水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆方法研究

盖志新

(阳谷县水利局 排灌中心，山东 阳谷 252300)

0 引 言

水电站堆石坝在长时间的冲刷和水压侵蚀下，会导致水电站堆石坝产生细微裂隙，从而影响水电站堆石坝的安全性和可靠性，需要对水电站堆石坝细微裂隙进行优化灌浆处理。通过各类新型灌浆套筒设计，进行灌浆方法的优化设计，提高水电站堆石坝的结构性能，研究水电站堆石坝细微裂隙的灌浆方法。通过受压承载力与初始刚度特征分析，在各试件的荷载-变形分布结构中进行灌浆模式优化设计，采用试件分析方法，提高抗拉能力。研究水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆方法，在促进水电站堆石坝的建筑施工质量提升优化中具有重要意义[1]。

在进行水电站堆石坝细微裂隙的灌浆方法设计中，当前主要方法是通过传感器与试验机加载的方法，结合灌浆套筒超声检测，进行灌浆优化控制[2]。文献[3]中设计缺陷可检修型半灌浆套筒连接拉伸性能试验模型，分析水电站堆石坝细微裂隙灌浆缺陷率，并进行是否修补、修补材料种类判断，实现水电站堆石坝细微裂隙灌浆修补设计，但该方法在变形能力与无缺陷试件控制的性能不好。文献[4]中进行高温后半灌浆套筒抗拉性能试验研究，研究了温度对灌浆料性能的影响，以及锚固长度、保护层厚度对高温后水电站堆石坝细微裂隙灌浆的影响，实现灌浆过程优化控制，但该方法在设计及工程施工的可靠性不好。

针对上述问题，本文研究水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆方法，首先进行水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆的试件结构分析，然后进行灌浆过程控制和参数模型设计，最后进行水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆的试验可靠性研究，并得出有效性结论。

1 灌浆试件结构分析和加载方案

1.1 水电站堆石坝细微裂隙灌浆试件结构分析

水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆主要以高强度的水泥作为基质材料，通过WAW-1000WE的1 000 kN微机化学电热辅助控制下，进行半灌浆套筒极限拉力传导控制[5]，实现水电站堆石坝细微裂隙拉拔试验和灌浆料标准试块的抗压实验。以《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1―2014)作为技术规范，水电站堆石坝细微裂隙在高温后灌浆料试块抗压试验在 YAW-300B 微机控制电液式水泥压力试验机完成，水电站堆石坝细微裂隙灌浆试件加载示意图见图1。

图1 水电站堆石坝细微裂隙灌浆试件加载示意图

根据图1，微裂隙帷幕化学灌浆的加载制度根据《钢筋机械连接技术规程》(JGJ 107-2010)，灌浆料的性能参数见表1，钢筋性能参数见表2，混凝土性能参数见表3。

表1 灌浆料性能

表2 钢筋性能参数

表3 混凝土性能

根据表1-表3对水电站堆石坝细微裂隙灌浆试件结构分析和性能参数设置，采用Q345 无缝钢管通过拉伸实验的方法，进行水电站堆石坝细微裂隙的灌浆料试块抗压试验，采用有限元分析软件 MSC.Marc 进行数值模拟，在竖向和水平向进行加载，进行水电站堆石坝细微裂隙灌浆的传力机制分析和裂隙模型参数分析[6]。

1.2 灌浆过程加载方案

结合“灌浆”和“后浇带”等技术措施，在水电站堆石坝细微裂隙灌浆配置中，采用 MU10 级黏土砖，M5 级砂浆作为基质材料，采用MU10 级黏土砖作为预制材料，螺杆与锚孔之间的缝隙用 C50 级灌浆料，采用预制钢筋混凝土作为支撑结构，采用X 射线数字成像检测的方法，实现对水电站堆石坝细微裂隙灌浆过程中的显示以及过程控制。在首次灌浆中，通过注射化学灌浆材料优选，在成像探头的辅助控制下，实现对水电站堆石坝细微裂隙灌浆设备参数控制和灌浆饱满性的测试。水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆的实现设备结构图见图2。

图2 设备结构图

根据水泥浆体致密完整完整性分析，分析水泥浆体致密完整性，结合水泥浆体出现孔隙的裂纹分析、黏结应力分析以及平均拉力分析，采用图3所示的铸铁半灌浆套筒试件进行化学灌浆。

图3 铸铁半灌浆套筒帷幕化学灌浆设备

2 水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆过程优化

考虑不同的灌浆缺陷长度，开展单向拉伸加载试验和加载测试，将水电站堆石坝细微裂隙分为碎屑岩裂隙、松散裂隙岩、中厚层状粉砂岩裂隙，根据表4 铸铁半灌浆套筒破坏模式，进行电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆过程控制。表4中的参数为不同的岩层体系结构下的极限拉力，单位为kN。

表4 电站堆石坝细微裂隙铸铁半灌浆套筒破坏模式

表4中，符号Z代表水电站堆石坝细铸铁半灌浆套筒；10代表水电站堆石坝细微裂隙锚固长度为100 mm；C代表无保护层；T表示温度，2表示200℃。在水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆过程中，通过传感器与试验机加载端相连，根据实测平均厚度计算细微裂隙帷幕主管的损失率，将预制GFRP管套入铸铁半灌浆套筒帷幕化学灌浆设备的主管中，实现水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆过程中的材料性能以及破坏模式分析。

3 试验研究

试验测试中，采用 Q345 无缝钢管作为水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆管的主管，采用微机系统控制加载端位移，在水平支座和弧形支座的顶部建立连续壳单元模型，支管、主管、灌浆料满足 Von Mises 屈服准则，屈服点和抗拉强度由材性试验获得，实验装置见图4。

图4 试验装置

图4中，支管厚 4 mm、长300 mm，弹性模量取500 000 N/mm2，锚固长度为 120 mm，30 mm 保护层试件极限位移为100 mm。根据实验参数，得到水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆的主管有限元分析结果，见图5。

图5 灌浆主管有限元分析

分析图5可知，极限拉力和黏结强度之间具有线性相关性，不同温度下的黏结强度拟合性能较好，测试主管塑料化区域的灌浆性能见图6。

图6 主管塑料化区域灌浆性能

分析图6可知，采用该方法对石坝细微裂隙帷幕化学灌浆的稳定性较好，黏结强度和抗压强度值输出稳定，测试灌浆冲减面的极限抗拉性能见图7，数值分析结果见表5。分析结果表明，通过优化的水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆处理，抗压强度平均值提升，缺陷率减少，水电站堆石坝细微裂隙的缺陷修补得到优化。

图7 灌浆冲减面的极限抗拉性能测试

表5 化学灌浆黏结强度和抗压强度值

4 结 语

随着灌浆技术的发展，灌浆方法的研究显得很重要，在水电工程中采用化学灌浆技术，解决了一些工程技术难题。研究水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆方法，在促进水电站堆石坝的建筑施工质量提升优化中意义重大。本文研究水电站堆石坝细微裂隙帷幕化学灌浆方法，采用有限元分析软件 MSC.Marc 进行数值模拟，在竖向和水平向进行加载，分析水电站堆石坝细微裂隙灌浆的传力机制和裂隙模型参数。实验分析表明，本文方法进行水电站堆石坝细微裂隙灌浆的修复性能较好，抗压强度平均值提升，缺陷率减少。