15(郑州大学-石明生)堤坝防渗加固聚物注浆成套技术及装备

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③ 研制的连续提升注浆控制系统
通过调节提升速度，控制 高聚物注浆材料密度
连续提升注浆控制系统 工作示意
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④ 研制的系列化高聚物注浆装备
集成式高聚物注浆系统 （大中型堤坝）
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Байду номын сангаас气袋封堵搭接孔注浆工法示意
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实施效果
连续超薄型高聚物防渗墙
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4. 研制了堤坝防渗加固成套技术装备
① 研制的系列化成槽板
定向劈裂注浆 “双翼型”成槽板
超薄帷幕注浆 “宽翼型”成槽板
超薄防渗墙注浆 40 “三锥头”成槽板
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② 研制的系列化成槽装备
步履式静压成槽装备
履带式静压成槽装备
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工法
1) 成槽：采用静压成槽方法，将定向劈裂成槽板压入土中形成注浆槽。 2) 下管：向定向劈裂注浆槽内放置注浆管，包括封槽注浆管和劈裂注浆管。 3) 注浆：首先通过封槽注浆管注射少量浆液进行封孔，然后通过劈裂注浆 管在预定深度注浆，材料反应膨胀，将土体沿引导方向劈开形成高聚物 薄片。薄片交叉搭接，形成超薄型高聚物防渗体系。
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1. 提出了柔性防渗新理念，研发了堤坝防渗加固新型材料
亲水型 水反应类 高聚物注浆材料 非水反应类 双组份弹性体 疏水型 双组份发泡体 闭孔材料 水不敏感型 开孔材料 水敏感型
本项目研发的堤坝防渗加固高聚物注浆材料：
非水反应 — 双组份发泡 — 闭孔 — 水不敏感
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系统研究了高聚物材料特性 环保特性 耐化学腐蚀性 抗渗性能 膨胀力 抗压性能 抗拉性能 抗弯性能
具有较高的抗拉强度和较强的柔韧性
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抗弯性能
40 35 30
弯曲强度/MPa 弯曲强度/Mpa
y = 55.5 x
2
+ 12.5 x - 1.6
25 20 15 10 5 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
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密度/g·cm -3
抗弯、抗折、抗裂、抗震性能好
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坝基渗漏导管注浆
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坝肩渗漏导管注浆
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闸基渗漏导管注浆
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涵管渗漏导管注浆
涵管内注浆 （大直径）
涵管外注浆 （小直径）
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② 高聚物封闭注浆技术——封堵管涌或止浆
技术原理
• 通过高压注射系统和注浆导管，将双组份高聚物材料注 入封闭的土工布袋。材料发生化学反应后体积迅速膨胀 并固化，从而快速封堵管涌通道，或封闭注浆孔，防止 漏浆
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研究开发堤坝防渗加固新技术、新材料、新工 艺及新装备是当前中小型水利工程除险加固亟 待解决的关键问题。
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二、堤坝防渗加固高聚物注浆成套技术及装备
主要技术创新点
施工装备 注浆技术 扩散理论 注浆材料 研制了堤坝防渗加固成套施工装备
开发了堤坝防渗加固“微创”修复技术， 形成了成套施工工法 揭示了高聚物材料在土体中的片状扩散机 理，建立了高聚物定向劈裂与流动填充理论 提出了柔性防渗理念，研发了堤坝防渗加固 新型高聚物注浆材料
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抗渗性能
1.2 1.0
起渗压力/MPa 渗水压力/Mpa
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
-3
0.5
0.6
0.7
密度/g.cm
抗渗性能随密度变化，可以根据工程实际灵活设计
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膨胀力
6.0 5.0
