,而且在水库正常蓄水条件下,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GB、SR等粘结强度好、能适应变形的防水材料,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,参窝水库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参窝水库水质取样分析认为: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21个企业每年向参窝水库排放2.6亿吨污水,除酚、氨氮、油、氰之外,还有大量粉煤灰、选矿水等,对于较宽的裂缝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。

渗漏是水库的主要病险,如成语“千里之堤,溃于蚁穴”所描述的,如果不加治理,其后果可能是很严重的。本文探讨了目前常见的各种防渗加固技术的特点和适用范围等内容,并重点讨论了几种常用的技术。

关键词:磨子潭水库;除险加固;防渗技术;施工应用

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水库大坝; 防渗; 加固

水库大坝是水利工程建设中主要的水工建筑物之一,起到控制水流、防止洪涝灾害、水利发电等重要作用;尤其是水库大坝的除险加固工作是水库大坝安全管理的重中之重,但在水利工程的长期使用过程,要随时对大坝进行安全监测,并及时进行除险加固,做到防患于未然确保水库大坝的安全运行。本文结合笔者近几年来对水库大坝除险加固的施工经验,详细介绍了保温砂浆在磨子潭水库大坝加固中的应用注意事项。

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水库在国民经济建设中发挥着巨大作用,然而由于各种原因使用一段时间后会出现各种险情,其中尤以大坝为甚。水库大坝的险情有渗漏、滑坡、裂缝,其中渗漏是最普遍的问题,其他两种险情也与渗漏有关,成语“千里之堤,溃于蚁穴”既说明了渗漏可能造成的严重危害,同时也揭示了大坝防渗加固的重要意义。大坝渗漏一般分为坝体渗漏、坝基渗漏、绕坝渗漏、接触渗漏等几种情况,按照渗漏特征又可分为散浸与集中渗漏两种情况[1]。水库大坝的防渗加固处理应根据渗漏的特点和施工技术能力采取有针对性的措施,以保证处理效果既经济又可靠。下面就水库大坝防渗加固技术的类型、原理、适用范围以及施工技术等进行一些探讨。

1 工程概况

1 水库大坝防渗加固技术类型、原理及适用范围

本工程是安徽省磨子潭水库除险加固工程大坝加固施工标的坝垛加固内容之一,由于大坝上游坝面库水位经常变动区域150-190米高程范围,坝面受浸蚀较为严重;设计对上游面该区域的全部裂缝在保温防水砂浆喷护前,采用刷赛柏斯进行修补处理;对已形成蚀坑的,在对浸蚀面凿毛清洗后,喷高强砂浆5-10厘米,上述水位变动区坝面经上述处理后,最后采用喷射保温防水砂浆护面。主要工作内容有:坝面清理(用高压水枪冲洗大坝迎水面,然后刷毛,用钢丝刷或铲刀铲除坝面的碳化层和污垢,再用高压水枪冲洗一次,使砼表面洁净,确保无粉尘、油污以及其他有机物质等);裂缝处理(对大坝迎水面的裂缝进行详查,主要内容包括裂缝位置、缝长、缝宽、总条数及裂缝编号);砂浆填补(对于大坝迎水面碳化较深和侵蚀严重并已形成深坑的部位采用防水砂浆填平补齐)。

1.1 大坝加固

2 砂浆性能和材料选用

大坝加固的主要目的,一是提高抗洪的标准,二是解决坝体结构存在的问题,如解决渗漏、滑坡及裂缝等问题。对于第一种情况主要采取加高加宽的处理措施,后面一种情况采取具体的治理措施如下几点:

2.1 材料性能

不加宽情况下的加高,这在水利行业俗称“戴帽”。在坝顶上直接加高,加高高度一般在2m以内,迎水面利用防浪墙直接加高,背水面上部陡一些,并且与上游坝面衔接[2]。

保温抗裂防水砂浆物理力学指标如下:抗压强度:326MPa;劈拉强度:2.94MPa;粘结强度:0.50MPa;导热系数:0.244W/m.k;表面放热系数:9.35Kj/m2.h.k;抗冻等级>F200;渗透系数(砂浆表面喷涂防水乳液,m/s):0.44×10-10。

