高聚物注漿技術(shù)在石拉淵攔河閘除險加固工程中的應(yīng)用效果分析

劉中偉

(臨沂市河?xùn)|區(qū)水務(wù)局，山東 臨沂 276000)

石拉淵攔河閘是石拉淵灌區(qū)取水口壅水建筑物，位于沭河干流，閘址以上控制流域面積為3332 km2,設(shè)計(jì)蓄水量372.3萬m3。該閘始建于1958年，1962年擴(kuò)建，已運(yùn)行50余年，由于建設(shè)時受經(jīng)濟(jì)條件的制約，石拉淵攔河閘上游渠道存在不同程度的滲水問題，不僅造成了極大的渠道安全隱患，還將抬高沿線地下水位，產(chǎn)生土壤次生鹽堿化。因此對石拉淵攔河閘上游渠道進(jìn)行全斷面防滲是非常必要的。

1 高聚物注漿技術(shù)介紹

根據(jù)勘察和檢測報告，石拉淵攔河閘上游沿岸渠壩多為半挖半填和全填，渠堤填筑材料主要為重粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)黏土，渠基土地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型主要為黏性土均一結(jié)構(gòu)和黏砂多層結(jié)構(gòu)?？紤]到防滲施工要求為增強(qiáng)渠堤整體的穩(wěn)定性，但不能影響正常的蓄水任務(wù)，不造成水質(zhì)污染和環(huán)境破壞，不能對渠堤進(jìn)行削頂擴(kuò)寬處理，施工機(jī)械滿足5m渠頂寬度進(jìn)行作業(yè)的要求，決定采用高聚物注漿技術(shù)進(jìn)行渠壩的防滲加固。

高聚物注漿技術(shù)的工藝為：使用高壓力設(shè)備將高密度聚合物注射到地下指定位置，樹脂和硬化劑這兩類高聚物材料相互混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由液體變成泡沫狀固體，體積迅速膨脹，將壩體內(nèi)預(yù)先定位的空隙填滿后繼續(xù)向上填充，然后在新的注漿位置上重新注入高聚物材料，直到高聚物泡沫相互搭接將整個壩體空腔填滿，形成高聚物幕墻。同時可以根據(jù)不同工程的修復(fù)需求，有針對性地調(diào)節(jié)反應(yīng)時間、密度、膨脹率、強(qiáng)度等技術(shù)參數(shù)，從而達(dá)到更好的防滲效果。

針對石拉淵攔河閘上游渠道防滲加固的實(shí)際需求和其他防滲技術(shù)存在的主要問題，需對高聚物注漿技術(shù)的防滲效果、堤壩穩(wěn)定影響、防滲墻抗震抗裂性能等方面進(jìn)行進(jìn)一步的可行性分析，以確定是否滿足工程設(shè)計(jì)要求。

2 防滲效果分析

以52+450～53+636和47+100～48+230渠道為試驗(yàn)段分析高聚物防滲墻防滲效果。上述樁號渠段分別為半填半挖和全填方渠段?？紤]到渠道建成后可能因襯砌和土工膜開裂或渠堤填筑質(zhì)量不合格而導(dǎo)致防滲失效，采用有限元法分析渠道防滲失效后高聚物防滲墻所起的截滲作用和效果。

2.1 計(jì)算內(nèi)容

滲流分析計(jì)算的主要內(nèi)容包括：地質(zhì)條件的綜合分析，最不利工況的確定，渠道及附近區(qū)域滲流場內(nèi)的水頭、壓力、坡降、滲流量等水力要素的計(jì)算，滲流狀態(tài)綜合分析與評價等。

2.2 基本理論及計(jì)算分析結(jié)果

2.2.1 基本理論

土體在滲流作用下發(fā)生破壞，由于土體顆粒級配和土體結(jié)構(gòu)的不同，破壞形式主要有管涌、流土、接觸流失和接觸沖刷4種。

依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL 274—2001)，滲透穩(wěn)定分析包括以下內(nèi)容：?土的滲透變形類型的判別；?流土和管涌的臨界水力坡降的確定；?土的允許水力坡降的確定。

對于填筑土料及地質(zhì)情況，可能存在的破壞形式有流土、接觸流失和接觸沖刷。

為防止渠坡滲透破壞，滲透分析利用有限元數(shù)值分析方法進(jìn)行，采用AutoBANK v5.1系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算斷面滲流場情況。

2.2.2 計(jì)算工況

本次滲透穩(wěn)定計(jì)算其目的是為了確定防滲墻在渠道防滲失效后所起的作用和防滲效果，而對渠道而言，選擇最不利工況：渠道加大水位+土工膜完全失效作為本次滲透穩(wěn)定計(jì)算工況。

