注漿新材料在長(zhǎng)江堤防防滲加固中的應(yīng)用

陳 杰

(江蘇省鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)上黨鎮(zhèn)水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，長(zhǎng)江流域的堤防防滲加固問(wèn)題也越來(lái)越突出。長(zhǎng)江是中國(guó)的重要水資源，其防洪能力對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)安全和社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。但是，由于歷史原因，長(zhǎng)江流域的堤防防滲加固工作存在許多問(wèn)題[1]。其中，最重要的問(wèn)題是滲漏問(wèn)題。滲漏不僅會(huì)導(dǎo)致堤防潰決，還會(huì)對(duì)長(zhǎng)江流域的生態(tài)環(huán)境和人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。因此，解決長(zhǎng)江流域堤防防滲加固問(wèn)題已成為當(dāng)務(wù)之急[2]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)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(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)江流域堤防防滲加固工作的需要[3]。因此，研究新材料在長(zhǎng)江流域堤防防滲加固中的應(yīng)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(jiǎn)單、成本低廉、抗?jié)B性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它可以通過(guò)注入漿液來(lái)填充裂縫、修補(bǔ)缺陷、提高堤防的抗?jié)B性能和穩(wěn)定性[4]。傳統(tǒng)的注漿工藝難以避免注漿材料的缺陷影響。為了提高長(zhǎng)江堤防工程的防滲加固效果，此次研究創(chuàng)新性地提出結(jié)合采用聚氨酯注漿新材料構(gòu)建防滲墻以應(yīng)用于長(zhǎng)江流域。研究通過(guò)對(duì)聚氨酯注漿材料的機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)其注漿工藝進(jìn)行了探討，最終提出結(jié)合注漿工藝和防滲墻工藝形成聚氨酯防滲墻，以加強(qiáng)長(zhǎng)江堤防的防滲加固效果。

1 注漿新材料的機(jī)理及在長(zhǎng)江堤防防滲加固中的應(yīng)用研究

1.1 注漿新材料的反應(yīng)機(jī)理研究

注漿是一種通過(guò)使用漿液將水泥等材料注入地層的建筑工程技術(shù)。目前注漿工藝常被用于修補(bǔ)建筑物裂縫和防止水滲漏等領(lǐng)域。注漿材料的主要類(lèi)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(qiáng)大的內(nèi)聚力和可膨脹性能而被廣泛應(yīng)用[5]。聚氨酯硬泡是一種常見(jiàn)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(duì)聚氨酯硬泡的生成機(jī)理過(guò)程進(jìn)行研究。

聚氨酯硬泡生成的第一步便是發(fā)泡反應(yīng)。在聚氨酯漿液中，水的作用是發(fā)泡劑，異氰酸酯組分HN=C=O與水反應(yīng)會(huì)生成大量的CO2，CO2可以使聚氨酯泡沫的發(fā)泡程度呈倍率提升，密度也會(huì)相應(yīng)的降低。低密度的泡沫會(huì)使聚氨酯硬泡注漿材料的強(qiáng)度降低，從而影響注漿工藝的質(zhì)量[6]。除此之外，在滲流注漿工藝的實(shí)際施工中，聚氨酯漿液和水在高壓設(shè)備中混合時(shí)會(huì)形成高強(qiáng)度的對(duì)撞，加強(qiáng)了CO2和聚氨酯泡沫發(fā)泡反應(yīng)。目前該項(xiàng)問(wèn)題在行業(yè)內(nèi)仍然難以解決。不過(guò)該反應(yīng)的發(fā)泡程度可以通過(guò)反應(yīng)時(shí)間的變化進(jìn)行控制，從而保證泡沫具有一定的強(qiáng)度。

發(fā)泡反應(yīng)中的泡沫形變示意圖如圖1所示。因?yàn)镃O2會(huì)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(huì)逐漸飽和形成泡沫。此過(guò)程為放熱反應(yīng)，聚氨酯原料液體系因溫度升高而產(chǎn)生高壓，泡沫會(huì)因?yàn)閴毫Φ奶嵘粔嚎s。當(dāng)溫度降低時(shí)，泡沫會(huì)因不斷地反應(yīng)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。聚氨酯硬泡生成的第二步是凝膠反應(yīng)。由于發(fā)泡反應(yīng)會(huì)放出大量的熱量，氣泡和聚氨酯原料液體系的反應(yīng)會(huì)發(fā)生不斷的交聯(lián)，導(dǎo)致此時(shí)反應(yīng)體系內(nèi)部的粘度越來(lái)越高，直至出現(xiàn)拉絲的情況。聚氨酯硬泡生成的最后一步是三聚反應(yīng)。三聚反應(yīng)通過(guò)生成了碳碳三鍵將泡沫與聚氨酯漿體結(jié)合起來(lái)，生成聚氨酯硬泡[7]。從上述反應(yīng)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(tǒng)中還具有一定的膨脹效果，并且可以通過(guò)控制其膨脹速率保證材料具有一定的強(qiáng)度。由于堤防防滲加固中的注漿材料需要在水流環(huán)境中進(jìn)行截流固土，而聚氨酯材料的優(yōu)點(diǎn)滿(mǎn)足注漿工藝在堤防防滲加固領(lǐng)域中的應(yīng)用，所以聚氨酯材料可以用于堤防的防滲加固中。

