高分子聚合物355A3在龙羊峡水电站大坝廊道漏水问题的应用

张晓峰，苏晓军，孙玉军，李贵信

(青海黄河水电开发有限公司，青海西宁810001)

1 问题的提出

龙羊峡水电站位于黄河干流上，是黄河上游龙～青段梯级开发规划中的龙头电站，电站坝顶高程为2 610 m。电站总装机容量为1 280(4×320)MW，电站以发电为主，在西北电网中担任调峰、调频和事故备用，是西北地区大型骨干电站之一。该电站于1976年开工，1987年～1989年机组相继投产发电，1990年主坝完成2 610 m高程封拱。2000年通过安全验收。从1986年蓄水，电站至今已安全运行20余年。龙羊峡水电站地处我国西部高寒地区，受当时施工技术水平和条件所限，加之冬季施工等，部分部位混凝土出现开裂，加之冻融侵蚀，导致近些年大坝和廊道部位出现局部渗漏。渗漏会引发溶蚀、钢筋锈蚀、地基冻胀等其他病害，加速坝体混凝土老化，缩短大坝的寿命，渗漏加剧甚至会危及坝体的稳定与安全[1]。

对于混凝土大坝渗漏问题，灌浆是常见的防渗加固处理方式之一。针对渗漏特征(流量、渗透压力等)，选择不同的灌浆材料、工艺是防渗灌浆施工核心问题。本文针对龙羊峡水电站大坝廊道渗漏处理问题，以2 585 m高程和2 600 m高程廊道内上游侧渗水坝段处理为对象，探讨了注浆材料355A3的特点及其防渗处理施工工艺，并与初期选择的灌浆材料聚氨酯进行了对比。

2 廊道渗漏问题及渗漏原因分析

2.1 渗漏现象

2019年，在对龙羊峡水电站大坝安全检查过程中发现，龙羊峡水电站大坝下游坝面存在一定程度渗水，其中4号坝段2 595 m高程附近出现渗水现象(见图1a)，6号坝段2 592 m高程、7号和8号坝段2 592 m高程到2 594 m高程等附近出现潮湿现象(见图1b、图1c)。

图1 下游坝面渗水情况

龙羊峡水电站大坝渗漏主要出现在2 585 m高程和2 600 m高程廊道附近。对9号、15号坝段2 585 m高程廊道处进行钻孔灌浆，当钻孔达到9.1 m深时，孔口出现涌水，水柱喷高60 cm，孔口封闭测量水压1 kg，表面与坝前水位同高。孔底与闸门槽水平距离是2.5 m。用传统聚氨酯化学灌浆堵漏处理，每个孔堵漏4 d左右，渗漏量仍未减少，没有达到预期效果。

2.2 原因分析

2012年黄河上游来水是个特丰年，全年来水较多年平均值偏多33.3%，之后黄河上游持续5年来水为偏枯年份。2018年，来水再次出现一个特丰年，较多年均值偏多44%，洪峰接近10年一遇洪水标准3 660 m3/s。

水库蓄水后，上游水位升高与廊道有一定的水头差。在水力作用下，水沿着渗漏通道流向廊道四周[2]，裂缝是水工结构最常见的质量缺陷[3]，混凝土结构大面积架空或呈蜂窝状，使得坝体上、下游有库水联通的可能性。

3 常规聚氨酯灌浆处理工艺及效果

3.1 灌浆材料选择

一般化学灌浆材料选择要求浆材具有流动性好、可灌性高、黏度小、有微膨胀性，能够充填饱满且快速凝固，达到补强的目的，不会被水冲蚀流失[4-5]的特点，与混凝土裂缝有足够的粘结强度、不易脱开、抗拉、抗压强度高，无危害性、不易燃易爆，对环境无污染[6]。

最初在26号和19号坝段2 600 m高程廊道处、15号和9号坝段2 585 m高程廊道处、31号坝段2 497 m高程骑缝廊道处等部位采用传统化学聚氨酯灌浆堵漏。

