郭成超，楊建超,石明生,蔡兵華,李忠超,關(guān) 歡

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院, 廣東 廣州 510275； 2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001；3.武陟裕泰房地產(chǎn)開發(fā)有限公司,河南 武陟 454950； 4.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430023；5.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

堤壩是水利樞紐工程中的最重要的建筑物之一，也是涉及水利工程安全的關(guān)鍵所在。我國的水利基礎(chǔ)設(shè)施大多修建于20世紀(jì)50～70年代，由于當(dāng)時技術(shù)受限，加之年久失修，造成目前病險率較高，安全形勢嚴(yán)峻[1]。因此，堤壩防滲加固成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，其中垂直防滲技術(shù)是最為常用的一種堤壩加固技術(shù)，該技術(shù)是根據(jù)我國堤壩防滲加固的需要，特別是1998年長江、松花江和嫩江特大洪水發(fā)生后迫切的防滲加固需求，快速發(fā)展起來的防滲加固技術(shù)，目前已在堤壩防滲處治上廣泛應(yīng)用[2-6]。防滲墻加固技術(shù)是垂直防滲技術(shù)的一種，根據(jù)成墻方式的不同，可分為高壓噴漿成墻防滲技術(shù)、垂直鋪塑防滲技術(shù)、振動沉模板墻防滲技術(shù)、水泥土攪拌樁成墻防滲技術(shù)、置換成墻防滲技術(shù)等[1]。但在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是搶險性防滲堵漏中，現(xiàn)有防滲墻加固技術(shù)存在形成實(shí)際防滲效果的周期長、對堤壩擾動較大、防滲墻自身缺陷等問題，難以滿足病險堤壩防滲加固實(shí)際需求。從20世紀(jì)60年代開始，以聚氨酯為代表的有機(jī)高分子化學(xué)注漿材料及相應(yīng)的注漿技術(shù)受到國內(nèi)外學(xué)者和工程師的廣泛關(guān)注[7-8]，其中非水反應(yīng)類高聚物注漿材料以其施工快捷方便、防滲性能優(yōu)良、材料綠色環(huán)保、耐腐蝕、性價比高、抗震抗裂性能好等優(yōu)點(diǎn)[9]成為水利工程基礎(chǔ)設(shè)施防滲加固優(yōu)先研究發(fā)展的高分子化學(xué)注漿材料，在實(shí)際工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[10-12]，然而現(xiàn)行的高聚物注漿施工技術(shù)仍然在槽孔垂度、成墻連續(xù)性等方面存在著不足。

本文通過對高聚物注漿槽孔垂度、套孔精準(zhǔn)度進(jìn)行控制，采用靜壓成槽方式和提注同步的施工工藝，對高聚物防滲墻的施工設(shè)備和工藝進(jìn)行改造，并對成墻效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，可為改善高聚物防滲墻設(shè)計及施工提供參考。

1 改進(jìn)前高聚物防滲墻施工設(shè)備和工藝

1.1 施工設(shè)備

薄型高聚物防滲帷幕技術(shù)是一種新型、高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的堤壩防滲加固方法。由于高聚物材料具有不透水性和良好的韌性，1～3 cm厚的防滲帷幕即可滿足防滲要求，為此研制了側(cè)翼板錐頭壓槽板和三錐頭壓槽板2種成孔鉆具(圖1)。

圖1 成孔鉆具

側(cè)翼板錐頭壓槽板(圖1(a))是在錐式探頭的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的。錐式探頭直徑為40～50 mm，錐尖夾角為60°。探頭兩側(cè)對稱焊接有刃口的三角形鋼板，根據(jù)需要，兩塊鋼板可以與平行面有0°～25°夾角，壓入堤壩中形成V形劈裂孔[13]。

三錐頭壓槽板[14-15](圖1(b))整體寬度為500～1 200 mm，左右鉆桿、中間鉆桿均為圓柱形，直徑分別為30～40 mm、40～80 mm，高度分別為400～600 mm、800～1 000 mm，左右翼板均為等邊梯形，厚度為10～30 mm，梯形斜邊與底邊的夾角為60°～70°。

1.2 施工工藝

由于成孔鉆具的不同，防滲墻的施工工藝存在一定的差異[14]。

采用側(cè)翼板錐頭壓槽板形成防滲墻的施工工藝主要包括：設(shè)置圓形垂直引導(dǎo)孔；將側(cè)翼板錐頭壓槽板壓入土中一定深度，拔出后形成V形孔模；在孔模中置入注漿管進(jìn)行注漿；重復(fù)上述施工工序，并使相鄰V形孔模交叉搭接，注漿完成后即形成搭接連續(xù)的超薄高聚物防滲墻。

