CN1469012A - 管涌、砂土液化与水下构筑物渗漏快速治理的系列浆液 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一系列含有诸如水溶性高分子聚合物和水泥、膨润土、粉煤灰等以及水玻璃、氯化钙等其他速凝剂多种组合的复合浆液。该系列浆液中，由于添加了水溶性高分子聚合物材料，使得无机材料吸附于超长分子链，从而优化了浆液的结构和工作状态。因此，可以根据管涌、砂土液化、水下结构渗漏或其他防水、加固工程的需要，调整浆液配比，调整浆液的凝胶时间，调整浆液的硬化强度，消除浆液的沉淀离析，快速有效地治理水下工程病害。该浆液克服了传统浆液配比中的诸多缺陷，不仅入水后不离散。而且充分地利用了与岩石(土壤颗粒)或混凝土表面良好的亲和力。可以广泛用于快速地治理管涌、砂土液化、矿坑突涌、坝体补强、地下构筑物或岩石裂隙、孔隙的渗漏以及地基基础或结构的加固。

Description

管涌、砂土液化与水下构筑物渗漏快速治理的系列浆液

本发明涉及快速治理管涌、砂土液化以及水下结构渗漏的系列浆液配方，具体的讲涉及到含有高分子聚合物材料、水泥以及多种无机材料与速凝剂的系列浆液配方。

堤坝的渗漏与管涌、水工结构的渗漏以及地下巷道的渗漏、突水事故，一般是由于隐伏的工程病害诱发形成的。多种基本条件的疏漏都可能成为它们的成因。工程勘察、工程设计以及工程施工中的疏忽，均可以埋下灾害的隐患。同时，地质、气象、水文以及水文地质条件的突变，也威胁着多种水工构筑物与水下结构的安全。

江河堤坝作为一种历史形成的大规模水工建筑，一般均存留了数百、上千年以致更久远。历史上，原始的筑坝工艺与漫长的堤防，几乎使人们不可能对如此巨大的工程，进行过多的地基处理。因此坝基以下经常潜伏着渗透性较好、结构较松散的沙质土壤层。该地层在高水头压力的作用下，很容易形成结构破坏，发生渗漏或管涌。管涌一旦形成，直接威胁着堤坝的安全，如不迅速地治理会造成溃堤事故。

水下构筑物或水下巷道的渗漏或突水、涌沙，同样是影响构筑物正常使用或威胁其安全的主要原因。

传统的管涌快速治理方法有：压石、抛沙袋、向坝基灌注膨胀性有机食品材料等方法，虽然可以有效地节制了许多溃堤事故的发生，但不仅费时费工，退水后还须投入巨额资金清淤整治，坝基内充填的大量有机质材料迅速地崩解、碳化，还将对坝体长期地安全运行构成隐患。

综上所述，对于此类工程病害需要一种更迅速、简捷、有效的治理方法。

随着化工科技的快速发展，各种高分子聚合物材料大量的出现，为我们充分地开发和利用原有建筑材料以及地层材料的潜在能力，提供了广阔的研究探索空间。

高分子聚合物与水泥、地层材料等，材料之间的深层次的作用变化，如利用得当，能够解决许多通常不易处理的工程问题。作者经过反复研究，同时在多项近似工程中的实际应用发现，在不同的工程环境、地质环境中，采用不同配比的高聚物浆液、高聚物水泥浆液以及高分了聚合物凝胶，可以快速有效地治理结构渗漏、管涌、矿坑涌沙突水事故以及结构基础的液化沉降。

作为一种经济、简捷、高效的治理方法，其不仅能够达到紧急消除工程病害的目的，还可以避免诸如后期整治资金投入，并永久地加固了结构的强度。

工程界利用注浆的方法治理地下水造成的工程病害，已经有几十年的历史。各种注浆理论及著述颇多，普通的注浆加固材料一般为水泥、水泥粉煤灰等，常见的化学注浆方法，一般为水玻璃类、氯化钙、聚胺酯类、铬木素类、环氧树脂、甲凝、丙烯酸盐、糠醛树脂等等，近一二十年未见大的变化。上述方法虽然有效，但由于价格昂贵、有毒有害或操作繁琐，不易普遍推广应用。最新的文献如：岩土注浆理论与工程实例(2001.4)、注浆工程设计计算与施工(1997.8)等等。

本发明人经过深入地分析土壤颗粒与岩石裂隙中地下水的运动规律，以及土壤颗粒表面的物理力学性质，通过大量的室内实验及工程实践发现，一些高分子材料参与制成的浆液，可以在瞬间稳定住液化的土壤颗粒，并能够迅速地封闭管涌通道或矿坑突沙涌水通道。