最大膨胀力P/MPa
4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.0 0.1 0.2
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耐化学腐蚀性
溶液名称 氢氧化铵（10%） 盐酸（10%） 硫酸（10%） 氢氧化钠（10%） 氢氧化钠（浓） 甲醇 乙醇 煤油 汽油 机油 水 体积损失率（%） 3.4 4.2 5.6 1.1 2.6 4.1 3.9 3.5 3.6 2.3 0 评价等级 良好 良好 良好 优良 优良 良好 良好 良好 良好 优良 优良
y = 7.8858x 2.157
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
密度ρ/g.cm-3
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抗压性能
40.0 35.0 30.0 压缩强度/MPa 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 材料密度/g·cm -3
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工法
1) 成槽：采用静压成槽装备，将“三锥头”成槽板压入坝体形成防渗墙槽模。 二序压槽时，与一序槽模套孔，形成连续槽模。 2) 封闭：采用封闭注浆，将相邻槽模封堵。 3) 提升注浆：按一定速度连续提升注浆。高聚物材料发生化学反应后体积 迅速膨胀，填充满槽模并固化。相邻槽模连续胶结，形成连续超薄型高 聚物防渗墙
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实施效果
压定向劈裂槽
下注浆管
注射高聚物材料
开挖试验
定向劈裂搭接形成防渗体
35 根须状胶结渗透
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④ 超薄型高聚物防渗墙注浆技术——构筑堤坝防渗体系
技术原理
• 研制“三锥头”成槽板和静压成槽装备，在坝体形成连续 的防渗墙槽模。采用封闭式注浆技术将相邻槽模封堵。 通过注浆导管从槽底注射高聚物材料，并按一定速度连 续提升注浆。材料发生化学反应后体积迅速膨胀，填充 满槽模并固化，相邻槽模连续胶结，形成连续超薄型高 聚物防渗墙
全国水利先进实用技术重点推广项目
堤坝防渗加固高聚物注浆 成套技术及装备
王复明 石明生
河南省工程安全科技创新团队 教育部水利工程安全防护创新团队
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主要内容
一、研究背景 二、堤坝防渗加固高聚物注浆成套技术及装备 三、应用推广情况 四、主要技术特点及应用前景
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一、研究背景
我国的水利建设取得了举世瞩目的成就
生活饮用水卫生规范 成分 铁 锰 铜 锌 铬（六价） 砷 硒 汞 镉 铅 氯化物 硫酸盐 氟化物 硝酸盐（以N计） 铝 氰化物 氯仿 四氯化碳 溶解性总固体 嗅和味 挥发酚类 （以苯酚计） 限值 0.3 （mg/l) 0.1（mg/l) 1.0 （mg/l) 1.0（mg/l) 0.05（mg/l) 0.05（mg/l) 0.01（mg/l) 0.001（mg/l) 0.005（mg/l) 0.01（mg/l) 250（mg/l) 250（mg/l) 1.0（mg/l) 20（mg/l) 0.2（mg/l) 0.05（mg/l) 0.06（mg/l) 0.002（mg/l) 1000（mg/l) 无 0.002（mg/l) 12
水库：8.7万多座 堤防：29万多公里
水利基础设施除险加固任务繁重
4万多座病险水库 约 2/3堤防达不到防洪标准要求
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堤坝防护是矿山、环保、电力等领域面临的重 大工程安全问题
国内外尾矿坝溃决时有发生 我国尚有病险尾矿坝2000余座。世界上最长的尾 矿坝—包头尾矿坝，对当地村民的健康已造成严 重问题，并威胁到黄河 国内外垃圾填埋场截污坝普遍存在渗漏问题，对 水资源和土壤造成污染，严重影响环境安全 大量的火电厂储灰坝存在安全隐患
EGc 9 K Ic 9 dz 2 2 2 32 Tmax 32 (1 )Tmax
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高聚物在土体中片状扩散理论分析与数值模拟
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建立了高聚物在土体狭窄空腔流动填充理论
b v x b v y 0 流动连续方程： b y x t
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堤坝管涌抢险高聚物封闭注浆工法
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③ 高聚物定向劈裂注浆技术——构筑堤坝防渗体系
技术原理
• 以片状扩散理论为基础，研制“双翼型”成槽板，利用静 压成槽方法，在坝体内形成定向劈裂槽。采用封闭注浆 技术封堵槽顶，采用导管注浆技术向槽内注入高聚物注 浆材料。材料发生化学反应后体积迅速膨胀，产生的膨 胀力超过土体的抗拉强度时，即沿成槽板引导的方向将 土体劈开，连接形成超薄型高聚物防渗体系