2.2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)渠堤填筑的復(fù)勘成果，各渠段渠堤滲透系數(shù)均遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)勘察成果，為確?？傮w渠道安全，本次滲透穩(wěn)定復(fù)核渠堤填土采用原設(shè)計(jì)勘察成果最不利參數(shù)進(jìn)行，高聚物防滲墻滲透系數(shù)也采用較大值，滲透計(jì)算參數(shù)見表1。

2.2.4 典型斷面計(jì)算成果及分析

防滲墻布置范圍內(nèi)渠堤填高均大于3m，分為全填方和半填半挖兩種斷面型式，各斷面型式選取一個典型斷面作為代表斷面進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算得到當(dāng)渠道襯砌及防滲材料全部失效后，在防滲墻的截滲作用下，渠堤堤身、堤基及背水坡滲流出逸段的滲透穩(wěn)定性。

表1 典型斷面滲透穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

經(jīng)有限元計(jì)算，各典型斷面均在外坡腳處逸出，逸出段的計(jì)算滲透比降也有所不同，滲透計(jì)算成果見表2。

各典型斷面滲流分析計(jì)算見圖1、圖2。

實(shí)際高聚物防滲墻滲透系數(shù)達(dá) 10-8～10-9cm/s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高聚物防滲墻的防滲性能完全滿足總渠道渠堤的防滲要求，能夠減小出逸點(diǎn)滲透比降，防止渠堤坡腳出逸點(diǎn)滲透破壞。

表2 典型斷面防滲墻作用下滲透計(jì)算成果

圖1 典型半填半挖斷面滲流計(jì)算成果 (單位：m)

圖2 全填方斷面滲流計(jì)算成果 (單位：m)

3 對堤壩穩(wěn)定影響分析

由于渠道渠堤填方較高，堤頂較窄，采用鋸槽等方式在渠堤上開槽將渠堤一分為二，破壞了渠堤的整體性。而高聚物防滲墻采用靜力壓入及無水注漿方法，槽孔很小，且注漿后15min即可達(dá)到墻體強(qiáng)度的 90%，極大地減少了對渠堤的擾動破壞。高聚物材料與土體膠結(jié)為一體，變形協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了渠堤整體穩(wěn)定性。

由于在渠堤中所形成的高聚物防滲墻厚度很薄，經(jīng)過高聚物與土的膠結(jié)作用后，渠堤整體穩(wěn)定性應(yīng)高于原渠堤?，F(xiàn)以原渠堤(不考慮高聚物防滲墻的作用)結(jié)合布置防滲墻之后滲流狀態(tài)來復(fù)核渠堤整體穩(wěn)定性。若渠堤穩(wěn)定，則可認(rèn)為經(jīng)過高聚物的膠結(jié)作用后的實(shí)際渠堤的穩(wěn)定性可以得到保證。

現(xiàn)以高填方斷面為典型斷面，采用畢肖普法計(jì)算內(nèi)外邊坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)。與原設(shè)計(jì)相比，本方案在渠堤上布置防滲墻后，僅校核工況Ⅰ(渠內(nèi)加大水深，土工膜防滲完全失效，防滲墻起截滲作用，計(jì)算渠堤內(nèi)坡穩(wěn)定)與原設(shè)計(jì)有所不同，其他計(jì)算工況邊界條件與原設(shè)計(jì)相同，不再復(fù)核。

經(jīng)計(jì)算，校核工況Ⅰ下內(nèi)外邊坡的安全系數(shù)分別為1.742 和 1.479，滿足渠道設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 渠道防滲失效內(nèi)坡復(fù)核計(jì)算成果 (單位：m)

圖4 渠道防滲失效外坡復(fù)核計(jì)算成果 (單位：m)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，由于防滲墻的修建，以防滲墻為界，渠堤內(nèi)側(cè)浸潤線被壅高，而渠堤外側(cè)浸潤線則有所降低，浸潤線出逸點(diǎn)降低，由于浸潤線的變化渠堤內(nèi)外邊坡穩(wěn)定性均有所變化，但與原設(shè)計(jì)(內(nèi)外邊坡的安全系數(shù)分別為1.93和1.31)相比，差別不大，且仍能保持內(nèi)外渠坡的整體穩(wěn)定。

可見，即使不考慮高聚物對渠堤的膠結(jié)加固作用，采用高聚物防滲墻后渠堤內(nèi)外邊坡仍能保持穩(wěn)定，考慮到高聚物對渠堤的膠結(jié)加固作用，渠堤整體穩(wěn)定性將比原設(shè)計(jì)好。

4 高聚物防滲墻抗震抗裂性能分析

高聚物防滲墻為超薄型柔性防滲墻，其彈性模量與土體非常接近，能夠與土體協(xié)調(diào)變形，而且墻體僅厚1～2cm，因此無論是在靜力作用下還是在地震荷載作用下，壩體內(nèi)拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土防滲墻。石拉淵攔河閘工程設(shè)計(jì)地震烈度為Ⅶ度，采用柔性防滲強(qiáng)有利于渠堤抗震。