堤坝发现管涌迹象或穿越松散地层的巷道出现渗漏、突水迹象时，应立即着手进行治理。随着时间的推移，地层中的过水通道会迅速地向灾难化方向发展。因此，治理的工法应迅速、简捷、经济、有效并不留后患。而发生在坚硬岩石或混凝土结构中的渗漏，治理的过程要相对简单得多。

为了防止事故的扩大，首先要使过水通道周边的土壤停止崩解运动使其稳定。自工作面钻孔至管涌发生层段，向孔内注入高分子聚合物浆液，浆液进入地层以后，高聚物自身具备的吸附基团，如-CONH₂、-COONa、-OH、-SO₃Na₂等，这些基团通过三种方式吸附于固体表面：即大分子链与固体表面之间的静电力、氢键力和范德华引力。

大分子链一旦接触到土壤颗粒，迅速地与之发生作用，吸附于表面使其絮凝，当土壤颗粒中赋存有大量高价金属离子时，絮凝活动将更剧烈。高分子链互缠交联形成架桥，使絮凝结构增大变粗，从而基本终止了土壤颗粒的自由活动。据此，可以初步节制住管涌进一步扩大的趋势。但是由于受破坏的土壤结构已经疏松并出现空洞，随着地下水流的强烈活动，可溶于水的高聚物浆液，会被强烈的水流不断稀释带走，砂性土壤中脆弱的絮凝结构，也会随之逐渐崩解。因此向发生管涌的层段注入高分子材料后，应立即继续注入高聚物水泥复合浆液。同时根据管涌的发生程度，调节浆液的硬化速度，使过水通道尽快地封闭。注浆的过程同时也是对土壤层的充填、压缩、挤密的过程，使处于疏松状态的过水通道，重新密实并固结。

在考虑治理管涌、沙土液化、岩石裂隙、孔隙以及混凝土断裂渗漏时，首先应充分考虑利用地层与结构材料自身的物理与化学性质。使其作为一种主要的共聚物参与到治理的过程中。

管涌与渗漏发生的地层与结构体，均为砂、粉砂、粉土、砾石、岩石以及混凝土等无机质材料构成，其颗粒表面含有大量的金属离子。其为病害工程治理工作的实施，提供了良好的基础条件。

高分子聚合物作为浆液与结构的媒体，其首先应当具备能够牢固地吸附于固体表面的吸附基团。这些基团的性质确立了形成浆液整体稳定性的框架，同时又确立了浆液与地层或上壤颗粒之间的联系基础。当然重要的还有固体颗粒表面要带有足够的正电荷。因此我们在选择高分子聚合物材料时，应选择线性阴离子型材料。根据土壤的基本离子状态，正确地选择和配制浆液，以利于进行更充分的絮凝作用。

本发明人经过反复的室内实验及工程实践发现，适用于本发明的高分子聚合物为水溶性聚丙烯酰胺，其分子链必须足够长一般不低于400万单位，优选800-1000万单位。

通过对我们选用的高分子聚合物材料刚性模型的分子力学研究。可以看到，由于强静电相互作用和氢键作用，使其分子链内与链间均发生强烈的关联，复杂的结构使得我们对于聚合物主链构象态的研究有很大的难度。因此可以采用如下方法加以考察：

1.立丙烯酰胺单体二单元组的刚性模型  在此刚性模型中，除了主链键对的两个二面角可以旋转外，其余分子几何参数(键长、键角和二面角等)固定不变。依据两个羰基的空间取向、有三个起始构象。

2.Dreiding力场进行结构优化  计算高分子聚合物的能等势线图，得到各种构象体的统计权重。

3.利用Flory的统计权重矩阵生成方法  计算分子的无扰均方尺寸。

为了得到合理的结果，计算中采用如下的统计方法。

(1)、将不同的构象体的几何参数用进行统计平均，得到一组新的几何参数；

(2)再利用下式计算能量：

E_total＝E_stretch+E_bend+E_torsion+E_inversion+E_vdw+E_ele+E_hb得到三种等势线图，通过Boltzmann因子进行统计平均得到了聚丙烯酰胺刚性模型的总能量等势线图，就可以计算出各种构象态的统计平均能量和统计平均角度。

我们可以依据实测或计算数据，得到地层中土壤颗粒的对应能量，然而水泥浆液中的能量配合则更为简单，可以据此确定与之相对应的高分子聚合物投入量。

当地层中的砂性土壤，在水流作用下，诱发了水下工程病害时，在治理工程中，首先应向地层内注入纯聚丙烯酰胺浆液。该水溶性聚丙烯酰胺浆液无颗粒，可灌性极佳。不仅在灌注压力的作用下，具有较大的扩散半径，而且多余的材料还可以随着水流的渗透运动，继续与外部的土壤发生作用，从而能够快速地稳定住渗流通道附近的被破坏了结构的土壤，并防止地层的进一步液化。在双鸭山远东煤矿矿坑突水的治理工程中，其掌子头崩裂后，突砂、涌水量达到80.0l/s，当我们向大流量的突水、涌沙点，注入高分子聚合物浆液后，瞬时就制止了涌沙现象。

