灌漿技術在安溪縣水庫防滲中應用的可行性研究

陳澤號

(福建省安溪縣村內水庫管理處，福建 安溪 362442)

1 概 述

在大壩安全監測與管理中，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，并對土體界面產生滲透和膠結作用。在土壤中發生非水反應的聚合物灌漿材料通常會產生片狀擴散。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。它與土體變形協調性好，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灌漿作業中施工速度快，自動化程度高。聚合物材料注射后15 min內強度可達到最大值的90%，無需維護。

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

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，與土體變形協調，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。

該壩體為均質土壩，壩頂長約340 m，壩基由優質粉砂、細砂、云母石英片巖組成，地質條件良好。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部最大應力對比見圖1和圖2。

圖1 靜載作用下地下連續墻最大應力比較

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，實現管道通道入口的快速關閉，結果見圖6。此外，通過向管溝內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 水庫大壩連續防滲加固

1)定向劈裂聚合物灌漿。采用靜態壓入法，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，向孔內注入雙組分聚合物灌漿材料。高分子材料經過化學反應后迅速膨脹，膨脹力促使現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，形成一個牢固穩定的防水層。同時，根據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，形成連續的細孔。然后，通過注入管向孔內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。孔的相鄰模具連續重疊，灌漿后形成連續的薄聚合物防滲墻，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保、安全、反應快、可調性好、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。