圖1 發(fā)泡反應(yīng)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(dāng)?shù)谭莱霈F(xiàn)裂縫孔隙時(shí)，一般可以通過(guò)注漿工藝對(duì)其加固。通過(guò)1.1中聚氨酯材料的反應(yīng)機(jī)理可以得到，聚氨酯材料具有一定的強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度起到承壓的作用，提高堤防的穩(wěn)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(guò)設(shè)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(jù)球形擴(kuò)散理論，可以對(duì)注漿材料進(jìn)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(kuò)散系數(shù)；k—介質(zhì)滲透系數(shù)；t—注漿時(shí)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(zhì)的孔隙率。

當(dāng)?shù)谭揽紫吨凶M(mǎn)注漿材料后，孔隙的受力狀態(tài)是三向應(yīng)力的狀態(tài)。根據(jù)庫(kù)倫準(zhǔn)則可以得到，其主應(yīng)力的表達(dá)式為式(2)。

F=F3tan2α+S

(2)

式中，F(xiàn)—孔隙的主應(yīng)力，MPa；F3—第三向應(yīng)力，MPa；α—孔隙面和平面的夾角，(°)；S—土質(zhì)的抗壓強(qiáng)度，MPa。

堤防孔隙在三向應(yīng)力的狀態(tài)下，其強(qiáng)度極限會(huì)明顯提高，可塑性增強(qiáng)，這也體現(xiàn)了注漿材料加固可以起到提高堤防土質(zhì)的強(qiáng)度的作用。

注漿材料除了可以對(duì)堤防起到加固作用外，還可以產(chǎn)生一定的防滲作用，聚氨酯材料與水混合會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，最終形成具有一定強(qiáng)度和粘性的聚氨酯化合物，從而起到堵實(shí)過(guò)水孔隙，截?cái)嗨鞯淖饔肹9]。聚氨酯材料的膨脹倍率關(guān)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(guò)不同的物理性能進(jìn)行表征。對(duì)于聚氨酯硬泡，其壓縮強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)控制在0.1MPa以上，避免因反應(yīng)過(guò)程中的溫度變化影響泡沫形態(tài)。在實(shí)際注漿工藝施工的過(guò)程中，注漿壓力對(duì)防滲效果的影響也較大，當(dāng)注漿材料的各項(xiàng)物理性能都達(dá)標(biāo)時(shí)，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(jī)、注漿材料漿體、注漿系統(tǒng)和堤防土體5種結(jié)構(gòu)。當(dāng)注漿系統(tǒng)給予的注漿壓力過(guò)小時(shí)，漿液無(wú)法擴(kuò)散至堤防土體中或者無(wú)法擴(kuò)散至孔隙深度位置，無(wú)法起到防滲堵水作用；當(dāng)注漿系統(tǒng)的注漿壓力大于水壓時(shí)，漿液可以擴(kuò)散到堤防孔隙較深的位置，可以發(fā)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(fā)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(zhǎng)江堤防防滲加固中的工藝路線研究

長(zhǎng)江流域是中國(guó)重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，為了保障長(zhǎng)江流域的生態(tài)環(huán)境安全，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)防止水土流失和土壤污染等問(wèn)題。長(zhǎng)江堤防工程是長(zhǎng)江流域重要的防洪設(shè)施之一，其防洪能力直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。通過(guò)防滲加固，可以提高堤防的防洪能力，使得長(zhǎng)江流域的洪水災(zāi)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(shù)，一直被應(yīng)用于不同堤防工程中。雖然傳統(tǒng)的注漿工藝應(yīng)用極為廣泛，但是該工藝中仍然存在難以解決的問(wèn)題，比如當(dāng)注漿材料的膨脹倍率提升過(guò)快時(shí)，其密度會(huì)急速下降形成一定的強(qiáng)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(fā)揮防滲加固的作用。傳統(tǒng)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(xiàn)破裂或者脆裂的現(xiàn)象[14]。為了加強(qiáng)長(zhǎng)江堤防工程的防滲加固效果，此次研究提出結(jié)合注漿新材料，即聚氨酯材料，將其制備成防滲墻用于長(zhǎng)江堤防工程。聚氨酯注漿材料具有質(zhì)量小且對(duì)堤防產(chǎn)生的負(fù)荷較小等優(yōu)點(diǎn)，采用該材料制備的防滲墻不僅抗?jié)B性能強(qiáng)，還具有一定的膨脹性。

