灌漿技術在安溪縣水庫防滲中應用的可行性研究

陳澤號

(福建省安溪縣村內(nèi)水庫管理處，福建 安溪 362442)

1 概 述

在大壩安全監(jiān)測與管理中，直接導致水庫潰決的主要風險因素有大壩邊坡過陡、浸潤線逸出、裂縫、滲漏、滑坡、壩坡溝渠及排水施工的排水能力不足、排水構筑物堵塞、排水結構建筑物錯位、斷裂、崩塌、安全超高不足、抗震能力不足、地震等。其中洪水和滲流造成破壞的概率較大，潰壩主要是洪水漫頂、邊坡穩(wěn)定性差、壩體振動液化等。因此，消除和控制水庫大壩的潛在風險因素具有重要意義。

2 聚合物防滲墻主要技術特點

聚合物灌漿主要是通過自膨脹作用將土體劈裂、壓實，并對土體界面產(chǎn)生滲透和膠結作用。在土壤中發(fā)生非水反應的聚合物灌漿材料通常會產(chǎn)生片狀擴散。考慮到水庫大壩潰壩造成洪水災害和破壞的高風險性，采用均勻黏結的聚合物防滲墻技術進行防滲堵漏，其性能如下：

1)對大壩擾動小。采用目前最薄的聚合物防滲墻技術，可在壩體內(nèi)修建厚度為12 cm的防滲墻。靜壓開槽方式大大減少對大壩的擾動。灌漿材料由非水反應聚合物材料制成。灌漿施工過程不需要水和泥漿支撐。

2)優(yōu)良的防滲性能和高耐久性。作為柔性防滲墻，聚合物防滲墻的彈性模量接近于土壤的彈性模量。它與土體變形協(xié)調(diào)性好，抗震抗裂性能好。

3)施工快捷方便。聚合物防滲墻技術在封孔和連續(xù)灌漿作業(yè)中施工速度快，自動化程度高。聚合物材料注射后15 min內(nèi)強度可達到最大值的90%，無需維護。

4)對環(huán)境無影響。聚合物灌漿材料對水土無污染，施工過程中不產(chǎn)生污泥廢水，對周圍環(huán)境無影響。

5)防滲墻技術的適用條件。聚合物防滲墻技術僅適用于壩體防滲墻和黏土、粉砂、砂土等壩基的施工，靜壓孔設備不能壓入槽板；聚合物防滲墻不適用于填有砂礫、石頭或巖石的地基。受施工設備和技術條件的限制，聚合物防滲墻技術只適用于深度小于30 m的防滲墻，聚合物材料的耐酸性較弱，不適合在強酸性環(huán)境中應用。

3 聚合物防滲墻抗震抗裂性能分析

聚合物防滲墻是一種超薄柔性防滲墻，其彈性模量與土的彈性模量非常接近，與土體變形協(xié)調(diào)，墻寬僅1～3 cm。無論是靜力工況還是地震荷載作用下，壩體的拉應力均小于混凝土防滲墻的拉應力，水庫大壩在地震活動中可以利用柔性防滲墻。

為了分析聚合物防滲墻在重力、靜水壓力和地震荷載作用下的靜動力特性，本文以安溪縣某水庫大壩工程為例，計算聚合物防滲墻、塑性混凝土防滲墻和普通混凝土防滲墻的靜力特性和最大應力分布。

該壩體為均質(zhì)土壩，壩頂長約340 m，壩基由優(yōu)質(zhì)粉砂、細砂、云母石英片巖組成，地質(zhì)條件良好。新建大壩采用聚合物灌漿防滲墻，聚合物灌漿防滲墻方案為：距壩上游軸線0.5 m，墻厚2 cm，壩頂高程77.15 m，防滲墻長度215 m。

本文利用ALGOR軟件對土石壩進行網(wǎng)格劃分，并且在以下兩種工況條件分別對聚合物防滲墻、塑性混凝土防滲墻和普通混凝土防滲墻進行計算分析：

工況Ⅰ：土石壩自重和靜水壓力下的應力分析

工況Ⅱ：地震荷載作用下土石壩動應力分析

在有限元模型分析中，將鄧肯-張非線性模型應用于大壩材料。在防滲墻與土壤之間設置接觸單元，兩種情況下防滲墻內(nèi)部最大應力對比見圖1和圖2。

圖1 靜載作用下地下連續(xù)墻最大應力比較

圖2 地震荷載作用下防滲墻最大應力對比圖

計算結果表明，在靜動荷載作用下，聚合物防滲墻的內(nèi)應力值遠小于普通混凝土防滲墻和塑性混凝土防滲墻。塑性混凝土防滲墻的內(nèi)部應力幾乎超限，聚合物防滲墻在工況Ⅱ下仍有較大的安全裕度。塑性混凝土和普通混凝土防滲墻均超過破壞極限，而聚合物防滲墻卻遠未達到破壞極限。