大坝培厚加高。当加高较高时,或者坝体结构较差有必要培厚时采取该措施。一般在背水面培厚,以满足稳定渗流的要求,采用的材料多是风化料、砾砂石等透水好的材料。少数情况下从迎水面培厚,采用粘土、壤土等渗透系数较低的材料。

2.2 材料选用

1.2 大坝防渗

水泥,选用质量稳定、早期强度较高的东关牌PO42.5级普通硅酸盐水泥。水泥进场后妥善保存,防止受潮结块。

大坝防渗的原则是“上堵下排”,上堵即水平防渗和垂直防渗,下排就是在大坝背水坡脚开挖导渗沟、减压井及盖重压渗等。水平防渗是指在大坝上游填筑粘土铺盖或者利用天然铺盖,并结合下游排水减压导渗的一种防渗做法。垂直防渗是在垂直坝体断面方向所采取的防渗措施,如劈裂灌浆、粘土或水泥防渗墙等。

细骨料,砂应采用坚硬、清洁、级配良好的中砂,含水率控制在5%-7%,细度模数为2.5~3,骨料中不得含有活性骨料成分;水库上游的胡家河砂能够满足工程施工技术要求。

水平防渗的优点是就地取材、造价低、施工简便、工期较短,也不需要特殊的施工机具,但一般要放空水库,而且渗流量较大,下游要采取排水减压措施。垂直防渗可以比较彻底地解决土石坝的渗漏问题,但是施工技术要求较高,还需要专门的机具设备等。选择垂直防渗,还是水平防渗,或者两者结合,需要结合水库的实际情况,经过方案的技术经济方面的比选,确定合理的优化方案。

外加剂,拟采用淮南大同D型速凝剂,该速凝剂初凝>3min,终凝<10min,1d强度≥8MPa。

2 水库大坝常用防渗加固技术

粘接剂,拟采用北京慕湖外加剂有限公司产303界面剂,该粘接剂为乳白色液体,对混凝土界面能起到耐久保护、防油污。

2.1 劈裂灌浆技术

防水乳胶,拟采用苏州市金星混凝土外加剂研究所产金星牌有机硅外墙防水剂,该胶剂对防护面能起到防渗、防污、抗风化等作用。

劈裂灌浆是目前土坝防渗加固中使用最广泛的一种技术,处理坝体疏松、渗漏比较严重的土坝效果非常显著[4]。其做法如下:

水,磨子潭水库库内水源充足,水质优良,是当地的主要饮用水源,可直接使用。

2.1.1布孔设计

2.3 设备和机具

布孔要根据坝体的具体情况,如小主应力分布情况、裂缝与孔洞位置、地形以及灌浆方法等进行设计。一般河床段沿坝轴或偏上游直线方向布单排孔;较重要的坝或碾压不实,存在风化块石的坝可布两排或三排孔;岸坡段或弯曲段一般采用小孔径布孔,或多排梅花形布孔,但无论采取哪种方式,都要保证形成连续的防渗帷幕。孔距,河床段单排孔一般是3.0~5.0m;岸坡段两排或三排孔,孔距1.5~3.0m。孔深要进入隐患处2.0~3.0m。

干喷机,选用河南郑州产科明牌干喷机一台。

2.1.2灌浆压力

空气压缩机,选用蚌埠压缩机厂产空压机一台。其额定产气量为9m3/min。

灌浆压力是注浆管上端孔口的压力值,也是限制灌浆的最大压力。灌浆压力既要满足劈裂坝基最低能量,也要保证安全和灌浆效果。灌浆压力可参照表1,并经现场试验确定。

辅助设备,2t卷扬机二台,吊篮二套,高扬程水泵二台。

2.1.4 灌浆工艺:

3 施工过程

2.1.5 控制项目:压力、灌浆用量、位移与沉降量观测、劈裂宽度控制等项目。

3.1 基层施工

2.2 高压喷射灌浆技术

坝面清理,工程施工前,选用专业清洗公司对大坝迎水面进行清理,首先用高压水枪冲洗大坝迎水面,然后刷毛,用钢丝刷或铲刀铲除坝面的碳化层和污垢,再用高压水枪冲洗一次,使砼表面洁净,确保无粉尘、油污以及其他有机物质等。

这种技术是在静压灌浆和高压旋喷灌浆基础上发展起来的,也称高压摆喷灌浆技术,可用于中等至强透水层的土坝。

裂缝处理,对大坝迎水面的裂缝进行详查,主要内容包括裂缝位置、缝长、缝宽、总条数及裂缝编号。处理方式,其中不渗水裂缝(细缝,缝宽<4.0mm)沿缝涂刷400mm宽塞柏斯浓缩剂和增效剂;不渗水裂缝(宽缝,缝宽>40mm)先凿25*50mm的槽填充赛柏斯浓缩剂半干料团,再沿缝涂刷400mm宽塞柏斯浓缩剂和增效剂;渗水裂缝采用凿60*60mm的槽填嵌GB防水胶条并结合塑性灌浆,灌注丙酮类弹性防渗材料措施,沿缝抹400mm宽M20砂浆封面。

2.2.1 设计参数

砂浆填补,对于大坝迎水面碳化较深和侵蚀较严重并已经形成深坑的部位应用防水砂浆填平补齐。

常用参数如表2。

3.2 防护层施工

2.2.2 孔距

施工顺序。

一般1.5~2.0m,单排孔取下限,双排孔可取上限。

总体上分二个阶段施工,一阶段,施工190m~170m高程间防护层;二阶段,施工170m~150m高程间防护层;每阶段施工顺序,第一阶段由右岸向左岸推进;第二阶段由左岸向右岸推进。喷射时采取分块实施,每个分块内采取自上而下的喷射方式。

2.2.3 施工工艺

工艺流程。

工艺流程如图2所示[5]。

将水泥、速凝剂及细集料等原材加入干料搅拌机;然后使用空压机加入到喷射机中;之后利用水泵加压从喷嘴喷射到受喷面。

2.2.4 质量检查

施工方法。

主要检查墙体轴线和地质情况复杂等处。检查项目有钻孔取心、墙体开挖、墙体内原位注水和围井试验等。

根据上游坝面的实际情况及考虑到施工操作平台为吊篮,不宜载较大荷载。本工程保温防护层施工采用干式喷射方式,干式喷射是用喷射机压送干拌和料,在喷嘴处加水,干拌和料与水混合后喷出。

2.3 水泥防渗墙技术

4 施工要点

水泥防渗墙可以非常可靠截断渗流、控制渗流量,其设计布置形式,主要有两种:一种如图1所示放在大坝轴线上或轴线靠近上游一侧;另一种是在斜墙坝的脚上,但需要放空水库。按照钻孔的方式又分为圆形孔和槽型孔。墙厚一般0.7~1.3m,多为0.8m。按照材料分为纯混凝土、钢筋混凝土、塑性混凝土和自凝灰浆几种。按造孔的工法有钻进法、射水法、锯槽法、抓取法和铣槽法等。施工中还将两种或更多的工法组合使用,于是就有了“两钻一抓”、“ 两钻三抓”、“铣、砸、爆”等组合工法[7]。

喷射前,应对喷射机、空压机及辅助设备进行认真检查,以确保施工中机械运转正常。

3 结语

喷射机的操作,主要是正确地控制工作风压和保证喷嘴料流的均匀性。喷射机的操作正确与否直接影响着喷射的回弹量、喷射浆体的密实性和料流的均匀性。具体操作要求为:作业开始时,应先给风再给电;结束时应先关电后断风;向喷射机供料应连续均匀。

