基于灌漿技術(shù)的水利工程用聚合物灌漿材料抗?jié)B特性試驗(yàn)研究

摘 要：研究聚氨酯泡沫其非水反應(yīng)聚合物灌漿材料的抗?jié)B特性，并分析其作為綜合性能材料在水利工程中的應(yīng)用。采用抗?jié)B等級(jí)法，測(cè)試了聚合物灌漿材料在不同初始?jí)毫筒煌芏认碌目節(jié)B性能。分析了聚合物灌漿技術(shù)的環(huán)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(shù)特征。試驗(yàn)結(jié)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(shù)表現(xiàn)出良好的防滲性能和耐久性。聚合物灌漿技術(shù)適用于水利工程的防滲工程，通過控制灌漿量和調(diào)節(jié)材料密度，可以滿足不同工程的抗?jié)B要求。該技術(shù)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(wěn)定性。然而，為了充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，還需要根據(jù)具體工程需求進(jìn)行進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：聚合物；灌漿材料；抗?jié)B特性；滲透性；水利工程

中圖分類號(hào)：

TQ323.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號(hào)：

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(hù)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(jīng)原有水庫的除險(xiǎn)加固改造超過3 500個(gè)，新建和加固維護(hù)各類堤防長度近2萬km，從而對(duì)保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民安居樂業(yè)發(fā)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(shè)施存在著然而不同程度的風(fēng)險(xiǎn)，相當(dāng)一部分中小型水庫存在著年久失修，老化嚴(yán)重，對(duì)此類水利工程的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估仍然缺乏科學(xué)準(zhǔn)確的勘測(cè)與規(guī)劃［2］。在水利工程的施工和水利工程設(shè)施的運(yùn)行中，由于各種原因所導(dǎo)致的滲水已成為引發(fā)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(dá)到阻止?jié)B水的目的，是最常用的防滲措施之一［5］。近年來，工程領(lǐng)域的科學(xué)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(tǒng)的混凝土灌漿材料［6-7］。

1 聚合物防滲墻的主要技術(shù)特點(diǎn)

聚合物灌漿材料在土壤中不會(huì)和水產(chǎn)生反應(yīng)，往往以斑片狀擴(kuò)散的方式滲透。鑒于潰壩可能帶來的洪水和破壞風(fēng)險(xiǎn)，建議使用聚合物防滲墻技術(shù)，該技術(shù)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(shù)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(duì)壩體的干擾。灌漿材料主要成分為不同水反應(yīng)的高聚物，整個(gè)灌漿過程中沒有使用到傳統(tǒng)的水及泥漿；

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

（3）此技術(shù)施工速度快捷便利。聚合物防滲墻技術(shù)展現(xiàn)了高施工速度和自動(dòng)化程度，尤其在密封和連續(xù)灌漿作業(yè)中；

（4）此技術(shù)是一種環(huán)境友型技術(shù)。聚合物灌漿材料主要成分均為環(huán)保型材料，對(duì)土壤、水體等均不會(huì)產(chǎn)生污染，在施工過程中亦無廢水、污泥的產(chǎn)生；

（5）聚合物防滲墻技術(shù)的應(yīng)用范圍有一定限制。它適用于由粘性粉土、砂土等構(gòu)成的壩體和壩基的防滲墻施工。然而，由于靜壓孔設(shè)備無法壓入槽板中，但是此技術(shù)不適用于含砂礫的基礎(chǔ)、填充物中的石頭或巖石。因?yàn)樵谏鲜霏h(huán)境中，靜壓孔設(shè)備難以壓入槽板。同時(shí)，受施工設(shè)備和技術(shù)條件所限，此技術(shù)僅適用于深度小于30 m的防滲墻施工。且此技術(shù)在高鹽和強(qiáng)酸環(huán)境中也無法適用。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 聚合物灌漿材料抗?jié)B透特性的試驗(yàn)方法和評(píng)估

由于聚合物灌漿材料沒有標(biāo)準(zhǔn)化的抗?jié)B試驗(yàn)，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(píng)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(yàn)在建筑、水利等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。混凝土材料的抗?jié)B性是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)指標(biāo)。傳統(tǒng)的方法有3種，穩(wěn)流法、滲透深度法和抗?jié)B等級(jí)法。

穩(wěn)定流法要求將試樣的每一側(cè)進(jìn)行密封處理，并在其中一側(cè)施加壓力。待試樣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過測(cè)量指定時(shí)間段內(nèi)混凝土特定厚度處的滲透量來評(píng)估其滲透性能，根據(jù)達(dá)西定律，其計(jì)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(shí)間；A為樣本的橫截面積；K為測(cè)得的動(dòng)態(tài)滲透系數(shù)；Δh為樣本所受到的靜水壓力差；L為樣本的高度。

穩(wěn)定流法主要被應(yīng)用于對(duì)高滲透性進(jìn)行研究和適用于達(dá)西定律的材料中，例如混凝土等建筑材料。然而，其應(yīng)用受到材料強(qiáng)度和齡期的限制。

液體在混凝土內(nèi)滲透的距離被測(cè)量后，可用來評(píng)估其抗?jié)B透性能，這種方法被稱為滲透深度測(cè)量法。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通常會(huì)對(duì)試樣施加一次性的壓力，并在24 h后將恒壓試樣進(jìn)行分離，隨后測(cè)量水的平均滲透高度。而滲透系數(shù)則可以通過相應(yīng)的式（2）進(jìn)行計(jì)算：

Kp=d2v/（2tH）（2）

式中：KP代表通過滲透深度法測(cè)得的滲透系數(shù)；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(xù)的時(shí)間；H為頭部的高度。需要指出的是，在使用穿透深度法時(shí)，測(cè)量穿透深度是一個(gè)挑戰(zhàn)。通過滲流高度試驗(yàn)，可以對(duì)比不同混凝土的防滲能力，并且可以利用達(dá)西公式來計(jì)算出混凝土的滲透率。

