基于灌漿技術的水利工程用聚合物灌漿材料抗滲特性試驗研究

摘 要：研究聚氨酯泡沫其非水反應聚合物灌漿材料的抗滲特性，并分析其作為綜合性能材料在水利工程中的應用。采用抗滲等級法，測試了聚合物灌漿材料在不同初始壓力和不同密度下的抗滲性能。分析了聚合物灌漿技術的環境影響、聚合物材料的滲透性以及聚合物防滲墻的主要技術特征。試驗結果表明，聚合物材料的密度為0.1～0.3 g/cm3，初始滲透壓力為0.3～0.7 MPa，能夠承受30～70 m的水頭壓力，適用于水利工程中的滲透灌漿。此外，聚合物灌漿技術表現出良好的防滲性能和耐久性。聚合物灌漿技術適用于水利工程的防滲工程，通過控制灌漿量和調節材料密度，可以滿足不同工程的抗滲要求。該技術具有良好的防滲性能和耐久性，有助于提升水利工程的安全性和穩定性。然而，為了充分發揮該技術的優勢，還需要根據具體工程需求進行進一步的研究和優化。

關鍵詞：聚合物；灌漿材料；抗滲特性；滲透性；水利工程

中圖分類號：

TQ323.8

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0173-04

Experimental study on the impermeability of polymer grouting materials for water conservancy engineering construction

LI Junchuan

（Jinan Water Conservancy Engineering Service Center，Jinan 271108，China）

Abstract：To investigate the impermeability of a non-aqueous reactive polymer grouting polyurethane foam，and to analyze its application as a comprehensive performance material in water conservancy projects.The impermeability performance of the polymer grouting material was tested under various initial pressures and densities using the impermeability grade method.The environmental impact of polymer grouting technology，the permeability of polymer material and the main technical characteristics of polymer anti-seepage wall were analyzed.The experimental results showed that it could withstand the water head pressure of 30～70 m，which was suitable for permeation grouting in water conservancy engineering when the density of the polymer material was 0.1 g/cm3 to 0.3 g/cm3，with an initial permeation pressure between 0.3 MPa and 0.7 MPa.In addition，the polymer grouting technology exhibited favorable impermeability properties and durability.Polymer grouting technology was suitable for impermeability engineering in water conservancy projects.By controlling the grouting volume and adjusting the material density，it could meet the impermeability requirements of various projects.This technology had good impermeability performance and durability，enhancing the safety and stability of water conservancy projects.However，to fully capitalize on the advantages of this technology，further research and optimization were required based on specific project requirements.

Key words：polymer;grouting materials;impermeability property;permeability;water conservancy project

截至2022年，我國已建成了9.8萬多座水庫，新建和加固維護各類堤防長度超過40萬km，其中僅2022年一年我國完成新建水庫已經原有水庫的除險加固改造超過3 500個，新建和加固維護各類堤防長度近2萬km，從而對保障社會經濟發展和人民安居樂業發揮了重要作用［1］。盡管如此，全國仍然有超過70%的水利工程設施存在著然而不同程度的風險，相當一部分中小型水庫存在著年久失修，老化嚴重，對此類水利工程的安全風險評估仍然缺乏科學準確的勘測與規劃［2］。在水利工程的施工和水利工程設施的運行中，由于各種原因所導致的滲水已成為引發潰壩等水利工程事故的主要原因［3-4］。通過采用防滲墻來達到阻止滲水的目的，是最常用的防滲措施之一［5］。近年來，工程領域的科學家和工程師們開始嘗試在防滲墻中加入聚合物灌漿材料，以替代傳統的混凝土灌漿材料［6-7］。

1 聚合物防滲墻的主要技術特點

聚合物灌漿材料在土壤中不會和水產生反應，往往以斑片狀擴散的方式滲透。鑒于潰壩可能帶來的洪水和破壞風險，建議使用聚合物防滲墻技術，該技術采用均勻粘接方式，能夠有效防滲堵漏，提高工程安全性。

（1）此技術采用靜壓槽模式，在壩體中建造最薄12 cm的聚合物防滲墻，從而非常明顯的減少了對壩體的干擾。灌漿材料主要成分為不同水反應的高聚物，整個灌漿過程中沒有使用到傳統的水及泥漿；

（2）此技術施工的防滲墻的反滲透性能優越，同時耐久性能極好。聚合物防滲墻與土壤的彈性模量大抵相當，屬于柔性防滲系統的范疇，其變形協調性、抗震和抗裂性能在土壤中良好的保持；

