注漿新材料在長江堤防防滲加固中的應用

陳 杰

(江蘇省鎮江市丹徒區上黨鎮水利農機管理服務站，江蘇 鎮江 212100)

隨著中國經濟的快速發展，長江流域的堤防防滲加固問題也越來越突出。長江是中國的重要水資源，其防洪能力對國家的經濟安全和社會穩定具有重要意義。但是，由于歷史原因，長江流域的堤防防滲加固工作存在許多問題[1]。其中，最重要的問題是滲漏問題。滲漏不僅會導致堤防潰決，還會對長江流域的生態環境和人們的生命財產安全造成嚴重威脅。因此，解決長江流域堤防防滲加固問題已成為當務之急[2]。目前，國內對于堤防防滲加固的研究主要集中在混凝土材料、土石壩材料等方面。但是，由于這些材料都存在一定的局限性，無法滿足長江流域堤防防滲加固工作的需要[3]。因此，研究新材料在長江流域堤防防滲加固中的應用具有重要意義。注漿新材料是一種新型材料，其具有施工簡單、成本低廉、抗滲性強等優點。它可以通過注入漿液來填充裂縫、修補缺陷、提高堤防的抗滲性能和穩定性[4]。傳統的注漿工藝難以避免注漿材料的缺陷影響。為了提高長江堤防工程的防滲加固效果，此次研究創新性地提出結合采用聚氨酯注漿新材料構建防滲墻以應用于長江流域。研究通過對聚氨酯注漿材料的機理進行研究，對其注漿工藝進行了探討，最終提出結合注漿工藝和防滲墻工藝形成聚氨酯防滲墻，以加強長江堤防的防滲加固效果。

1 注漿新材料的機理及在長江堤防防滲加固中的應用研究

1.1 注漿新材料的反應機理研究

注漿是一種通過使用漿液將水泥等材料注入地層的建筑工程技術。目前注漿工藝常被用于修補建筑物裂縫和防止水滲漏等領域。注漿材料的主要類型分別有速凝劑材料、硅粉材料和高聚物材料等。其中，高聚物材料因具有強大的內聚力和可膨脹性能而被廣泛應用[5]。聚氨酯硬泡是一種常見的高聚物聚氨酯注漿材料，為了探究聚氨酯材料在注漿工藝中的作用，此次研究便對聚氨酯硬泡的生成機理過程進行研究。

聚氨酯硬泡生成的第一步便是發泡反應。在聚氨酯漿液中，水的作用是發泡劑，異氰酸酯組分HN=C=O與水反應會生成大量的CO2，CO2可以使聚氨酯泡沫的發泡程度呈倍率提升，密度也會相應的降低。低密度的泡沫會使聚氨酯硬泡注漿材料的強度降低，從而影響注漿工藝的質量[6]。除此之外，在滲流注漿工藝的實際施工中，聚氨酯漿液和水在高壓設備中混合時會形成高強度的對撞，加強了CO2和聚氨酯泡沫發泡反應。目前該項問題在行業內仍然難以解決。不過該反應的發泡程度可以通過反應時間的變化進行控制，從而保證泡沫具有一定的強度。

發泡反應中的泡沫形變示意圖如圖1所示。因為CO2會先溶于聚氨酯原料液中，所以隨著CO2含量的逐漸提升，聚氨酯原料液體系會逐漸飽和形成泡沫。此過程為放熱反應，聚氨酯原料液體系因溫度升高而產生高壓，泡沫會因為壓力的提升被壓縮。當溫度降低時，泡沫會因不斷地反應出現膨脹現象。聚氨酯硬泡生成的第二步是凝膠反應。由于發泡反應會放出大量的熱量，氣泡和聚氨酯原料液體系的反應會發生不斷的交聯，導致此時反應體系內部的粘度越來越高，直至出現拉絲的情況。聚氨酯硬泡生成的最后一步是三聚反應。三聚反應通過生成了碳碳三鍵將泡沫與聚氨酯漿體結合起來，生成聚氨酯硬泡[7]。從上述反應的原理可以看到，聚氨酯硬泡不僅適用于水體系，而且在水系統中還具有一定的膨脹效果，并且可以通過控制其膨脹速率保證材料具有一定的強度。由于堤防防滲加固中的注漿材料需要在水流環境中進行截流固土，而聚氨酯材料的優點滿足注漿工藝在堤防防滲加固領域中的應用，所以聚氨酯材料可以用于堤防的防滲加固中。

圖1 發泡反應中的泡沫形變示意圖

1.2 注漿材料在堤防中的防滲加固性能研究

當堤防出現裂縫孔隙時，一般可以通過注漿工藝對其加固。通過1.1中聚氨酯材料的反應機理可以得到，聚氨酯材料具有一定的強度，且在外壓下變形但不破壞。注漿材料可以因其較高的粘結強度起到承壓的作用，提高堤防的穩定性和完整性[8]。由于注漿材料是在外界壓力的作用下通過設備將材料輸入到堤防孔隙中的，所以隨著外界壓力的提高，注漿材料在孔隙中的滲透范圍越廣，注漿的加固效果就越高。根據球形擴散理論，可以對注漿材料進行定義。將注漿材料確定為各向同性材料，且漿體為牛頓流體，則可以得到注漿材料在堤防加固中的滲透范圍距離為式(1)。