采用三錐頭壓槽板形成防滲墻的施工工藝主要包括：布置注漿槽孔；將三錐頭壓槽板壓入土中一定深度，拔出后形成單個注漿槽孔；將三錐頭壓槽板左鉆桿對準(zhǔn)前次操作中由右鉆桿壓制成型的圓形孔，再次壓入并拔出后形成連續(xù)注漿槽孔；在兩個孔模之間的連接孔中，采取布袋注漿的方法封孔，避免漿液串孔；在超薄型孔模中置入注漿管進(jìn)行注漿；連續(xù)重復(fù)上述施工工序，注漿完成后即形成連續(xù)搭接的超薄高聚物防滲墻。

1.3 成墻效果

側(cè)翼板錐頭壓槽板和三錐頭壓槽板的成墻效果如圖2所示，可以看出，采用側(cè)翼板錐頭壓槽板形成的墻體在搭接處存在縫隙(圖2(a))，連續(xù)性較差，影響實(shí)際防滲效果；采用三錐頭壓槽板形成的墻體的連續(xù)性明顯得到了改善，搭接處完整性好，但是在局部表面依然存在凹凸不平的現(xiàn)象(圖2(b))，豎向的平整性有待提高，這種現(xiàn)象可能是由于成槽和注漿過程分離造成的。

圖2 兩種成孔鉆具的成墻效果

1.4 存在的問題

現(xiàn)行防滲墻加固技術(shù)受施工設(shè)備和工藝等諸多條件限制，存在如下幾方面的問題：

a. 鉆具引導(dǎo)桿過短，搭接成槽時難以精準(zhǔn)定位，槽孔的垂度難以精準(zhǔn)控制；沒有采取有效的垂度控制儀器，難以保證靜力壓槽時的垂直度，影響成墻后的連續(xù)性。

b. 如果成槽時采用的鉆具存在初始偏差，則此偏差就會隨著成槽深度的增加而累積，這對高聚物成墻的連續(xù)性造成不小的影響，極易導(dǎo)致庫區(qū)堤壩、濱江道路等工程中滲漏水災(zāi)害發(fā)生。

c. 成槽和注漿過程分離，先成槽后注漿的施工工藝在鉆具突然提升過程中，極易造成槽孔內(nèi)部真空，引起土體的二次擾動，極易引起塌孔、縮孔，導(dǎo)致高聚物成墻不連續(xù)，難以達(dá)到密實(shí)勻質(zhì)成墻的效果。

2 設(shè)備與工藝改進(jìn)

2.1 設(shè)備

針對現(xiàn)有設(shè)備存在的問題，主要從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

a. 為了保證靜力壓槽的垂直度，在靜力壓槽機(jī)的滑道附近安裝Digi-Pas DWL 1000XY雙軸測柱式電子水平儀，如圖3所示。該電子水平儀具有如下優(yōu)點(diǎn)：①測量范圍為0°～90°，X、Y軸同步測量；②4個方位圖標(biāo)指示測量角度(X、Y軸)；③分辨率高達(dá)0.1°，0°時最高精度可達(dá)±0.05°，在其他角度時，精度為±0.2°；④在0°、90°或指定角度時有聲音提示。利用雙軸測柱式電子水平儀可以對壓槽時鉆具的垂直度進(jìn)行精確控制，一旦鉆具垂度發(fā)生偏差，雙軸測柱式電子水平儀就會及時發(fā)出蜂鳴聲提示，便于對鉆具垂度進(jìn)行調(diào)整。

圖3 雙軸測柱式電子水平儀

b. 將現(xiàn)行的三錐頭壓槽板改進(jìn)為加長引導(dǎo)桿壓槽板(圖4)。具體作了如下改進(jìn)：①加長引導(dǎo)桿，方便后續(xù)槽孔施工時實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確套孔；②將固定式的錐頭改造為一次性可活動錐頭，與錐頭連接的是可分離式軟質(zhì)橡膠棒，為了減小該橡膠棒與土體的摩擦，用聚乙烯材料將其包裹，這樣當(dāng)模具壓入指定深度后開始提升，錐頭脫離，左側(cè)的錐頭孔可以實(shí)現(xiàn)模具上下部分的氣體交換，避免模具突然提升而產(chǎn)生真空，從而有效地避免塌孔、縮孔；③將現(xiàn)有設(shè)備的中間鉆桿由實(shí)心結(jié)構(gòu)改為中空結(jié)構(gòu)，以便注漿管穿設(shè)和注漿，避免原有施工工藝中成槽后下注漿管過程對孔壁的二次擾動。

