一种用于堤坝防渗加固的循环保压多轮次注浆方法
技术领域
本发明属于水利基础设施防渗加固技术领域，具体涉及一种用于堤坝防渗加固的循环保压多轮次注浆方法。
背景技术
近年来，我国水利基础设施的建设取得了较为瞩目的成就。目前已建堤防总长达41 万公里，各类水库9.8万多座，是我国防洪减灾领域的重要组成部分，然而我国堤防建设历史悠久，多经历年加高倍厚而成，建筑质量不足，隐患多、地质条件复杂，汛期险情频发。同样，已建水库中，病险率达57.1％，大部分中小型病险水库都需要进行防渗加固。这些水利设施一旦失事，影响重大，严重威胁人民生命财产安全。因此，急需提高水利基础设施的防渗加固技术与装备水平。
目前现行的防渗加固技术包括混凝土防渗墙、水泥土搅拌桩、高压喷射灌浆技术等，然而这些技术的共性问题包括对堤坝扰动破坏大，施工周期长，效率不足，设备庞大施工不便，成墙厚度过大等限制了其进一步的应用。另一方面灌浆材料如水泥浆类、水泥黏土浆液、超细水泥浆液等各种改性水泥浆液是目前各个工程实践中的主要材料。但是其凝结时间长、易离析泌水收缩开裂、刚度大等缺点限制了其进一步应用。化学灌浆是在悬浊液灌浆基础上发展起来的。化学浆液中主要包括水玻璃类、丙烯酰胺类、木质素类、环氧树脂类、鉻木素类、脲醛树脂类等。但以上材料与土体固结效果差、固结体抗渗性不足、耐久性差，会对环境产生一定污染，同样影响其对堤坝的防渗加固效果。
目前高聚物注浆技术在水利、矿山、交通等领域展开了大量应用，利用其快速反应迅速膨胀的特性将其注入裂隙或孔洞中，实现防渗堵漏的目的。近年来，针对我国现行堤坝、水库防渗加固技术的不足，从柔性防渗理念出发，相继有人提出高聚物帷幕注浆技术(如中国专利CN101638987A)、堤坝防渗高聚物定向劈裂注浆方法(如中国专利CN102051868A)、超薄式高聚物防渗墙成墙方法等方法，其中超薄式高聚物防渗墙技术通过静压成槽然后提升注浆的方式使高聚物形成连续均匀的防渗墙。但是该种技术所用注浆材料为膨胀型高聚物，特点是粘度大、反应快、易膨胀，这就导致材料渗入土体空隙距离有限，进而导致其难以与土体充分胶结形成固结体，最终只能进行劈裂注浆。另一方面，不管是水泥混凝土防渗墙或高聚物防渗墙，都是将堤身或坝体一分为二，对堤坝本身的稳定性会有一定影响。
同时现有的连续性一次注浆方法不利于浆液充分扩散，浆液在土体孔隙中的扩散受到孔隙内空气粘滞阻力的影响，大流量持续性注浆，会使孔隙内空气压力来不及消散，浆液也无法扩散至更远距离，当注浆孔内压力因此而上升时，若终止注浆则浆液扩散效果不好，无法完成预定防渗加固面积，若仍继续注浆则从渗透扩散转为劈裂扩散，对堤坝有一定破坏性。另外现有注浆施工均根据操作人员经验判定，不确定性较大，无法判断是否注浆完成，若仅通过设计注浆量控制注浆是否结束，同样无法保证施工质量，导致最终防渗加固效果不好。
发明内容
为解决现有堤坝防渗加固技不仅工期长、设备庞大施工不便、而且难以确定注浆完成、浆液扩散距离不足、防渗加固效果不好的缺点，本发明提供一种用于堤坝防渗加固的循环保压多轮次注浆方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于堤坝防渗加固的循环保压多轮次注浆方法，包括以下步骤：
A.确定需要处置的渗透层位置；
B.以帷幕注浆的形式在堤坝顶部靠近迎水面布孔，然后用钻机钻取注浆孔；
C.将注浆管置于注浆孔内并固定，所述注浆管包括渗透注浆管和封孔注浆管，所述封孔注浆管短于渗透注浆管，在封孔注浆管下方设置有隔离块；
D.往封孔注浆管中注入膨胀料进行封孔保压；
E.使用循环保压多轮次注浆法进行渗透型高聚物的注浆，注浆压力为0.5～2Mpa；
进一步地，每两个所述注浆孔间的距离为0.5～1m，注浆孔的直径为2～30cm。
进一步地，所述隔离块采用废弃塑料袋或手套。