抗?jié)B等級(jí)法試驗(yàn)中，初始階段對(duì)6個(gè)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(gè)試樣通過水壓測(cè)試，并記錄下此時(shí)的水壓值。利用一種簡(jiǎn)單的線性轉(zhuǎn)換方式，可以把所記錄下的最大水壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的抗?jié)B等級(jí)。此方法相對(duì)簡(jiǎn)便，常常被應(yīng)用于工程中對(duì)混凝土抗?jié)B性能進(jìn)行評(píng)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(yàn)所需時(shí)間較長，效率有所降低。

混凝土抗?jié)B試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)不僅在國家層面上有所規(guī)定，同時(shí)在行業(yè)內(nèi)部也有著相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，不同的標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)試方法上存在差異。例如，美國、英國、德國等歐洲國家在進(jìn)行混凝土抗?jié)B試驗(yàn)時(shí)，將滲水高度作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，它為試件的最大滲水位置。在我國，所有標(biāo)準(zhǔn)體系均參用平均滲水高度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)［8］。

2.2 試件制備

使用鈣基膨潤土和TFPU灌漿材料制備測(cè)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(shí)膨潤土，每層用重負(fù)荷沖擊30次，達(dá)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(yīng)產(chǎn)物，質(zhì)量比為1∶1。異氰酸酯和多元醇是液體，然后將2個(gè)液滴同時(shí)注入封閉的模具中。原料之間的聚合反應(yīng)發(fā)生得如此之快，以至于它們無法用普通的機(jī)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(shí)荷載相比，TFPU的膨脹力較小；因此，TFPU的灌漿過程對(duì)膨潤土的孔隙結(jié)構(gòu)和含水量影響很小。

2.3 抗?jié)B試驗(yàn)

聚合物試樣參考了抗?jié)B等級(jí)法和自制模具試樣的混凝土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。試樣形狀為圓形平臺(tái)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(cè)試設(shè)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(jìn)試驗(yàn)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(cè)試設(shè)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?jí)毫?.1 MPa，并每隔3 h增加0.1 MPa。同時(shí)，要密切觀察試件頂部是否出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，并及時(shí)記錄相應(yīng)的水壓數(shù)據(jù)。當(dāng)試件無法承受水壓而發(fā)生穿透時(shí)，停止試驗(yàn)。

2.4 剪切試驗(yàn)

進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)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(jù)以往灌漿試驗(yàn)，通過將注入時(shí)間固定在30 s來控制TFPU的密度，對(duì)TFPU聚合物灌漿材料進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，以獲得接觸表面剪切強(qiáng)度的信息。剪切前，向試樣施加設(shè)計(jì)法向應(yīng)力（σN），并在剪切過程中保持恒定。采用4個(gè)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(tài)剪切載荷，實(shí)現(xiàn)接觸表面的剪切。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于記錄實(shí)時(shí)水平應(yīng)力和位移。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)TFPU聚合物灌漿材料的初始滲透壓力值進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試了12個(gè)不同密度的樣品，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，利用混凝土抗?jié)B等級(jí)劃分法，能夠確定不同密度聚合物的抗?jié)B等級(jí)。聚合物材料的抗?jié)B透性能與其密度呈正相關(guān)，即密度越大，抗?jié)B透性越強(qiáng)。聚合物材料密度達(dá)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(dāng)，按照混凝土的抗?jié)B等級(jí)分類，該聚合物的等級(jí)為10級(jí)。

3.2 剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

先前關(guān)于土壤-混凝土或土壤-巖石接觸面的抗剪強(qiáng)度的研究指出，剪切破壞主要發(fā)生在接觸面附近的低強(qiáng)度介質(zhì)中，剪切破壞區(qū)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(qū)的厚度被確定為10 mm，約為接觸表面長度的1/10。根據(jù)這一假設(shè)，可以獲得剪切位移（γ），即剪切應(yīng)變，表2列出參數(shù)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(fā)現(xiàn)，在第1階段，剪切應(yīng)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(fā)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(dāng)累積損傷達(dá)到其臨界值時(shí)，τ達(dá)到峰值（屈服點(diǎn)），此后，隨著γ的進(jìn)一步增加，τ逐漸下降（第3階段），這意味著應(yīng)變軟化現(xiàn)象。最后，在τ-γ曲線（第四階段）和τ0上達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，第四階段幾乎不變的剪切應(yīng)力被稱為殘余強(qiáng)度。τ0隨σN增加而增加，應(yīng)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(jù)摩爾-庫侖理論獲得接觸面的粘聚力（c）和摩擦角（φ）。計(jì)算的c和φ分別為173.3 kPa和39.8°。

4 結(jié)語

通過采用了局部滲漏聚合物灌漿技術(shù)、快速聚合物密封技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，聚合物灌漿技術(shù)可有效應(yīng)用于堤壩防滲加固，具有良好的抗?jié)B性能，可以替代現(xiàn)有的防滲技術(shù)。

聚合物灌漿材料的抗?jié)B透性實(shí)驗(yàn)研究顯示，該材料的抗?jié)B透性能與其密度呈正相關(guān)，即密度越大，抗?jié)B性能越強(qiáng)。聚合物灌漿材料的抗?jié)B等級(jí)依據(jù)混凝土的分類方法達(dá)到了10級(jí)，且在水利工程進(jìn)行滲透灌漿時(shí)，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(dāng)于30～70 m的水頭壓力。

此外，對(duì)聚合物灌漿材料的剪切性能的實(shí)驗(yàn)研究表明：剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)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?jié)B性能和剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

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