3.2 灌浆施工工艺

3.2.1造孔

(1)化学灌浆钻孔。对于只穿过一条缝隙的钻孔，不分段；对穿过多条缝隙的钻孔，在缝隙处分段，分段穿过缝面，按照从上至下的顺序依次处理各条缝隙。

(2)灌浆孔钻孔采用XY-2型地质钻机。为保证钻孔质量，在开孔前，罗盘校正角度，使用铅直的钻杆，并使用配套的钻杆接头，钻机均采用地锚固定。

(3)所有钻孔孔位、孔深、孔斜和分段长度等应按施工图纸和技术要求规定执行。钻孔方位、倾角，应按设计图进行施工，所有钻孔应统一编号和分次序施工。钻孔开孔位置与设计孔位偏差一般不大于5 cm。

3.2.2洗孔

(1)冲洗采用导管通入水流进行孔壁冲洗或串孔冲洗，孔壁冲洗从孔底向孔外冲洗的方法进行钻孔冲洗，串孔冲洗由一孔进水相邻其他各孔出水的方法进行层面冲洗。

(2)冲洗压力采用80%的灌浆压力，最大压力不超过0.4 MPa，冲至回水澄清后10 min结束，且满足总时间要求，即单孔不少于10 min，串通孔不少于30 min。

3.2.3压水试验

(1)对于浇筑层面(或裂缝)出现渗水情况的灌浆孔要求进行相邻孔串通性压水检查，以保证钻孔穿过缝面，压水过程中注意观察坝后缝面渗漏情况。

(2)缝面串通性压水检查，压水压力为0.25～0.35 MPa，相邻孔出水即表明与缝面串通；串通性较差的灌浆孔压水检查，压水压力为0.3～0.5 MPa，压水时间为20 min，每5 min测读一次压水流量，取最后的流量值作为计算流量，其成果以透水率表示。

3.2.4灌浆

(1)化学灌浆按二次序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。

(2)对灌注廊道内下打的灌浆孔深度为3.5～12.9 m，采用孔口封闭，自上而下分段钻孔做压水试验。若该段不渗水，则不必灌浆直接进入下一段钻孔；若渗水量较小Q<5 L/min，则直接进行聚氨酯灌浆；若渗水量仍较大，则应按要求先灌注水泥净浆。

(3)每孔(段)灌浆结束后均待凝72 h，方可拆除阀门或进行下一段的钻灌。

(4)灌浆压力按0.3 MPa。

(5)灌浆控制标准。浆液初凝时间采用8～10 h。在设计压力条件下，注入量q≤0.005 L/min持续30 min或者累计注入量达到80 L/m时，灌浆即可结束。当注入量q≤0.05 L/min时，应尽快提高到设计最大压力灌注，直至结束。

3.2.5封孔

灌浆结束待凝时间达到要求后，将孔口预埋管和留置浆液铲除，人工二次采用干硬性砂浆封孔捣实，砂浆比例为水泥∶砂∶水=1∶1∶0.5。

3.2.6灌浆后质量检查

水泥灌浆结束3 d后，对原漏水量较大的孔(段)进行扫孔或在其附近布置检查孔，数量按灌浆孔数的5%布置，压水试验ω≤1 Lu时，即认为该段灌浆合格。坝后水平缝、廊道周壁或混凝土无砂排水管无集中渗漏水现象，混凝土表面渗水或潮湿属正常情况。

3.2.7废弃物处理

灌浆施工所产生的废水、废浆经过沉淀后，排至集水井内。废浆沉淀物和施工所产生的废渣及时派专职人员清理装袋，及时运走。

3.3 灌浆效果

采用传统化学聚氨酯灌浆堵漏，渗漏点的渗漏量仍未减少，没有达到预期效果。

4 355A3灌浆处理工艺及效果

4.1 高分子聚合物355A3特性

高分子化学堵水材料355A3是一种低黏度，双组分合成高分子材料，采用高压灌注进行堵水时，树脂和催化剂混合在一起反应生成多元网状弹性体。聚合物材料遇水反应即发生膨胀，膨胀系数为7～20。即使被充填的裂缝水流处于运动状态，材料也会牢牢固结所填充部分，且不影响其性能。材料凝固后具有持久耐酸、碱腐蚀和抵抗微生物破坏的性能，以达到长时间堵水目的。材料反应迅速，具有较大的强度和硬度，有水或无水情况下均可反应并凝固，环境中有水时，其可与水反应并形成坚硬泡沫，无水情况下，产品反应形成坚硬的晶体状材料。其操作工艺简单，反应开始时间(60±15)s，反应时间(80±15)s即可达到堵水效果，而且该材料的粘结强度、抗压强度较高，不会出现收缩现象。

