高聚物注浆技术在石拉渊拦河闸除险加固工程中的应用效果分析

刘中伟

(临沂市河东区水务局，山东 临沂 276000)

石拉渊拦河闸是石拉渊灌区取水口壅水建筑物，位于沭河干流，闸址以上控制流域面积为3332 km2,设计蓄水量372.3万m3。该闸始建于1958年，1962年扩建，已运行50余年，由于建设时受经济条件的制约，石拉渊拦河闸上游渠道存在不同程度的渗水问题，不仅造成了极大的渠道安全隐患，还将抬高沿线地下水位，产生土壤次生盐碱化。因此对石拉渊拦河闸上游渠道进行全断面防渗是非常必要的。

1 高聚物注浆技术介绍

根据勘察和检测报告，石拉渊拦河闸上游沿岸渠坝多为半挖半填和全填，渠堤填筑材料主要为重粉质壤土或粉质黏土，渠基土地质结构类型主要为黏性土均一结构和黏砂多层结构。考虑到防渗施工要求为增强渠堤整体的稳定性，但不能影响正常的蓄水任务，不造成水质污染和环境破坏，不能对渠堤进行削顶扩宽处理，施工机械满足5m渠顶宽度进行作业的要求，决定采用高聚物注浆技术进行渠坝的防渗加固。

高聚物注浆技术的工艺为：使用高压力设备将高密度聚合物注射到地下指定位置，树脂和硬化剂这两类高聚物材料相互混合发生化学反应，由液体变成泡沫状固体，体积迅速膨胀，将坝体内预先定位的空隙填满后继续向上填充，然后在新的注浆位置上重新注入高聚物材料，直到高聚物泡沫相互搭接将整个坝体空腔填满，形成高聚物幕墙。同时可以根据不同工程的修复需求，有针对性地调节反应时间、密度、膨胀率、强度等技术参数，从而达到更好的防渗效果。

针对石拉渊拦河闸上游渠道防渗加固的实际需求和其他防渗技术存在的主要问题，需对高聚物注浆技术的防渗效果、堤坝稳定影响、防渗墙抗震抗裂性能等方面进行进一步的可行性分析，以确定是否满足工程设计要求。

2 防渗效果分析

以52+450～53+636和47+100～48+230渠道为试验段分析高聚物防渗墙防渗效果。上述桩号渠段分别为半填半挖和全填方渠段。考虑到渠道建成后可能因衬砌和土工膜开裂或渠堤填筑质量不合格而导致防渗失效，采用有限元法分析渠道防渗失效后高聚物防渗墙所起的截渗作用和效果。

2.1 计算内容

渗流分析计算的主要内容包括：地质条件的综合分析，最不利工况的确定，渠道及附近区域渗流场内的水头、压力、坡降、渗流量等水力要素的计算，渗流状态综合分析与评价等。

2.2 基本理论及计算分析结果

2.2.1 基本理论

土体在渗流作用下发生破坏，由于土体颗粒级配和土体结构的不同，破坏形式主要有管涌、流土、接触流失和接触冲刷4种。

依据《水利水电工程地质勘察规范》(SL 274—2001)，渗透稳定分析包括以下内容：ⓐ土的渗透变形类型的判别；ⓑ流土和管涌的临界水力坡降的确定；ⓒ土的允许水力坡降的确定。

对于填筑土料及地质情况，可能存在的破坏形式有流土、接触流失和接触冲刷。

为防止渠坡渗透破坏，渗透分析利用有限元数值分析方法进行，采用AutoBANK v5.1系统进行计算分析，计算断面渗流场情况。

2.2.2 计算工况

本次渗透稳定计算其目的是为了确定防渗墙在渠道防渗失效后所起的作用和防渗效果，而对渠道而言，选择最不利工况：渠道加大水位+土工膜完全失效作为本次渗透稳定计算工况。

2.2.3 计算参数

根据渠堤填筑的复勘成果，各渠段渠堤渗透系数均远小于原设计勘察成果，为确保总体渠道安全，本次渗透稳定复核渠堤填土采用原设计勘察成果最不利参数进行，高聚物防渗墙渗透系数也采用较大值，渗透计算参数见表1。