进一步地，所述渗透注浆管的顶部安装三通管，三通管上安装有阀门开关，三通管一端与渗透注浆管连接，一端与注浆枪连接，中间一端安装压力表。
进一步地，所述渗透注浆管下端设置有出浆孔，开孔间距为0.5m。
进一步地，所述膨胀料由松香聚酯多元醇、异氰酸酯、PhireGuard MB-512、1,1-二氯-1-氟乙烷、表面活性剂、催化剂和苯甲酰氯混合而成。
进一步地，所述膨胀料的注浆量与注浆孔直径大小的关系为：直径＜5cm时注浆量为 1.5kg，直径为5～15cm时注浆量为3kg，直径＞15cm时注浆量为8kg。
进一步地，所述渗透型高聚物包括A料和B料，所述A料由亲水低粘聚醚多元醇、渗透稀释剂、表面活性剂和催化剂组成，所述B料由
进一步地，所述循环保压多轮次注浆法的具体操作为：通过渗透注浆管向注浆孔内注入渗透型高聚物，当压力达到2MPa时，停止注浆，此时第一轮次结束，30min后若压力下降至0.5MPa以下，则重复上述步骤进行第二轮次注浆，直到30min后压力依旧为0.5MPa 以上则视为注浆结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明首先利用封孔注浆管和膨胀料对注浆孔进行保压封孔，在封孔注浆管下方设置隔离块，阻挡封孔注浆管中的液体下流，注入的膨胀料十几秒后即可与注浆管、周围土体壁进行紧密贴合，加强密封效果；然后利用渗透注浆管通过循环保压多轮次注浆的方法将渗透型高聚物注入，本发明渗透型高聚物具有非发泡、低粘度、高渗透性、反应慢、强固结的效果，充分渗透到土体的微小孔隙之中，将土体粘结在一起，并填充孔隙，使本来松散的土体凝聚在一起，形成抗渗性和强度较高的固结体，进而能提高堤坝的抗渗性和稳定性。本发明在封闭环境下对堤坝孔隙进行填充加固，利用注浆孔上端的压力表来判断注浆是否完成，无需庞大设备，简单有效，循环保压多轮次注浆方法利于浆液的充分扩散填充，并且膨胀料和渗透型高聚物与周围土体凝结迅速，缩短工期。本发明采用的渗透型高聚物粘度低、渗透快，因此浆液扩散距离大、固结效果好，本发明方法对堤坝扰动小、防渗效果好、耐久性强，且可有效降低注浆过程的主观性和经验性，可指导注浆施工。
附图说明
图1为实施例1的横向布孔示意图；
图2为实施例1钻孔纵向示意图；
图3为实施例1渗透注浆管的示意图；
图4为实施例1封孔注浆示意图；
图5为实施例1注浆后的效果图；
图6为实施例2的DCP测试点及模型试验平面图；
图7为实施例2的DCP测试结果图；
图8为实施例2的试样渗流测试结果图；
图9为实施例3注浆前土体的偶极-偶极式32电极探测反演结果；
图10为实施例3注浆前土体的偶极-偶极式60电极探测反演结果；
图11为实施例3注浆后土体的偶极-偶极式32电极探测反演结果；
图12为实施例3注浆后土体的偶极-偶极式60电极探测反演结果。
附图1～5中标记：1为迎水面，2为注浆孔，3为背水面，4为封孔注浆管，5为渗透注浆管，51为注浆孔，6为隔离块，7为三通管，8为注浆枪，9为压力表，10为阀门。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步解释说明。
实施例1
一种用于堤坝防渗加固的循环保压多轮次注浆方法，包括以下步骤：
A.确定需要处置的渗透层位置，探测方式包括高密度电法的偶级偶极式探测、高密度电法的温纳式、施论贝尔式、瞬变电磁法、探地雷达、地质钻孔和压水试验；
B.以帷幕注浆的形式在堤坝顶部靠近迎水面布孔，横向布孔示意图如图1所示，然后用钻机钻取注浆孔，其钻孔侧面图如图2所示，图1～2中标记1为迎水面，2为注浆孔，3为背水面；所述帷幕注浆通过在堤坝顶部靠近迎水面1按照一定间距布设一排或两排梅花桩式注浆孔2，然后通过注浆使土体固结，通过调整注浆参数可以使每个注浆孔2之间的固结体相互搭接连续形成一道防渗帷幕。每两个所述注浆孔2间的距离为0.5～1m，注浆孔2的直径为2～30cm。注浆孔2靠近迎水面1的原因：对堤坝来说一般采取前堵后疏的方式，靠近迎水面1形成防渗帷幕，这样阻止了水继续渗透进入堤坝内部，如果靠近背水面3，则背水面 3防渗帷幕与迎水1面之间的堤坝土体内部会留存大量水，具有较大隐患，在长期侵蚀作用下会对堤坝造成破坏。