高分子化学堵水材料355A3由树脂和催化剂组成，其混合体积比为1∶1，树脂和催化剂的性能参数如表1所示。355A3材料的基本性能参数为最高反应温度≤140 ℃，膨胀倍数>1，抗压强度≥50 MPa，抗拉强度≥20 MPa，抗剪强度≥20 MPa，干粘结强度≥4.5 MPa，湿粘结强度≥2.5 MPa，渗透系数≤1×10-6cm/s。355A3材料具有较好的抗老化性和抗冻融性且对水质无影响。

表1 355A3材料的性能参数

4.2 355A3堵漏防渗技术

4.2.1注浆布孔方案

对15号和9号坝段2 585 m高程廊道处进行355A3注浆，注浆孔使用已经打好并出现涌水的钻孔进行注浆。注浆孔孔径为56 mm，15号坝段孔深121.9 m，9号坝段孔深87.6 m。用钻具打孔，根据注浆孔参数保证注浆孔的深度及角度。注浆管路里面接1 m注射花管和2 m注射管，后面接1个封孔器，然后接简易混合枪，最后接2根长6 m的双液注浆管，如图2所示。

图2 注浆管连接示意

4.2.2施工工艺

根据施工方案下双液注浆管路，当注浆管路下好后，启动注浆泵，当封孔器打开后，注浆孔内的水立即被封住，孔口没有涌水。封孔器打开后，正式往里注浆，当注浆量达到预计注浆量时，继续注浆3～5 min停止该孔注浆。

注浆设备采用ZQBS-8.4/12.5型气动注浆泵。气动注浆泵由气动马达带动下方3个活塞，工作时吸料管分别插到2种液体料桶中，活塞泵通过吸排料管抽运双组份材料的2种液体介质。2种液体分别通过高压软管压送到双液注射混合枪里混合，混合物通过注射管送到目的位置。双液化学注浆泵注浆时将行程与回程的注浆量设计为相等，以便注浆时流量均匀，注浆缸在往复运动过程中负荷相等，运动平稳，冲击振动小。

采用环向自冲式封孔器进行钻孔内注浆封孔。封孔器由阻尼片阻止浆液通过封孔器，因此浆液被压入封孔器橡皮圈直到封孔器被固定在钻孔壁上，产生环径向束缚力，造成压力迅速上升，阻尼片破裂，浆液进入钻孔内，橡皮片(其功能类似于单向阀)，阻止封孔器松脱。

355A3材料由树脂和催化剂组成。两组分均为成品，打开包装后即可使用。使用专用的双液注浆泵按1∶1的体积比注入。使用前在 15 ℃以上的条件下储存组分，在注浆时首先要连接混合管，以使2种组分在注浆过程中达到最佳混合效果。设备清洗在暂停使用时，通过泵将树脂注入混合管及注浆管进行清洗。

4.2.3灌浆效果评价

传统注浆工艺一般是灌注水泥浆液，但是灌注水泥浆液的工艺较复杂，水泥浆液的凝固时间较长，水泥浆液易随水流出现大量流失的现象，造成材料浪费，在涌水量较大的情况下堵水效果差，当水泥浆液凝固后，会出现收缩现象，可能会再次出现出水的情况。

高分子化学材料355A3注浆在水坝堵水领域为一新型注浆技术，从注浆后现场渗漏量测定可知，实际防渗效果好。使用该项技术注浆简化了注浆工艺、每个孔注浆时间由原来24～48 h缩短到8 min，只需2人8 min完成，大大提高了堵水效果、减小了工人的劳动强度。

5 结论与展望

本文结合龙羊峡水电站大坝廊道渗漏封堵问题，对渗漏原因进行了分析，尝试了传统聚氨酯化学灌浆和高分子化学堵水材料355A3注浆，从现场施工效果来看，新型高分子化学堵水材料355A3注浆效果好且注浆工艺简单，值得进一步推广应用。