(1)

式中，d—注漿材料的滲透距離，cm；3—球形擴散系數；k—介質滲透系數；t—注漿時間，s；h—水壓力水頭，cm；β—水和注漿漿液的粘度比；n—堤防土質的孔隙率。

當堤防孔隙中注滿注漿材料后，孔隙的受力狀態是三向應力的狀態。根據庫倫準則可以得到，其主應力的表達式為式(2)。

F=F3tan2α+S

(2)

式中，F—孔隙的主應力，MPa；F3—第三向應力，MPa；α—孔隙面和平面的夾角，(°)；S—土質的抗壓強度，MPa。

堤防孔隙在三向應力的狀態下，其強度極限會明顯提高，可塑性增強，這也體現了注漿材料加固可以起到提高堤防土質的強度的作用。

注漿材料除了可以對堤防起到加固作用外，還可以產生一定的防滲作用，聚氨酯材料與水混合會發生一系列的化學反應，最終形成具有一定強度和粘性的聚氨酯化合物，從而起到堵實過水孔隙，截斷水流的作用[9]。聚氨酯材料的膨脹倍率關系著防滲的效果，膨脹倍率的定義是固體組分的表觀密度與液體組分的初始密度的商值，一般可以通過不同的物理性能進行表征。對于聚氨酯硬泡，其壓縮強度應當控制在0.1MPa以上，避免因反應過程中的溫度變化影響泡沫形態。在實際注漿工藝施工的過程中，注漿壓力對防滲效果的影響也較大，當注漿材料的各項物理性能都達標時，注漿壓力的大小就決定了防滲效果的好壞[10]。

注漿模型裝置示意圖如圖2所示。可以看到，注漿工藝中主要涉及了壓力機、注漿材料漿體、注漿系統和堤防土體5種結構。當注漿系統給予的注漿壓力過小時，漿液無法擴散至堤防土體中或者無法擴散至孔隙深度位置，無法起到防滲堵水作用；當注漿系統的注漿壓力大于水壓時，漿液可以擴散到堤防孔隙較深的位置，可以發揮堵水作用，所以注漿壓力要大于水壓，才能將注漿材料注入孔隙中，發揮防滲功能作用[11-12]。

圖2 注漿模型裝置示意圖

1.3 注漿材料在長江堤防防滲加固中的工藝路線研究

長江流域是中國重要的生態系統之一，為了保障長江流域的生態環境安全，需要采取相應的措施來防止水土流失和土壤污染等問題。長江堤防工程是長江流域重要的防洪設施之一，其防洪能力直接關系到人民的生命財產安全和經濟社會發展。通過防滲加固，可以提高堤防的防洪能力，使得長江流域的洪水災害得到有效控制[13]。注漿工藝作為一種典型的防滲加固技術，一直被應用于不同堤防工程中。雖然傳統的注漿工藝應用極為廣泛，但是該工藝中仍然存在難以解決的問題，比如當注漿材料的膨脹倍率提升過快時，其密度會急速下降形成一定的強度差，影響注漿的效果。防滲墻作為堤防防滲加固的另一種工藝，常采用混凝土或者砂漿灰漿等材料制備成一堵具有一定厚度的墻體，將其放置于堤壩中，以發揮防滲加固的作用。傳統的防滲墻工藝是施工效率高，但因制備材料的原因容易出現破裂或者脆裂的現象[14]。為了加強長江堤防工程的防滲加固效果，此次研究提出結合注漿新材料，即聚氨酯材料，將其制備成防滲墻用于長江堤防工程。聚氨酯注漿材料具有質量小且對堤防產生的負荷較小等優點，采用該材料制備的防滲墻不僅抗滲性能強，還具有一定的膨脹性。

長江堤防工程的聚氨酯防滲墻工藝圖如圖3所示。該工藝的施工主要分為6步。第一步是設備準備，工藝所需要的設備主要有兩種，分別是聚氨酯材料漿液儲存設備和槽式注漿機。施工過程中需要通過漿液儲存設備向槽式注漿機中投入注漿材料。第二步是外力壓槽。由履帶式壓槽機將注漿模具壓入堤防壩體中，形成具有一定深度的注漿槽。注漿槽中的槽孔與注漿機的管道相匹配，可以保證兩次注漿固化而成的聚氨酯片狀結構彼此之間形成一定的連接關系，以組合成墻體。第三步是注漿階段。將聚氨酯漿液通過注漿管傳輸進入注漿槽中，聚氨酯材料會迅速膨脹并填滿注漿槽。第四步是連接階段，當一個注漿槽注漿完成后，會進行下一個注漿槽的壓槽工程，并在兩個槽孔之前安裝一個套孔管，以隔絕兩個槽孔。按照注漿步驟進行第二個槽孔的注漿。此時相鄰的兩個槽孔間形成了連續的聚氨酯片狀結構，保證了防滲墻的連續性。第五步是墻體結構的連續性檢測，檢測的過程就是重復壓槽和注漿這兩個步驟。待到聚氨酯防滲墻建立完成后，便可以對槽孔進行封印[15]。至此，完成長江堤防工程的聚氨酯防滲墻工藝流程。