長(zhǎng)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(shè)備準(zhǔn)備，工藝所需要的設(shè)備主要有兩種，分別是聚氨酯材料漿液儲(chǔ)存設(shè)備和槽式注漿機(jī)。施工過(guò)程中需要通過(guò)漿液儲(chǔ)存設(shè)備向槽式注漿機(jī)中投入注漿材料。第二步是外力壓槽。由履帶式壓槽機(jī)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(jī)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(jié)構(gòu)彼此之間形成一定的連接關(guān)系，以組合成墻體。第三步是注漿階段。將聚氨酯漿液通過(guò)注漿管傳輸進(jìn)入注漿槽中，聚氨酯材料會(huì)迅速膨脹并填滿(mǎn)注漿槽。第四步是連接階段，當(dāng)一個(gè)注漿槽注漿完成后，會(huì)進(jìn)行下一個(gè)注漿槽的壓槽工程，并在兩個(gè)槽孔之前安裝一個(gè)套孔管，以隔絕兩個(gè)槽孔。按照注漿步驟進(jìn)行第二個(gè)槽孔的注漿。此時(shí)相鄰的兩個(gè)槽孔間形成了連續(xù)的聚氨酯片狀結(jié)構(gòu)，保證了防滲墻的連續(xù)性。第五步是墻體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性檢測(cè)，檢測(cè)的過(guò)程就是重復(fù)壓槽和注漿這兩個(gè)步驟。待到聚氨酯防滲墻建立完成后，便可以對(duì)槽孔進(jìn)行封印[15]。至此，完成長(zhǎng)江堤防工程的聚氨酯防滲墻工藝流程。

圖3 長(zhǎng)江堤防工程的聚氨酯防滲墻工藝圖

2 聚氨酯防滲墻在長(zhǎng)江堤防防滲加固中的應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證文章提出的聚氨酯防滲墻在長(zhǎng)江堤防中的防滲加固效果分析，此次研究通過(guò)FLAC3D軟件構(gòu)建長(zhǎng)江堤防三維模型圖，通過(guò)模型仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)聚氨酯防滲墻的效果進(jìn)行分析。首先構(gòu)建一個(gè)長(zhǎng)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(shè)計(jì)聚氨酯防滲墻結(jié)構(gòu)，底部為不透水層。

模型參數(shù)表見(jiàn)表1。此次研究的模型采用混凝土材料和砂漿材料為對(duì)比材料構(gòu)建防滲墻，分別將三種防滲墻應(yīng)用于堤岸模型中，對(duì)采用不同材料的防滲墻強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行研究，再對(duì)應(yīng)用不同防滲墻前后的堤岸應(yīng)力變化和堤岸孔隙的水壓變化情況來(lái)判斷其防滲加固的效果。

表1 模型參數(shù)表

不同材料下的防滲墻強(qiáng)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。可以看到，聚氨酯防滲墻的強(qiáng)度在90kPa以上，最高可以達(dá)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(qiáng)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(shí)用價(jià)值。

圖4 不同材料下的防滲墻強(qiáng)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。可以看到，當(dāng)岸邊距離為1～5m時(shí)，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(shí)，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(shuō)明堤防的穩(wěn)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。可以看到，當(dāng)?shù)谭赖桨哆吘嚯x為0m時(shí)，加固前的堤防孔隙水壓和通過(guò)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(shì)基本一致。當(dāng)岸邊距離為5m時(shí)，加固前，以及通過(guò)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(shuō)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(yōu)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(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)江堤防的防滲加固工程一直是重要的研究熱點(diǎn)。為了可以提高長(zhǎng)江堤岸防滲加固的效果，此次研究通過(guò)結(jié)合注漿工藝和防滲墻工藝，構(gòu)建了一種新型的聚氨酯防滲墻，并對(duì)其應(yīng)用工藝路線進(jìn)行了探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚氨酯防滲墻不僅可以達(dá)到96kPa的強(qiáng)度，還具有19年的耐久度。同時(shí)，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(qiáng)的穩(wěn)固性能，且堤岸孔隙水壓可以實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)江堤岸的防滲加固效果。后續(xù)可以將其應(yīng)用于實(shí)際的堤防工藝中，探究其應(yīng)用效果。