灌浆技术在安溪县水库防渗中应用的可行性研究

陈泽号

(福建省安溪县村内水库管理处，福建 安溪 362442)

1 概 述

在大坝安全监测与管理中，直接导致水库溃决的主要风险因素有大坝边坡过陡、浸润线逸出、裂缝、渗漏、滑坡、坝坡沟渠及排水施工的排水能力不足、排水构筑物堵塞、排水结构建筑物错位、断裂、崩塌、安全超高不足、抗震能力不足、地震等。其中洪水和渗流造成破坏的概率较大，溃坝主要是洪水漫顶、边坡稳定性差、坝体振动液化等。因此，消除和控制水库大坝的潜在风险因素具有重要意义。

2 聚合物防渗墙主要技术特点

聚合物灌浆主要是通过自膨胀作用将土体劈裂、压实，并对土体界面产生渗透和胶结作用。在土壤中发生非水反应的聚合物灌浆材料通常会产生片状扩散。考虑到水库大坝溃坝造成洪水灾害和破坏的高风险性，采用均匀黏结的聚合物防渗墙技术进行防渗堵漏，其性能如下：

1)对大坝扰动小。采用目前最薄的聚合物防渗墙技术，可在坝体内修建厚度为12 cm的防渗墙。静压开槽方式大大减少对大坝的扰动。灌浆材料由非水反应聚合物材料制成。灌浆施工过程不需要水和泥浆支撑。

2)优良的防渗性能和高耐久性。作为柔性防渗墙，聚合物防渗墙的弹性模量接近于土壤的弹性模量。它与土体变形协调性好，抗震抗裂性能好。

3)施工快捷方便。聚合物防渗墙技术在封孔和连续灌浆作业中施工速度快，自动化程度高。聚合物材料注射后15 min内强度可达到最大值的90%，无需维护。

4)对环境无影响。聚合物灌浆材料对水土无污染，施工过程中不产生污泥废水，对周围环境无影响。

5)防渗墙技术的适用条件。聚合物防渗墙技术仅适用于坝体防渗墙和黏土、粉砂、砂土等坝基的施工，静压孔设备不能压入槽板；聚合物防渗墙不适用于填有砂砾、石头或岩石的地基。受施工设备和技术条件的限制，聚合物防渗墙技术只适用于深度小于30 m的防渗墙，聚合物材料的耐酸性较弱，不适合在强酸性环境中应用。

3 聚合物防渗墙抗震抗裂性能分析

聚合物防渗墙是一种超薄柔性防渗墙，其弹性模量与土的弹性模量非常接近，与土体变形协调，墙宽仅1～3 cm。无论是静力工况还是地震荷载作用下，坝体的拉应力均小于混凝土防渗墙的拉应力，水库大坝在地震活动中可以利用柔性防渗墙。

为了分析聚合物防渗墙在重力、静水压力和地震荷载作用下的静动力特性，本文以安溪县某水库大坝工程为例，计算聚合物防渗墙、塑性混凝土防渗墙和普通混凝土防渗墙的静力特性和最大应力分布。

该坝体为均质土坝，坝顶长约340 m，坝基由优质粉砂、细砂、云母石英片岩组成，地质条件良好。新建大坝采用聚合物灌浆防渗墙，聚合物灌浆防渗墙方案为：距坝上游轴线0.5 m，墙厚2 cm，坝顶高程77.15 m，防渗墙长度215 m。

本文利用ALGOR软件对土石坝进行网格划分，并且在以下两种工况条件分别对聚合物防渗墙、塑性混凝土防渗墙和普通混凝土防渗墙进行计算分析：

工况Ⅰ：土石坝自重和静水压力下的应力分析

工况Ⅱ：地震荷载作用下土石坝动应力分析

在有限元模型分析中，将邓肯-张非线性模型应用于大坝材料。在防渗墙与土壤之间设置接触单元，两种情况下防渗墙内部最大应力对比见图1和图2。

图1 静载作用下地下连续墙最大应力比较

图2 地震荷载作用下防渗墙最大应力对比图

计算结果表明，在静动荷载作用下，聚合物防渗墙的内应力值远小于普通混凝土防渗墙和塑性混凝土防渗墙。塑性混凝土防渗墙的内部应力几乎超限，聚合物防渗墙在工况Ⅱ下仍有较大的安全裕度。塑性混凝土和普通混凝土防渗墙均超过破坏极限，而聚合物防渗墙却远未达到破坏极限。