2.2.4 典型断面计算成果及分析

防渗墙布置范围内渠堤填高均大于3m，分为全填方和半填半挖两种断面型式，各断面型式选取一个典型断面作为代表断面进行计算。通过计算得到当渠道衬砌及防渗材料全部失效后，在防渗墙的截渗作用下，渠堤堤身、堤基及背水坡渗流出逸段的渗透稳定性。

表1 典型断面渗透稳定计算参数

经有限元计算，各典型断面均在外坡脚处逸出，逸出段的计算渗透比降也有所不同，渗透计算成果见表2。

各典型断面渗流分析计算见图1、图2。

实际高聚物防渗墙渗透系数达 10-8～10-9cm/s，实验结果表明：高聚物防渗墙的防渗性能完全满足总渠道渠堤的防渗要求，能够减小出逸点渗透比降，防止渠堤坡脚出逸点渗透破坏。

表2 典型断面防渗墙作用下渗透计算成果

图1 典型半填半挖断面渗流计算成果 (单位：m)

图2 全填方断面渗流计算成果 (单位：m)

3 对堤坝稳定影响分析

由于渠道渠堤填方较高，堤顶较窄，采用锯槽等方式在渠堤上开槽将渠堤一分为二，破坏了渠堤的整体性。而高聚物防渗墙采用静力压入及无水注浆方法，槽孔很小，且注浆后15min即可达到墙体强度的 90%，极大地减少了对渠堤的扰动破坏。高聚物材料与土体胶结为一体，变形协调，增强了渠堤整体稳定性。

由于在渠堤中所形成的高聚物防渗墙厚度很薄，经过高聚物与土的胶结作用后，渠堤整体稳定性应高于原渠堤。现以原渠堤(不考虑高聚物防渗墙的作用)结合布置防渗墙之后渗流状态来复核渠堤整体稳定性。若渠堤稳定，则可认为经过高聚物的胶结作用后的实际渠堤的稳定性可以得到保证。

现以高填方断面为典型断面，采用毕肖普法计算内外边坡抗滑稳定的安全系数。与原设计相比，本方案在渠堤上布置防渗墙后，仅校核工况Ⅰ(渠内加大水深，土工膜防渗完全失效，防渗墙起截渗作用，计算渠堤内坡稳定)与原设计有所不同，其他计算工况边界条件与原设计相同，不再复核。

经计算，校核工况Ⅰ下内外边坡的安全系数分别为1.742 和 1.479，满足渠道设计要求，计算结果见图3、图4。

图3 渠道防渗失效内坡复核计算成果 (单位：m)

图4 渠道防渗失效外坡复核计算成果 (单位：m)

从计算结果可以看出，由于防渗墙的修建，以防渗墙为界，渠堤内侧浸润线被壅高，而渠堤外侧浸润线则有所降低，浸润线出逸点降低，由于浸润线的变化渠堤内外边坡稳定性均有所变化，但与原设计(内外边坡的安全系数分别为1.93和1.31)相比，差别不大，且仍能保持内外渠坡的整体稳定。

可见，即使不考虑高聚物对渠堤的胶结加固作用，采用高聚物防渗墙后渠堤内外边坡仍能保持稳定，考虑到高聚物对渠堤的胶结加固作用，渠堤整体稳定性将比原设计好。

4 高聚物防渗墙抗震抗裂性能分析

高聚物防渗墙为超薄型柔性防渗墙，其弹性模量与土体非常接近，能够与土体协调变形，而且墙体仅厚1～2cm，因此无论是在静力作用下还是在地震荷载作用下，坝体内拉应力远小于混凝土防渗墙。石拉渊拦河闸工程设计地震烈度为Ⅶ度，采用柔性防渗强有利于渠堤抗震。