圖4 加長引導(dǎo)桿壓槽板

2.2 工藝

針對原有工藝先用模具靜壓成槽后下注漿管注漿的缺陷，對高聚物注漿成墻工藝進(jìn)行了改進(jìn)，提出提注同步的高聚物防滲墻施工工藝(圖5)，即在提升成槽板的同時進(jìn)行高聚物注漿，通過導(dǎo)管提升設(shè)備[13]控制提升速率及注漿壓力，有效地避免了原來設(shè)備工藝因?yàn)榘纬瞿＞咴斐傻恼婵眨瑫r利用了高聚物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹力，迅速填滿槽孔，防止了塌孔、縮孔的發(fā)生，使墻體更加密實(shí)均勻。

圖5 提注同步高聚物注漿施工工藝

改進(jìn)后的施工工藝關(guān)鍵在于提升-注漿的一體化，在施工中應(yīng)注意：①利用靜壓成槽設(shè)備將三錐頭槽板模具壓入土體；②注漿管深度大于槽孔深度(包含槽孔外加長部分)；③采用導(dǎo)管提升設(shè)備控制注漿導(dǎo)管提升速率；④采用靜力壓槽機(jī)提升槽具，槽具提升后再利用注漿控制系統(tǒng)進(jìn)行注漿，形成“注漿—提升—注漿”的循環(huán)操作，漿液自下而上通過化學(xué)反應(yīng)體積膨脹，填滿槽孔，形成片狀高聚物防滲體(圖6)。

圖6 高聚物防滲墻

2.3 成墻效果

高聚物防滲墻施工執(zhí)行DB41/T 712—2011《高聚物防滲墻技術(shù)規(guī)范》，對改進(jìn)后的設(shè)備和工藝的成墻效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.3.1直觀效果

施工完成后高聚物成墻效果如圖7所示，目測墻體不僅勻質(zhì)密實(shí)，而且搭接連續(xù)，達(dá)到預(yù)期的成墻效果。與改進(jìn)前的成墻效果(圖2)對比發(fā)現(xiàn)，采用改進(jìn)后的設(shè)備及工藝形成的防滲墻在搭接孔位置更加均勻密實(shí)，表面凹凸不平的現(xiàn)象幾乎沒有，即豎向表面的平整性得到提高，固化后的高聚物墻體整體連續(xù)性得到明顯改善。因此，從直觀效果上可直接反映出設(shè)備和工藝改進(jìn)前后成墻效果的區(qū)別，說明設(shè)備和工藝改進(jìn)后的先進(jìn)性。

圖7 成墻效果

圖8 高聚物防滲墻現(xiàn)場滲透試驗(yàn)

2.3.2防滲效果

選取一段進(jìn)行開挖注水試驗(yàn)(圖8(a))，在防滲墻一側(cè)開挖長3.5 m，深2.5 m，寬1.2 m的矩形水槽，為了保持相對較高的水位，并防止貯水槽坍塌，槽內(nèi)放置1.5 m的透水砂層，采取恒水位注水試驗(yàn)，觀察防滲墻有無滲漏情況。為防止注水之后墻體坍塌，在探槽內(nèi)對墻體進(jìn)行支撐。在注水槽與高聚物防滲墻之間預(yù)留15 cm的保護(hù)土層，加透水砂，然后注水，保持2.5 m恒水位。試驗(yàn)后期，由于土體浸水時間較長，開挖水槽邊的土體出現(xiàn)裂縫剝落，支撐木板受壓發(fā)出響聲，此時進(jìn)行抽水，試驗(yàn)結(jié)束。

從試驗(yàn)結(jié)果(圖8(b))可知，經(jīng)過恒水位滲透試驗(yàn)，深槽內(nèi)部未出現(xiàn)水漬、潮濕等狀況，高聚物防滲墻將注水槽中水全部阻擋在注水槽中，水分子無法穿過防滲墻進(jìn)入到深槽中，這說明防滲墻體阻水性好，防滲效果達(dá)到規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

a. 雙軸測柱式電子水平儀的應(yīng)用改進(jìn)了原有的注漿設(shè)備及工藝基礎(chǔ)，使錐頭板更加精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)套孔，避免由于套孔不連續(xù)導(dǎo)致墻體搭接不連續(xù)。

b. 加長引導(dǎo)桿及活動式錐頭的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了快速的套孔操作，提高了履帶式靜壓成槽的效率；錐頭部分搭接的改進(jìn)，避免了布袋的應(yīng)用，使搭接孔部分黏結(jié)更加均勻，保證了垂度及連續(xù)性，有效地實(shí)現(xiàn)了防滲功能。

c. 提注一體化施工工藝，不僅加快了工程進(jìn)度，提高了施工效率，而且利用了高聚物化學(xué)反應(yīng)膨脹固化，提升同時填充了下部槽孔，避免了因?yàn)殄F頭板提升導(dǎo)致的真空，防止槽孔因?yàn)檎婵湛赡艹霈F(xiàn)的塌孔、縮孔，使墻體的均勻性、連續(xù)性、密實(shí)性得到保障，為高聚物防滲墻的應(yīng)用推廣提供了技術(shù)支持。