水库大坝防渗加固技术是在实践中产生并发展起来的,所以技术的类型很多。具体选择哪一种的技术也要从当地的实际情况出发,并通过精心设计、精心施工、加强管理等来确保防渗加固的质量和效果。

施工时如突然发生停风、停电、停水不能继续作业时,喷射机和输料管中的积料必须及时清除干净;作业结束时,必须将喷射机和输料管中的积料完全喷出后方可停机停风,并将喷料机受料口加盖保护。

参考文献:

喷嘴的操作,喷射手对喷嘴的操作技艺是喷射作业获得成功的关键。喷射与受喷面的距离和夹角,应随风压的波动而不断调整,一般应垂直并稍微向刚喷射的部位倾斜约10°左右,这样浆体的回弹量最少,如角度太小时,会形成喷射料在工作面上的滚动,产生凸凹不平的波形喷面,加大了回弹量,影响防护层的质量。喷嘴与受喷面的最佳距离是按喷射的最少回弹量和最高强度来定,据我公司以前的喷射作业经验,一般为0.8-1.0m较好。

[1] 卓廷召. 对水库大坝防渗加固技术的探讨[J]. 沿海企业与科技,2010.

喷射过程中,遇较大凹坑应先喷补平,喷射时,喷嘴须反复缓慢作螺旋形移动,这样,可防止溅落的灰浆粘附于未喷的表面,而影响其的粘结力,使喷射的防护层均匀、密实而平整,螺旋形移动的转动直径约30cm左右,使料束以一圈压半圈地作横向移动。

[2] 张淼等. 水库大坝运行维护与病险检测处理技术及标准规范应用实务全书[M]. 石家庄:河北音像出版社,2005.

喷射过程中,喷嘴处的水压必须大于风压,而且压力应稳定。水压一般比风压大0.1Mpa左右为宜。可采用向水箱中通高压压缩空气以获稳定的水压。同时应通过调节水量来控制拌和水,以使新鲜的喷射防护层产生有光泽的表面。如加水过多,则表面会出现流淌,而且喷射浆体将要下垂;如加水过少,则表面将呈现干斑,料流的灰尘很大并有过多的回弹,且大大降低硬化后砂浆的强度。

[3] 陈仲策. 广东省大中型病险水库除险加固的一些常用方法[J]. 广东水利水电,2010.

养护,为使水泥充分水化,减少和防止收缩裂缝,在喷射砂浆终凝后即开始洒水养护。养护时间和喷水次数,随气侯而定,以保持砂浆面的湿润状态,养护时间不少于7天。冬季施工时,应使喷射砂浆的温度保持在0℃以上。

[4] 彭国新. 浅谈用劈裂灌浆的方法处理横江水库大坝的渗漏问题[J]. 水利建设与管理,2008,28.

5 质量控制

施工前,应选取边角部位进行试喷射,以获取与喷射相关的技术参数和与本工程相适应的操作方法。同时进行集料的质量、级配、含水量检验,优化施工配合比,并委托水利科学研究所进行试喷块防护层的物理力学性能指标检定;施工过程中,严格控制进场集料的质量,并严格执行经试验选定配合比。并采取切割法进行防护层的力学性能指标检测。

为了保证喷射砂浆质量,应对拌和料搅拌处、喷射机处和喷嘴处的施工质量进行严格检查。尤其在喷嘴处,必须观察喷射工艺(包括受喷面清洗质量、喷嘴与受喷面距离与角度、喷嘴移动情况)、射流中的材料特征和喷射砂浆质量;喷射过程中,严格控制水灰比,喷头处加水量,完全由操作手掌握,必须选派有经验的专业人员进行喷射,以确保喷层具有较好的粘性、表面湿润光滑、无干斑、无滑移流淌等现象。