4 聚合物灌浆在水库大坝防渗工程中应用的可行性

针对水库大坝防渗加固的必要性，结合聚合物灌浆材料的特点，可将聚合物灌浆技术应用于水库大坝防渗工程的以下几个方面。

4.1 水库大坝坝基防渗

针对高防渗要求的水库大坝，将厚度为1～3 cm的聚合物防渗层均匀喷在基座顶部，以满足平整度的要求。利用高分子材料快速成型、强度高、不易刺穿、防渗等级高、与土壤紧密结合的特点，可形成坚固、稳定、持久的防渗体，以达到防渗的目的。见图3。

图3 水库大坝坝基聚合物渗流控制示意图

4.2 水库坝址区防渗

在水库大坝施工中的副坝或堆积坝中，为保护周边边坡环境免受水库的影响，可在边坡上均匀喷洒厚1～3 cm的聚合物防渗层，见图4。具体方法是按原设计在聚合物防渗层上方进行喷射混凝土浆液施工，形成坚固、稳定、耐久的防渗体，达到防渗的目的。

图4 水库大坝聚合物场地边坡防渗示意图

4.3 水库大坝防渗加固：提高安全运行的可靠性

4.3.1 水库大坝局部防渗加固

1)局部泄漏聚合物灌浆。使用灌浆管，将聚合物材料注入预定位置。随着高分子材料的快速膨胀，粗粒土与土壤之间的空隙被填充，或者土壤与建筑物之间的接触间隙被填充，从而形成坚固、稳定、耐用的防渗体，达到防渗的目的。局部渗漏聚合物灌浆示意图见图5。

图5 局部渗漏聚合物灌浆示意图

2)快速薄膜袋聚合物灌浆。将土工布袋绑在空心钢管中，并将其放置在入口管道泄漏点一定深度处。然后，将双组分聚合物材料注入管道口的土工布袋中。材料体积膨胀，反应后固化，实现管道通道入口的快速关闭，结果见图6。此外，通过向管沟内注入聚合物材料的孔道灌浆技术，堵塞管道通道，加固大坝，提高大坝的整体稳定性。

图6 快速薄膜袋式聚合物灌浆示意图

4.3.2 水库大坝连续防渗加固

1)定向劈裂聚合物灌浆。采用静态压入法，将专用定向压裂裂缝钻压入土中，形成对称的劈裂缝柱状钻孔。然后，向孔内注入双组分聚合物灌浆材料。高分子材料经过化学反应后迅速膨胀，膨胀力促使现有对称裂缝的圆孔不断膨胀，泥浆侵入膨胀裂缝，形成重叠的片状聚合物防渗体，见图7，达到处理大坝局部渗漏的目的。

图7 聚合物定向劈裂灌浆示意图

2)聚合物帷幕灌浆。通过注浆管将聚合物材料注入预定位置，将聚合物材料快速膨胀固化填充到岩土体中的空隙中，将密实的岩土体压实，形成一个牢固稳定的防水层。同时，根据大坝渗漏部位的确定和防渗设计方案，在道碴中通过静压设备将双翼式钻具压入需要处理的部位，形成相互重叠的窄缝。利用注浆管向孔内注浆，双组分聚合物材料迅速反应、膨胀和流动，填充孔模，固化和胶结周围的土壤。孔模相互交叉或连续相邻重叠，形成薄的聚合物防渗帷幕，达到处理大坝渗漏的目的。在图8中可以看到构造的帘幕。

图8 聚合物帷幕灌浆示意图

3)超薄聚合物防渗墙。根据大坝渗流的设计要求，在需要加固的坝段，用静压设备将专用钻具压入大坝，形成连续的细孔。然后，通过注入管向孔内注入双组分聚合物材料。聚合物材料在化学反应后迅速膨胀，填充灌浆孔的模具并形成聚合物板体。孔的相邻模具连续重叠，灌浆后形成连续的薄聚合物防渗墙，以达到改善大坝渗流性能的目的，见图9。

图9 超薄聚合物防渗墙示意图

5 结 语

为了研究非水反应聚合物灌浆技术在尾矿库防渗中应用的可行性，了解其在实际工程中的性能，对其环境影响、抗化学性和聚合物材料的渗透性进行了分析，并对其主要技术特点进行分析，对聚合物防渗墙进行研究。研究结要表明，非水反应聚合物灌浆材料具有环保、安全、反应快、可调性好、膨胀性好、性能好、使用寿命长等特点，是一种综合性能较好的灌浆材料。