圖3 長江堤防工程的聚氨酯防滲墻工藝圖

2 聚氨酯防滲墻在長江堤防防滲加固中的應用效果分析

為了驗證文章提出的聚氨酯防滲墻在長江堤防中的防滲加固效果分析，此次研究通過FLAC3D軟件構建長江堤防三維模型圖，通過模型仿真實驗對聚氨酯防滲墻的效果進行分析。首先構建一個長為6m，寬為5m，厚度為7m的河堤模型，河堤材料為砂土。在模型的中部位置設計聚氨酯防滲墻結構，底部為不透水層。

模型參數表見表1。此次研究的模型采用混凝土材料和砂漿材料為對比材料構建防滲墻，分別將三種防滲墻應用于堤岸模型中，對采用不同材料的防滲墻強度和耐久性進行研究，再對應用不同防滲墻前后的堤岸應力變化和堤岸孔隙的水壓變化情況來判斷其防滲加固的效果。

表1 模型參數表

不同材料下的防滲墻強度與耐久性如圖4所示。其中，圖4(a)、(b)和(c)的材料分別為聚氨酯、混凝土和砂漿?？梢钥吹?，聚氨酯防滲墻的強度在90kPa以上，最高可以達到96kPa，高于混凝土防滲墻的93kPa和砂漿防滲墻的86kPa。除此之外，聚氨酯防滲墻最高可以耐用19年，而混凝土防滲墻和砂漿防滲墻最高可以分別耐用17年和15年。由此可得，聚氨酯防滲墻的強度和耐久性均高于其他材料，在堤防防滲加固中具有更高的實用價值。

圖4 不同材料下的防滲墻強度與耐久性

不同材料下的防滲墻加固前后位移變化曲線如圖5所示。其中，圖5(a)和(b)分別為不同材料防滲墻加固前后的堤防位移變化曲線?？梢钥吹?，當岸邊距離為1～5m時，加固前的水平位移跨度范圍在-20至0μm之間，位移變化量為20μm。而聚氨酯、混凝土和砂漿防滲墻加固后的堤防水平位移變化量分別為13、16和18μm，故聚氨酯防滲墻加固后的堤防水平位移跨度更低。同時，加固前的堤防豎直位移變化量為39μm，而聚氨酯、混凝土和砂漿防滲墻加固的堤防豎直位移變化量分別為10、14和20μm。故聚氨酯防滲墻后的堤防豎直位移跨度更低。位移跨度低說明堤防的穩固性較高。綜上所述，采用聚氨酯防滲墻加固的堤防具有更高的防滲性能。

圖5 不同材料下的防滲墻加固前后堤防位移變化曲線

不同材料防滲墻下的堤防孔隙水壓變化曲線如圖6所示?？梢钥吹?，當堤防到岸邊距離為0m時，加固前的堤防孔隙水壓和通過聚氨酯、混凝土以及砂漿防滲墻加固后的堤防孔隙水壓一致，均為9.2kPa。隨著岸邊距離的變化，4種加固形式的堤防孔隙水壓變化趨勢基本一致。當岸邊距離為5m時，加固前，以及通過聚氨酯、混凝土和砂漿防滲墻加固后的堤防孔隙水壓分別為2.2、1.8、1.6以及0kPa。堤防孔隙水壓越低說明孔隙的滲水程度越低，受到的壓力就越低。綜上所述，聚氨酯防滲墻的防滲性能較為優異，可以有效降低水滲透的程度。

圖6 不同材料防滲墻下的堤防孔隙水壓變化曲線

3 結語

長江堤防的防滲加固工程一直是重要的研究熱點。為了可以提高長江堤岸防滲加固的效果，此次研究通過結合注漿工藝和防滲墻工藝，構建了一種新型的聚氨酯防滲墻，并對其應用工藝路線進行了探究。實驗結果表明，聚氨酯防滲墻不僅可以達到96kPa的強度，還具有19年的耐久度。同時，該防滲墻加固后的堤岸位移變化量分別為13和10μm，具有較強的穩固性能，且堤岸孔隙水壓可以實現0kPa，具有一定的防滲效果。故研究提出的聚氨酯防滲墻可以較好地提高長江堤岸的防滲加固效果。后續可以將其應用于實際的堤防工藝中，探究其應用效果。