4 聚合物灌漿在水庫大壩防滲工程中應用的可行性

針對水庫大壩防滲加固的必要性，結合聚合物灌漿材料的特點，可將聚合物灌漿技術應用于水庫大壩防滲工程的以下幾個方面。

4.1 水庫大壩壩基防滲

針對高防滲要求的水庫大壩，將厚度為1～3 cm的聚合物防滲層均勻噴在基座頂部，以滿足平整度的要求。利用高分子材料快速成型、強度高、不易刺穿、防滲等級高、與土壤緊密結合的特點，可形成堅固、穩(wěn)定、持久的防滲體，以達到防滲的目的。見圖3。

圖3 水庫大壩壩基聚合物滲流控制示意圖

4.2 水庫壩址區(qū)防滲

在水庫大壩施工中的副壩或堆積壩中，為保護周邊邊坡環(huán)境免受水庫的影響，可在邊坡上均勻噴灑厚1～3 cm的聚合物防滲層，見圖4。具體方法是按原設計在聚合物防滲層上方進行噴射混凝土漿液施工，形成堅固、穩(wěn)定、耐久的防滲體，達到防滲的目的。

圖4 水庫大壩聚合物場地邊坡防滲示意圖

4.3 水庫大壩防滲加固：提高安全運行的可靠性

4.3.1 水庫大壩局部防滲加固

1)局部泄漏聚合物灌漿。使用灌漿管，將聚合物材料注入預定位置。隨著高分子材料的快速膨脹，粗粒土與土壤之間的空隙被填充，或者土壤與建筑物之間的接觸間隙被填充，從而形成堅固、穩(wěn)定、耐用的防滲體，達到防滲的目的。局部滲漏聚合物灌漿示意圖見圖5。

圖5 局部滲漏聚合物灌漿示意圖

2)快速薄膜袋聚合物灌漿。將土工布袋綁在空心鋼管中，并將其放置在入口管道泄漏點一定深度處。然后，將雙組分聚合物材料注入管道口的土工布袋中。材料體積膨脹，反應后固化，實現(xiàn)管道通道入口的快速關閉，結果見圖6。此外，通過向管溝內(nèi)注入聚合物材料的孔道灌漿技術，堵塞管道通道，加固大壩，提高大壩的整體穩(wěn)定性。

圖6 快速薄膜袋式聚合物灌漿示意圖

4.3.2 水庫大壩連續(xù)防滲加固

1)定向劈裂聚合物灌漿。采用靜態(tài)壓入法，將專用定向壓裂裂縫鉆壓入土中，形成對稱的劈裂縫柱狀鉆孔。然后，向孔內(nèi)注入雙組分聚合物灌漿材料。高分子材料經(jīng)過化學反應后迅速膨脹，膨脹力促使現(xiàn)有對稱裂縫的圓孔不斷膨脹，泥漿侵入膨脹裂縫，形成重疊的片狀聚合物防滲體，見圖7，達到處理大壩局部滲漏的目的。

圖7 聚合物定向劈裂灌漿示意圖

2)聚合物帷幕灌漿。通過注漿管將聚合物材料注入預定位置，將聚合物材料快速膨脹固化填充到巖土體中的空隙中，將密實的巖土體壓實，形成一個牢固穩(wěn)定的防水層。同時，根據(jù)大壩滲漏部位的確定和防滲設計方案，在道碴中通過靜壓設備將雙翼式鉆具壓入需要處理的部位，形成相互重疊的窄縫。利用注漿管向孔內(nèi)注漿，雙組分聚合物材料迅速反應、膨脹和流動，填充孔模，固化和膠結周圍的土壤。孔模相互交叉或連續(xù)相鄰重疊，形成薄的聚合物防滲帷幕，達到處理大壩滲漏的目的。在圖8中可以看到構造的簾幕。

圖8 聚合物帷幕灌漿示意圖

3)超薄聚合物防滲墻。根據(jù)大壩滲流的設計要求，在需要加固的壩段，用靜壓設備將專用鉆具壓入大壩，形成連續(xù)的細孔。然后，通過注入管向孔內(nèi)注入雙組分聚合物材料。聚合物材料在化學反應后迅速膨脹，填充灌漿孔的模具并形成聚合物板體。孔的相鄰模具連續(xù)重疊，灌漿后形成連續(xù)的薄聚合物防滲墻，以達到改善大壩滲流性能的目的，見圖9。

圖9 超薄聚合物防滲墻示意圖

5 結 語

為了研究非水反應聚合物灌漿技術在尾礦庫防滲中應用的可行性，了解其在實際工程中的性能，對其環(huán)境影響、抗化學性和聚合物材料的滲透性進行了分析，并對其主要技術特點進行分析，對聚合物防滲墻進行研究。研究結要表明，非水反應聚合物灌漿材料具有環(huán)保、安全、反應快、可調(diào)性好、膨脹性好、性能好、使用壽命長等特點，是一種綜合性能較好的灌漿材料。