為分析高聚物防滲墻在自重、靜水壓力和地震荷載作用下的靜動力特性，對比分析計(jì)算普通和塑性混凝土防滲墻、高聚物防滲墻的受荷動靜力特性及最大應(yīng)力分布情況等。

壩體為均質(zhì)土壩，壩基主要由細(xì)砂和重粉質(zhì)壤土等組成，工程地質(zhì)條件較好。壩體新做一道高聚物注漿防滲墻，高聚物注漿防滲墻布置為：距壩軸線上游0.5m 處，墻體厚 2cm，防滲墻總長215m。

采用SAP2000軟件對該土石壩進(jìn)行網(wǎng)格剖分和計(jì)算，在工況Ⅰ(堤壩在自重和靜水壓力下)和工況Ⅱ(堤壩在地震作用下)狀態(tài)下，分別對普通混凝土防滲墻、塑性混凝土防滲墻和高聚物防滲墻的靜、動應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。

在有限元建模分析中壩體材料采用Duncan-Chang非線性模型，防滲墻與土體間設(shè)置接觸單元；地震加速度時程分析采用 El-centro地震波調(diào)幅0.6g輸入，阻尼采用瑞利阻尼。兩種工況下得到的三種防滲墻體內(nèi)部的最大應(yīng)力對比見圖5、圖6。

圖5 靜力作用下防滲墻內(nèi)部最大應(yīng)力對比

圖6 地震荷載下防滲墻內(nèi)部最大應(yīng)力對比

上述計(jì)算分析表明，土石壩在靜、動力荷載作用下，在工況Ⅰ中，普通混凝土防滲墻內(nèi)部產(chǎn)生的最大壓力為4.39MPa，塑性混凝土防滲墻內(nèi)部產(chǎn)生的最大壓力為2.32MPa，非常接近塑性混凝土材料2.4MPa的抗壓極限，而高聚物防滲墻內(nèi)部產(chǎn)生的最大壓力為0.18MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到其1.15MPa的抗壓極限。在工況Ⅱ中，普通混凝土防滲墻的最大拉應(yīng)力為2.0MPa，超過了其材料1.5MPa的抗拉極限，塑性混凝土防滲墻的最大拉應(yīng)力為0.71MPa，也超過了其材料0.35MPa的抗拉極限，而高聚物防滲墻的最大拉應(yīng)力為0.25MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到其材料1.2MPa的抗拉極限，因此高聚物防滲墻的抗震抗裂性格更好，安全性更高。

5 結(jié) 語

在高聚物防滲墻試驗(yàn)段進(jìn)行施工過程中，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有諸多施工優(yōu)點(diǎn)，主要包括：?對壩體擾動?。焊呔畚锓罎B墻技術(shù)采用靜力壓槽方式，極大地減少了對壩體的擾動破壞；?對環(huán)境無影響：高聚物注漿材料為非水反應(yīng)類高聚物材料，注漿施工過程中不需要水的參與，也不需要泥漿護(hù)壁，因此施工過程不產(chǎn)生污泥污水，對周邊環(huán)境無影響；?施工快捷方便：高聚物防滲墻技術(shù)壓槽、封孔、注漿連續(xù)作業(yè)，自動化程度高，施工速度快；高聚物材料注射后15min即形成90%左右的強(qiáng)度；?施工裝備體積較小，操作方便，適應(yīng)性較強(qiáng)：施工設(shè)備輕便靈活，施工場地實(shí)用性強(qiáng)，能夠在3.5m寬的堤壩頂構(gòu)建防滲墻，無須另建施工便道，也不需要對渠堤進(jìn)行削頂處理。

高聚物注漿結(jié)束后，對防滲墻進(jìn)行實(shí)地開挖，現(xiàn)場檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

a.通過對防滲墻兩側(cè)含水量進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：高聚物注漿防滲墻的防滲性能優(yōu)良，符合設(shè)計(jì)要求。

b.高聚物在堤壩壩體擴(kuò)展過程中對附近的土體進(jìn)行擠密，注漿材料在注漿壓力的作用下對周圍的堤壩壩體有較強(qiáng)的滲透膠結(jié)作用，并與之緊密結(jié)合，與周圍土體很難剝離，用大量的水沖洗后發(fā)現(xiàn)防滲墻周圍有大量根須，與土體緊密連接在一起，這樣顯著增強(qiáng)了堤壩的整體穩(wěn)定性。

c.對成型墻體進(jìn)行取樣檢測表明：墻體彈性模量與土體接近，變形協(xié)調(diào)，抗震抗裂性能優(yōu)良。