压力方程：
N i vx N j N i v y N j N i N i p K p dV v v dV N i dV K i j i j xi yi CV CV y y x 1 t cv y x x
y = 41.565x
2
+ 5.4341x - 0.3065
强度随密度变化，可以根据工程实际灵活设计
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抗拉性能
35 30 y = 35.115x
1.7446
抗拉强度/MPa 抗 拉 伸 强 度 /Mpa
25 20 15 10 5 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 密度/g·cm -3
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2. 揭示了高聚物材料在土体中的片状扩散机理，建立 了高聚物定向劈裂与流动填充理论
通过大量的现场试验研究和深入的理论分析，发现非水 反应类膨胀性高聚物注浆材料在土体中呈片状扩散，并 对土体有渗透胶结作用
高聚物材料
高聚物材料
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国际上通常沿用球形扩散或柱状扩散假定
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建立了高聚物在土体中片状扩散理论
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高聚物在土体狭窄空腔 流动填充理论与数值模拟
高聚物在土体狭窄空腔 流动填充模型试验
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3. 提出了堤坝超薄防渗新方法，开发了堤坝“微创”修复 高聚物注浆成套技术 ① 高聚物导管注浆技术——局部渗漏防治
技术原理 • 通过高压注射系统和注浆导管，将双组份高聚物 材料注入渗漏区域。材料发生化学反应后体积迅 速膨胀并固化，填充空隙，压密土体，封堵坝体、 坝基或闸基渗漏
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环保特性
成分 Fe Mn Cu Zn Cr As Se Hg Cd Pb ClSO42FNO3Al3+ CNCHCl3 CCl4 总溶固 嗅和味 挥发酚类 (以苯酚计)
高聚物浸泡水检测报告 24小时浸泡水 72小时浸泡水 3个月浸泡水 ρ（B）/mg.L-1 ρ（B）/mg.L-1 ρ（B）/mg.L-1 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 0.0008 0.0005 0.0003 0.001 0.0006 0.0004 0.00004 0.00003 0.00002 ＜0.0001 ＜0.0001 <0.005 ＜0.001 0.3 0.1 0.05 0.18 ＜0.01 ＜0.002 ＜0.02 ＜0.001 16 无 ＜0.002 ＜0.001 0.44 0.17 0.11 0.24 ＜0.01 ＜0.002 ＜0.02 ＜0.001 21 无 ＜0.002 <0.01 2.3 1.58 0.09 0.5 <0.01 <0.002 0.0032 0.0018 57 无 ＜0.002
基于非均质断裂力学理论和粘结单元法，建立了高聚物在 土体中片状扩散模型，为高聚物定向劈裂注浆技术提供了 理论基础
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裂缝 开度 注 浆孔
已扩 展裂 缝端
理论 缝端尖 端
浆液
浆 液压 力 粘结 区裂 缝尖 端
浆液 充满 裂缝 （破 坏粘 结区）
裂 缝扩 张区 （未 破坏粘 结区 ）
粘结区长度：
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渗漏是病险堤坝普遍存在的突出问题 现行的堤坝防渗加固技术
水泥土搅拌桩技术 水泥喷射灌浆技术 水泥混凝土防渗墙技术 ……
深层搅拌桩技术
高压喷射水泥灌浆技术
混凝土防渗墙技术
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现行堤坝防渗加固技术存在的主要不足
对堤坝扰动破坏较大，“开膛破肚” 工期较长 造价较高 刚性防渗体抗震抗裂性较差，修复困难 施工不便 设备体积庞大，小型水库、中小河流堤防进场困难
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近年来，水利基础设施除险加固受到高度重视
《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》
“重点研究开发……溃坝、决堤险情等重大灾害的监测预警 技术”
“全国小型病险水库除险加固规划”（2010-2012） （水利部、财政部） 2010年9月，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议， 部署加强中小河流治理、病险水库除险加固和山洪地质灾害 防治工作 2010年10月12日，国家发改委：我国将投入数千亿元，用5 年左右时间，基本解决中小水库除险加固、中小河流治理和 山洪地质灾害易发地区防洪减灾突出问题