提要：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。

      关键词：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（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。１９８１年本工程实验采用的SK-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LW水溶性聚氨酯做为膨胀浆塞主剂。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0.5～20mm细砾石洗净后，向其孔隙内注入LW。此掺料固结体浸水膨胀后，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LW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LW组成复合灌浆材料。

    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：

(1)、固化体浸水实验：见表1

    表1                    浆 体浸 水 实 验

其中 :1#样配比为LW:HW:斑脱岩=100:20:24

      2#方样配比为100:20:36

      3#8字样为纯浆体LW:HW=100:20

    (2)、固结体强度实验：见表2

     表2                    固 体 强 度 实 验

注： 1.抗压、抗拉、抗剪强度单位为MPa（N/mm²）

2.实验温度25℃

    (3)、抗渗性能实验：见表3

       表3                       抗 渗 性 能 实 验

    通过表1、2、3可以看出：

    1)、固结体膨胀率与浸水时间成正比，与斑脱岩加入量成反比；

    2)、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固结体的抗压、抗拉强度，较纯浆液固结体有所增加；

    3)、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3.3倍，其抗渗性能有明显提高。

四、分析与计算

1.膨胀余度的计算

    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。

    （1）固结体膨胀余度=钻孔直径×（膨胀率-1）

从表1中选取最小膨胀率为124.9%时，

    当钻孔直径105mm（开口），膨胀余度为14.54mm。

    钻孔直径91mm（终孔），膨胀余度为12.60mm。

    （2）坝体横缝开度变幅

    理论计算值δ=L×a×ΔT

式中： L— 坝段长度，取最大值21m

       a— 混凝土线胀系数，为10×10^-6(1/℃)

    ΔT— 温差，选取25℃～5℃      代入上式δ=4.2mm

    （3）坝体横缝变幅实测值，22#灌浆廊道为2.2mm。

    从以上可见浆塞最小膨胀余度12.6mm,远大于横缝实测变幅和理论变形值4.2mm，说明：膨胀浆塞除满足横缝开度变化量外,至少还有8.4mm压缩量。因此，膨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。

2.抗渗性能的计算

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：

    （1）、求观测廊道上游抗渗要求B₈砼的渗透系数，计算为：S_H=MD_m²/2TH

    该公式为“水工砼试验规程SD105--82”中提供的对砼试件经一次加压法试验后劈开，进行渗透系数计算的公式。式中：S_H---砼渗透系数，cm/h

       M---砼吸水率，一般为0.03。

       T---水压恒压时间，一次加压法为24小时。

       H---水压力，以水柱表示，B₈取8000cm。(0.8MPa)

       D_m--平均渗水高度（试件劈开后，观测渗水高度的平均值），试件高15cm，按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_H=3.7×10^-9cm/s。

    （2）、求膨胀浆塞固结体必需的抗渗性能

    打孔灌浆的位置是在两个止水带之间，距第一道止水带1.125m，净距1.0m，考虑造孔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1.0m宽的浆液固结体抗渗性能要大于或等于观测廊道上游3.5m宽砼的抗渗性能。用平面渗透理论近似计算，即S_H·J_H=S_g·J_g得：S_g=S_H·J_H/J_g       

式中：S_H---砼的渗透系数，取3.7×10^-9cm/s

     J_H---砼中的水力坡降。J_H=H_H/L_H  ( L_H为砼宽度,取350cm ,H_H为流经砼中的水头损失)。     

     S_g---浆液固结体的渗透系数，cm/s。

     J_g---浆液固结体中的水力坡降。J_g=H_g/L_g( L_g为浆液固结体宽度,取100cm,H_g为流经固结体中的水头损失)。

    设H_H=H_g，经计算得：S_g=1.059×10^-9 cm/s

    浆液固结体的渗透系数要小于或等于S_g方能达到抗渗性能要求。从表3中可以看出，纯浆液固结体的渗透系数1.263×10^-9大于S_g，不满足要求，加之是隐蔽工程如因某种原因浆液固结体宽达不到1.0m将更不能满足要求。而加入斑脱岩的复合浆液固结体的渗透系数3.788×10^-10小于S_g，完全满足要求。

    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120～150元/t，仅为化学材料的1/200，可见，当膨润土掺量为20%时，工程造价可降低近20%，经济效益十分明显。

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）---灌浆---并浆---封孔等工序组成。造孔选用4DJ—100型钻机，开口直径105mm，终孔直径91mm，孔底深入基岩1.5m左右，孔深52m左右。清洗用钻机配套之往复泵进行。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50多米充水深孔，水不排除，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1.2，重于水，把射浆管深入孔底，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：

    （1）、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，实现以浆赶水，全孔总注浆时间按10分钟控制。根据钻孔孔径与孔深和进浆时间，计算进浆流量，公式如下：

式中  D₀、D_1、  D₂……钻孔孔径;  L₀、L₁、L₂……分段长度; T……进浆时间               

根据工地钻孔孔径与设计孔深，最后确定进浆流量为40～50L/min。为此改造了CB—46型齿轮泵，选用3.0Kw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（因其中含水汽）做动力源，以压力灌浆罐做备用，保证灌浆的连续性。