（3）此技術施工速度快捷便利。聚合物防滲墻技術展現了高施工速度和自動化程度，尤其在密封和連續灌漿作業中；

（4）此技術是一種環境友型技術。聚合物灌漿材料主要成分均為環保型材料，對土壤、水體等均不會產生污染，在施工過程中亦無廢水、污泥的產生；

（5）聚合物防滲墻技術的應用范圍有一定限制。它適用于由粘性粉土、砂土等構成的壩體和壩基的防滲墻施工。然而，由于靜壓孔設備無法壓入槽板中，但是此技術不適用于含砂礫的基礎、填充物中的石頭或巖石。因為在上述環境中，靜壓孔設備難以壓入槽板。同時，受施工設備和技術條件所限，此技術僅適用于深度小于30 m的防滲墻施工。且此技術在高鹽和強酸環境中也無法適用。

2 實驗材料與方法

2.1 聚合物灌漿材料抗滲透特性的試驗方法和評估

由于聚合物灌漿材料沒有標準化的抗滲試驗，考慮到聚氨酯聚合物是水利工程中使用的不透水灌漿材料，因此在混凝土評估中參考水滲透性來研究聚合物灌漿材料的滲透性。

混凝土滲透性試驗在建筑、水利等領域有著廣泛的應用。混凝土材料的抗滲性是一項非常重要的技術指標。傳統的方法有3種，穩流法、滲透深度法和抗滲等級法。

穩定流法要求將試樣的每一側進行密封處理，并在其中一側施加壓力。待試樣達到穩定狀態后，通過測量指定時間段內混凝土特定厚度處的滲透量來評估其滲透性能，根據達西定律，其計算公式：

（dq/dt）/A=KΔh/L（1）

式中：q為液體的流速；T為液體流過樣本所需要的時間；A為樣本的橫截面積；K為測得的動態滲透系數；Δh為樣本所受到的靜水壓力差；L為樣本的高度。

穩定流法主要被應用于對高滲透性進行研究和適用于達西定律的材料中，例如混凝土等建筑材料。然而，其應用受到材料強度和齡期的限制。

液體在混凝土內滲透的距離被測量后，可用來評估其抗滲透性能，這種方法被稱為滲透深度測量法。在進行測試時，通常會對試樣施加一次性的壓力，并在24 h后將恒壓試樣進行分離，隨后測量水的平均滲透高度。而滲透系數則可以通過相應的式（2）進行計算：

Kp=d2v/（2tH）（2）

式中：KP代表通過滲透深度法測得的滲透系數；d表示平均的滲入深度；ν代表吸水速率；t代表恒壓所持續的時間；H為頭部的高度。需要指出的是，在使用穿透深度法時，測量穿透深度是一個挑戰。通過滲流高度試驗，可以對比不同混凝土的防滲能力，并且可以利用達西公式來計算出混凝土的滲透率。

抗滲等級法試驗中，初始階段對6個圓形試樣施加0.1 MPa的壓力，隨后每8 h逐漸增加0.1 MPa，直到其中3個試樣通過水壓測試，并記錄下此時的水壓值。利用一種簡單的線性轉換方式，可以把所記錄下的最大水壓值轉換為相應的抗滲等級。此方法相對簡便，常常被應用于工程中對混凝土抗滲性能進行評估。但需要注意的是，此方法并不適用于低滲透性的混凝土，且其試驗所需時間較長，效率有所降低。

混凝土抗滲試驗的標準不僅在國家層面上有所規定，同時在行業內部也有著相應的標準。值得注意的是，不同的標準在測試方法上存在差異。例如，美國、英國、德國等歐洲國家在進行混凝土抗滲試驗時，將滲水高度作為主要評價指標，它為試件的最大滲水位置。在我國，所有標準體系均參用平均滲水高度作為評價指標［8］。

2.2 試件制備

使用鈣基膨潤土和TFPU灌漿材料制備測試樣品。膨潤土的密度為1.61 g/cm3，蒙脫石含量為75%，水分為22%。通過沖擊逐層壓實膨潤土，每層用重負荷沖擊30次，達到模具尺寸的一半，然后用TFPU材料灌漿以填充剩余空間。TFPU是異氰酸酯和多元醇的聚合反應產物，質量比為1∶1。異氰酸酯和多元醇是液體，然后將2個液滴同時注入封閉的模具中。原料之間的聚合反應發生得如此之快，以至于它們無法用普通的機械攪拌方法充分混合。通過霧化處理，可獲得混合良好的材料。與壓實荷載相比，TFPU的膨脹力較小；因此，TFPU的灌漿過程對膨潤土的孔隙結構和含水量影響很小。

2.3 抗滲試驗

聚合物試樣參考了抗滲等級法和自制模具試樣的混凝土試驗標準。試樣形狀為圓形平臺型。樣品的頂部直徑為175 mm，底部直徑為185 mm，高度為150 mm。滲透性試樣如圖1所示；使用DY-200微控制器高滲透儀的測試設備。