C.将注浆管置于注浆孔内并固定，所述注浆管包括渗透注浆管和封孔注浆管，本步骤中的渗透注浆管的示意图如图3所示，封孔注浆示意图如图4所示，图中标记：2为注浆孔，4为封孔注浆管，5为渗透注浆管，51为注浆孔，6为隔离块，7为三通管，8为注浆枪，9为压力表，10为阀门。所述封孔注浆管4短于渗透注浆管5，在封孔注浆管4下方设置有隔离块6，所述隔离块6采用废弃塑料袋或手套，目的是阻挡封孔注浆管4中的液体下流；所述渗透注浆管5选取直径3cm的PVC管，在其顶部安装三通管7，三通管7一端与渗透注浆管5连接，一端与注浆枪8连接，中间一端安装压力表9，用以监测注浆过程中注浆孔2内的压力变化；所述三通管7上安装有阀门10，待注浆压力达到要求时可关闭阀门 10进行保压。所述渗透注浆管5下端设置有出浆孔51，出浆孔51的开孔间距为0.5m，出浆孔51开设的位置根据需要防渗加固的位置而定，如整个注浆孔2深10m，经检测在5～ 10m深的位置存在疑似散浸渗透破坏，则选择10m长渗透注浆管5，插入到注浆孔2内9m 深的位置，外部留出1m，然后在渗透注浆管5的5～10m的位置开注浆孔51。
D.先往封孔注浆管中注入膨胀料进行封孔保压，目的是为防止渗透型高聚物浆液沿注浆孔上窜，提供一定围压环境，确保浆液能在注浆压力作用下渗入土体空隙之中，所述膨胀料的注浆量与注浆孔直径大小的关系为：直径＜10cm时注浆量为1.5kg，直径为10～50cm时注浆量为3kg，直径＞50cm时注浆量为8kg。膨胀料由松香聚酯多元醇、异氰酸酯、PhireGuard MB-512、1,1-二氯-1-氟乙烷、表面活性剂、催化剂和苯甲酰氯混合而成，具体制备方法参见专利CN110078881A，该材料在十几秒内即可发生反应，然后体积迅速膨胀并固化从而封堵注浆孔。
E.然后通过渗透注浆管向注浆孔内注入渗透型高聚物，所述渗透型高聚物由A料和 B料1:1配制成，以重量份计具体为：A料组成：亲水低粘聚醚多元醇45份、渗透稀释剂 53份、表面催化剂1份、催化剂二甲基卞胺0.4份；催化剂二亚乙基三胺0.6份；组分B：
当渗透注浆管上的压力表超过2Mpa，视为单孔注浆暂时结束，此时停止注浆并关闭阀门，阀门关闭之后注浆孔内为保压状态，此时浆液在压力作用下继续呈椭球型扩散，直至压力逐渐消散，达到稳定，完成第一轮次的注浆，继续下一个注浆孔进行注浆，30min后若压力低于0.5Mpa则重复上述操作进行第二轮次的注浆，若压力高于0.5Mpa则注浆完毕。待所有注浆完成后，固结体之间相互搭接，形成防渗体，可对堤坝进行防渗加固，所述防渗体如图5所示，其中a为侧视图，b为俯视图，c为正视图，图中1为迎水面，2为注浆孔， 3为背水面。
实施例2
本实施例为模型试验：
在某工地开挖一个长4m宽2m深2m长方体模型槽，然后向模型槽内分层回填粉土，其粉土的物理性质如表1所示，每50cm进行分层压实一次，直至完全填满。然后在顶层钻取注浆孔，下注浆管，最后进行注浆，注浆方法及注浆料同实施例1。土体密度设置1.5g/cm3，孔隙率49％，注浆压力0.5MPa，渗透料的注浆量为200Kg。本实施例在注浆前和注浆后分别使用DCP贯入试验测试注浆完成后的固结体的承载能力，DCP测试点及模型试验平面图如图6所示，测试结果如图7所示，注浆之后将固结体挖出，并取样测试固结体抗压强度和抗渗性能，其中注浆后固结体渗透系数测试结果如图8所示，注浆前后土体性能变化测试结果如表2所示。
表1.回填粉土的物理性质
表2注浆前后土体性能变化
