水反应高聚物注浆材料扩散特性试验研究

唐心怡，黄锦秀，周 哲，潘泓泽，黄金林

（华南农业大学水利与土木工程学院 广州510642）

0 引言

据统计已建成各类水库8.7万多座，其中90%以上为土石坝，江河湖海堤防累计28万多km，多数堤身为土体，并在不同时期填筑，质量往往也达不到设计要求，存在安全隐患［1］。根据水库大坝工程事故原因统计［2］，渗漏管涌破坏、裂缝破坏、冲刷气蚀破坏、滑坡坍塌破坏占25.3%，冲刷气蚀破坏和护坡破坏分别占31.7%、25.3%、14.3%、10.9%和6.5%。堤坝险情和隐患60%以上是散浸、管涌和渗漏［3］。

在堤坝工程应用方面，现行各种堤坝应急加固技术都存在不同程度的缺陷和某些局限性，传统的各种化学灌浆材料和化学灌浆施工技术，也难以适应现代堤坝除险加固要求安全、快速、高效的要求。因此优化探究灌浆防渗加固技术具有较大的意义。与传统防渗技术相比，高聚物注浆防渗具有施工适应性强、施工速率快、材料环保且耐久性好，对坝体扰动小等特点、且强度发展快等特点，是防渗应急加固的理想防渗技术［4］。

石明生［5］较早开展了高聚物注浆材料在土体中的扩散机理试验，高聚物注浆材料可以膨胀对土体进行劈裂和挤密，并呈片状扩散特征，并不符合灌浆理论的球形扩散假定、柱状扩散假定和水力劈裂原理。王复明［6］对高聚物与土体的粘结性能，如锚固长度、粘结应力分布的变化规律。符平［7］对高聚物注浆材料扩散方式和封堵机理以及灌浆工艺参数进行了非水反应型材料灌浆堵漏机理试验研究，基于力的平衡方程，建立了单通道大空隙地层的动水堵漏灌浆模型来研究，但该模型没有考虑水流对浆液的稀释作用，堵漏过程没有考虑灌浆压力的作用。

由于高聚物注浆材料具有膨胀性，其在土体中的渗透扩散机理和注浆方法与传统水泥注浆材料有显著区别，目前防渗注浆在工程中应用研究主要是针对水泥浆液［8-9］扩散速度和扩散范围，只适用于小流速小通道的地层灌浆，与实际的渗流相差甚远。高聚物注浆方法与传统防渗加固方法的显著区别之一是所用的膨胀性注浆材料与常规水泥基浆材有本质不同，因此开展水反应类高聚物注浆材料特性和在堤坝防渗加固中的应用研究具有重要的理论意义和工程价值。

1 试验材料及方法

本文采用水反应高聚物为速派克超级泡沫树脂分别在碎石、天然砂和石英砂这3种砂石材料里进行注浆实验。

试验箱尺寸为65 cm×40 cm×35 cm的塑料箱，每种土体材料3个试验箱，土体完全浸润。注浆时将注浆枪插入注浆位置，按比例掺入速派克超级泡沫和催化剂搅拌均匀后，注浆压力保持不变，注浆时间分别为10 s、15 s、20 s，注浆完成后，将泵针拔出，注浆试验如图1所示。土的物理参数指标如表1所示。

图1 注浆试验Fig.1 Grouting Test

表1 土的物理参数指标Tab.1 Physical Parameter of Soil

本试验选用碎石、天然砂和石英砂这3种砂石材料物理参数指标如表2所示，颗粒级配曲线如图2所示。

表2 高聚物注浆材料参数指标Tab.2 Parameter Indexes of Grouted Polymer Material

图2 砂石级配曲线Fig.2 Curves of Aggregate Grading

2 试验结果及讨论

2.1 扩散特征

高聚物注浆完成静置24 h后，挖出试样，高聚物试样扩散特征如扩散直径和扩散长度尺寸如图3所示。由图3可知，在碎石材料中，随着注浆时间的增加，高聚物试样的扩散长度降低，而扩散直径逐渐增大。

图3 注浆时间为10 s、15 s、20 s试样Fig.3 Test Pieces in Grouting Time of 10 s、15 s、20 s

2.2 扩散直径

高聚物注浆材料在碎石、天然砂和石英中随注浆时间的扩散直径如图4⒜所示，随着注浆时间的增加，高聚物注浆材料在碎石、天然砂和石英砂中扩散直径逐渐增大。在天然砂和石英砂中，高聚物试样的扩散直径增幅不大，注浆时间为10 s、15 s、20 s时，高聚物注浆材料在碎石、天然砂和石英砂中扩散直径分别为10.14～13.10 mm、5.13～5.83 mm和5.63～8.40 mm，同等条件下，高聚物注浆在碎石中扩散直径最大，天然砂中扩散直径最小。

2.3 扩散长度

高聚物注浆材料在碎石、天然砂和石英中随注浆时间的扩散长度如图4⒝所示，高聚物注浆材料在碎石、天然砂和石英砂中，高聚物试样的扩散长度，随着注浆时间的增加而增大。注浆时间为10 s、15 s、20 s时，高聚物注浆材料在碎石、天然砂和石英砂中扩散长度分别为16.54～18.87 mm、20.87～26.83 mm和17.20～20.63 mm。同等条件下，高聚物注浆在碎石中扩散长度最小，天然砂中扩散长度最大。

图4 高聚物不同土体中的扩散直径及扩散长度Fig.4 Diffusion Diameter-grouting and Length-grouting Time Curves of Polymer Material in Different Sand

3 结论

对水反应高聚物注浆材料对碎石、天然砂和石英砂进行注浆扩散试验，得出如下结论：

⑴对试验结果可知在本试验的碎石、天然砂和石英砂中，水反应高聚物注浆材料的扩散特性有所不同，在碎石材料中，试样呈球状，在天然砂和石英砂材料中，试样呈柱状。

⑵注浆时间为10s、15 s、20 s时，高聚物注浆材料在碎石、天然砂和石英砂中扩散直径分别为10.14～13.10 mm、5.13～5.83 mm和5.63～8.40 mm；扩散长度分别为16.54～18.87mm、20.87～26.83 mm和17.20～20.63mm。