低密度試件在水壓作用下容易變形，從而彈出試件模型。改進試驗裝置后，將圓形盲板安裝在試樣頂部，如圖2所示。試樣頂部盲板直徑為175 mm，底部盲板直徑175.6 mm，圓形板高度為10 mm。為了觀察滲水樣本，在盲板中處理觀察到的圓孔。

將試樣放入測試設備的模具中，并在其周圍涂抹密封材料以確保密封效果。在確保試件正確安裝后，從底部開始逐漸施加壓力，初始壓力為0.1 MPa，并每隔3 h增加0.1 MPa。同時，要密切觀察試件頂部是否出現漏水現象，并及時記錄相應的水壓數據。當試件無法承受水壓而發生穿透時，停止試驗。

2.4 剪切試驗

進行剪切實驗需制備的樣品為邊長為100 mm的立方體。膨潤土的含水量為最佳值22%，TFPU的密度為0.46 g/cm3。根據以往灌漿試驗，通過將注入時間固定在30 s來控制TFPU的密度，對TFPU聚合物灌漿材料進行直接剪切試驗，以獲得接觸表面剪切強度的信息。剪切前，向試樣施加設計法向應力（σN），并在剪切過程中保持恒定。采用4個σN（75、300、600和1 200 kPa）。通過以1 mm/min的速率向TFPU膨潤土灌漿材料部分施加水平位移以模擬靜態剪切載荷，實現接觸表面的剪切。通過數據采集系統用于記錄實時水平應力和位移。

3 實驗結果與分析

3.1 滲透實驗結果

對TFPU聚合物灌漿材料的初始滲透壓力值進行測試，測試了12個不同密度的樣品，結果如表1所示。

由表1可知，利用混凝土抗滲等級劃分法，能夠確定不同密度聚合物的抗滲等級。聚合物材料的抗滲透性能與其密度呈正相關，即密度越大，抗滲透性越強。聚合物材料密度達到0.64 g/cm2后，其初始滲透壓力為1.10 MPa，與承受100 m水頭壓力相當，按照混凝土的抗滲等級分類，該聚合物的等級為10級。

3.2 剪切實驗結果分析

先前關于土壤-混凝土或土壤-巖石接觸面的抗剪強度的研究指出，剪切破壞主要發生在接觸面附近的低強度介質中，剪切破壞區的厚度通常約為接觸面長度的1/100～1/10［9］。這里，剪切破壞區的厚度被確定為10 mm，約為接觸表面長度的1/10。根據這一假設，可以獲得剪切位移（γ），即剪切應變，表2列出參數G0、τy、cy和τ0的具體值。τy與σN的變化通常是線性擬合的，可以發現，在第1階段，剪切應力（τ）幾乎隨γ的增加而線性增加；在第2階段，τ的增加率下降，并發生塑性變形。塑性變形是由接觸表面上的損傷逐漸累積造成的，當累積損傷達到其臨界值時，τ達到峰值（屈服點），此后，隨著γ的進一步增加，τ逐漸下降（第3階段），這意味著應變軟化現象。最后，在τ-γ曲線（第四階段）和τ0上達到平穩狀態，第四階段幾乎不變的剪切應力被稱為殘余強度。τ0隨σN增加而增加，應變軟化行為隨σN的增加而變得不明顯。G0表示TFPU膨潤土接觸面的剪切模量。然后可以根據摩爾-庫侖理論獲得接觸面的粘聚力（c）和摩擦角（φ）。計算的c和φ分別為173.3 kPa和39.8°。

4 結語

通過采用了局部滲漏聚合物灌漿技術、快速聚合物密封技術等多項技術，聚合物灌漿技術可有效應用于堤壩防滲加固，具有良好的抗滲性能，可以替代現有的防滲技術。

聚合物灌漿材料的抗滲透性實驗研究顯示，該材料的抗滲透性能與其密度呈正相關，即密度越大，抗滲性能越強。聚合物灌漿材料的抗滲等級依據混凝土的分類方法達到了10級，且在水利工程進行滲透灌漿時，其密度為0.1～0.3 g/cm2，初始滲透壓力處于0.3～0.7 MPa，這相當于30～70 m的水頭壓力。

此外，對聚合物灌漿材料的剪切性能的實驗研究表明：剪切應力-剪切應變的變化是線性擬合的，灌漿材料聚合物和膨潤土接觸面的粘聚力（c）和摩擦角（φ）分別為173.3 kPa和39.8°。

聚合物材料的抗滲性能和剪切實驗結果均符合大壩灌漿漿液滲透性的要求，將為大壩聚合物材料滲透灌漿的設計提供重要依據。

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