为分析高聚物防渗墙在自重、静水压力和地震荷载作用下的静动力特性，对比分析计算普通和塑性混凝土防渗墙、高聚物防渗墙的受荷动静力特性及最大应力分布情况等。

坝体为均质土坝，坝基主要由细砂和重粉质壤土等组成，工程地质条件较好。坝体新做一道高聚物注浆防渗墙，高聚物注浆防渗墙布置为：距坝轴线上游0.5m 处，墙体厚 2cm，防渗墙总长215m。

采用SAP2000软件对该土石坝进行网格剖分和计算，在工况Ⅰ(堤坝在自重和静水压力下)和工况Ⅱ(堤坝在地震作用下)状态下，分别对普通混凝土防渗墙、塑性混凝土防渗墙和高聚物防渗墙的静、动应力进行计算分析。

在有限元建模分析中坝体材料采用Duncan-Chang非线性模型，防渗墙与土体间设置接触单元；地震加速度时程分析采用 El-centro地震波调幅0.6g输入，阻尼采用瑞利阻尼。两种工况下得到的三种防渗墙体内部的最大应力对比见图5、图6。

图5 静力作用下防渗墙内部最大应力对比

图6 地震荷载下防渗墙内部最大应力对比

上述计算分析表明，土石坝在静、动力荷载作用下，在工况Ⅰ中，普通混凝土防渗墙内部产生的最大压力为4.39MPa，塑性混凝土防渗墙内部产生的最大压力为2.32MPa，非常接近塑性混凝土材料2.4MPa的抗压极限，而高聚物防渗墙内部产生的最大压力为0.18MPa，远未达到其1.15MPa的抗压极限。在工况Ⅱ中，普通混凝土防渗墙的最大拉应力为2.0MPa，超过了其材料1.5MPa的抗拉极限，塑性混凝土防渗墙的最大拉应力为0.71MPa，也超过了其材料0.35MPa的抗拉极限，而高聚物防渗墙的最大拉应力为0.25MPa，远未达到其材料1.2MPa的抗拉极限，因此高聚物防渗墙的抗震抗裂性格更好，安全性更高。

5 结 语

在高聚物防渗墙试验段进行施工过程中，发现该技术具有诸多施工优点，主要包括：ⓐ对坝体扰动小：高聚物防渗墙技术采用静力压槽方式，极大地减少了对坝体的扰动破坏；ⓑ对环境无影响：高聚物注浆材料为非水反应类高聚物材料，注浆施工过程中不需要水的参与，也不需要泥浆护壁，因此施工过程不产生污泥污水，对周边环境无影响；ⓒ施工快捷方便：高聚物防渗墙技术压槽、封孔、注浆连续作业，自动化程度高，施工速度快；高聚物材料注射后15min即形成90%左右的强度；ⓓ施工装备体积较小，操作方便，适应性较强：施工设备轻便灵活，施工场地实用性强，能够在3.5m宽的堤坝顶构建防渗墙，无须另建施工便道，也不需要对渠堤进行削顶处理。

高聚物注浆结束后，对防渗墙进行实地开挖，现场检验发现：

a.通过对防渗墙两侧含水量进行对比发现：高聚物注浆防渗墙的防渗性能优良，符合设计要求。

b.高聚物在堤坝坝体扩展过程中对附近的土体进行挤密，注浆材料在注浆压力的作用下对周围的堤坝坝体有较强的渗透胶结作用，并与之紧密结合，与周围土体很难剥离，用大量的水冲洗后发现防渗墙周围有大量根须，与土体紧密连接在一起，这样显著增强了堤坝的整体稳定性。

c.对成型墙体进行取样检测表明：墙体弹性模量与土体接近，变形协调，抗震抗裂性能优良。