从表1、表2可以看出，注浆后土体的抗压强度得到显著的提升，渗透系数也提升了3个数量级，表明该渗透型高聚物能有效胶结土体，并提升其整体承载能力和防渗能力，说明注浆对土体的防渗加固效果较好，满足堤坝防渗的需求。
从图7中可知，在注浆后，贯入深度在70cm时，继续增加锤击数仍无法继续贯入，表明注浆后固结体承载力得到显著提高，有了岩石的性质。
从图8中可以看出，注浆后抗渗性能提升明显，表明该渗透型高聚物能有效胶结土体，并提升其防渗能力。
实施例3
某堤防工程位于江西省某县东南部土塘水北岸，存在的问题：填土不密实，施工质量差，坝基、坝肩抽槽不彻底，导致部分堤坝堤基渗漏严重，泡泉、管涌多；堤身迎水面无硬护坡或护坡破损严重，抗冲刷能力差，受风浪、水流冲刷严重；部分堤段存在迎流顶冲陡岸，无固岸措施或固岸措施不能满足要求；大部分建筑物运行多年，设备老化破坏严重，不能正常运行。
注浆加固之前首先对堤坝隐患进行高密度电法探测，图9和图10为注浆加固之前采用偶极-偶极式对堤坝结构的探测反演结果。图9为采用32个电极，电极间距为1m探测的反演结果，图10为采用60个电极，电极间距为0.5m探测的反演结果
从图9可以看出，此段堤坝上半部分电阻率值整体在300Ω·m左右，在3.3米以下为图9虚线内部分，整体电阻率值偏低在120Ω·m左右。通过图10发现，在水平位置9m至28m的范围内，地面之下0m至2m的区域，即图10虚线部分，电阻率异常偏低整体在60Ω·m左右，由此推断，此段堤坝在水平位置9m至28m的范围内，地面之下0m至6米整体密实度差，含水率较高，可能为高位水时浸泡所致，推断此处为渗漏隐患，需及时做加固处理。
注浆：在堤坝顶部靠近迎水面布孔，然后用钻机钻取注浆孔，每两个所述注浆孔间的距离为0.5m，注浆孔深7m，直径为7cm。将注浆管置于注浆孔内并固定，所述注浆管包括渗透注浆管和封孔注浆管，所述封孔管短于注浆管，在封孔管下方设置有废弃塑料袋作隔离块，所述渗透注浆管选取直径3cm的PVC管，在其顶部安装三通管，三通管一端与渗透注浆管连接，一端与注浆枪连接，中间一端安装压力表，用以监测注浆过程中注浆孔内的压力变化；三通管上安装有阀门开关，待注浆压力达到要求时可关闭阀门进行保压。所述注浆管下端设置有出浆孔，开孔间距0.5m。先往封孔注浆管中注入膨胀料进行封孔保压，目的是为防止渗透型高聚物浆液沿注浆孔上窜，确保浆液能在注浆压力作用下渗入土体空隙之中，然后通过渗透注浆管向注浆孔内注入渗透型高聚物。本实施例中的膨胀料及渗透料组成同实施例1，故不再详述。当渗透注浆管上的压力表超过2Mpa，视为单孔注浆第一轮次结束，此时停止注浆并关闭阀门，阀门关闭之后注浆孔内为保压状态，此时浆液在压力作用下继续呈椭球型扩散，直至压力逐渐消散稳定，30min后若前一个注浆孔的压力高于0.5Mpa 则注浆完毕，否则重复多轮次注浆。
注浆后检测：图11和图12为注浆加固之后采用偶极-偶极式对堤坝结构的探测反演结果。图11为采用32个电极，电极间距为1m探测的反演结果，图12为采用60个电极，电极间距为0.5m探测的反演结果。
从注浆后的探测结果来看，在注浆加固后，可以看到堤坝整体电阻率有明显的提升，在注浆加固前，堤坝整体电阻率在60～120Ω·m，整体较为偏低，从图9的32电极探测反演结果中可以看出，堤坝整体电阻率值在200Ω·m，而采用渗透注浆修复后，在水平位置5m～12m处，深度0.5m～3m的范围内即图11虚线部分，电阻率高达500Ω·m。在60 电极探测的反演结果图中，可以获得更加丰富的信息，堤坝整体电阻率值达到300Ω·m左右，在疑似隐患处即图12虚线处，注浆加固后电阻率值达400Ω·m左右。由偶极-偶极式的探测结果可以推断，注浆加固效果良好，土体密实度得到显著提升，对隐患病害处置较好，有效改善了堤防的抗渗性和稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均视为本发明的保护范围。