高分子聚合物浆液，利用其超长分子链表面阴离子基团的活性，与土壤颗粒表面的正离子进行电离吸附作用，产生电性中和，桥联键合，形成离子键、共价键，拉住土壤颗粒使其形成一个整体。但是由于管涌形成后，地下水流速过快，因此这种絮凝结构会很快被外力冲散破坏。不过，絮凝结构形成的土壤层的初步稳定，可以为最终的治理工作提供充足的时间。

向发生管涌或砂土液化的地层注入高分子聚合物浆液后，可以初步竭制住土壤的崩溃势头。但若要使该地层完全稳定，就必须对已经掏空或出现结构疏松破坏的层段，进行充填压密并使其固化。传统的水泥浆、水泥粉煤灰浆或其它浆液，因其水散性、初凝时间过长以及与土壤亲合力差等原因，不适宜在地下水强渗流带使用。据此我们研制了高聚物复合水泥浆液。

当水泥等材料调成浆后，发生强烈的水解和水化反应。溶液中分解出氢氧化钙并形成其他水化物。其各自成分的反应过程如下：硅酸三钙(3CaO·SiO₂)    其含量占水泥的40-45％

   硅酸二钙(2CaO·SiO₂)    其在水泥中占30-35％

   铝酸三钙(3CaO·Al₂O₃)₂    约占水泥重量的6％

   铁铝酸四钙(4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)    约占水泥的10％

   硫酸钙(CaSO₄)虽然只含4％但与铝酸三钙一起与水发生反应，生成水泥杆菌。

  

水泥之间的相互作用是以离子键的形式进行的。在水泥水化后的胶体中，Ca(OH)₂和Ca⁺²+2(OH)^-共存。而当浆液中添加粉煤灰或粘土矿物时，以SiO₂为骨架的板状或针状结晶表面，通常带有Na⁺和K⁺离子。此时向浆液中加入适量的高分子聚合物浆液，其超长分子链表面的吸附基团，立即与水泥浆液中的金属离子发生强烈的电性中和反应。桥联键合形成离子键共价键，从而使水泥矿物分子呈链状分布。同时新生成的大分子链还会互缠交联形成架桥，确立了聚合物复合水泥浆液的水下不离散度。

从理论上讲，胶体系统失稳后，颗粒将絮凝聚结以至沉淀。在位能曲线上，我们可以看到，有一个极大值E_b，称为能垒；两个极小值E_m1和E_m2，相应称为第一极小和第二极小；粒子间距h减至很小，位能曲线越过第一极小重新陡峭升高，则是电子云相斥所致。当颗粒间距处于E_m2时，也能形成缔合体，但由于能量降低很少，缔合很弱，一般热运动或略加搅动即可拆散。当颗粒间距处于E_m1时形成稳定的缔合体，如果大量生成，产生絮凝或聚结，原有的胶体系统即被破坏。是否絮凝或聚结则决定于能垒E_b的高低，当E_b降低至接近于零，絮凝或聚结即告开始。

这种作用是由于水泥浆胶体颗粒以大分子链为轴芯，缔合形成为较疏松的絮状物，颗粒本身的性质和结构并没有大的改变。然而，由于这种链状的浆液遇水后不离析不沉淀，它不仅提高了浆液在地层中的可灌性，实验证明在固结后，比常规的注浆浆液还减少了干缩量，具有很强的阻水性与抗侵蚀性。

絮凝是一种缔合过程，设颗粒为A₁，絮凝可以用下列模式描述：

A₁+A₁A₂，A₂+A₁A₃，…，A_i+A₁A_i+1，…

如近似看作理想溶液，从热力学角度考虑，其平衡常数可表示为 $K(i,i+1)=K_x(i,i+1)=\frac{x_{i+1}}{x_i{x}_i}$

式中所反映的主要成分即两颗粒相互接近时的能量差，也就是通常能量图中的E_m。对于第二极小E_m2，由于其值很小，x_i+1＜x_i，可以看作很弱的絮凝。对于第一极小E_m1，其值很大，x_i+1＞x_i，将产生显著的絮凝。

实际上是否絮凝，则决定于E_b的大小，这是一个动力学问题。

在我们的浆液配比中，使用的链状高分子聚合物材料，其分子链的单位长度一般应在4.0×10⁶----1.0×10⁷。

此时的复合浆液是一种带有活性的链状体。它在水中的分散性很差，但是链体表面活泼的离子，使其在进入地层以后，迅速与岩石或土壤颗粒相互吸附，这种作用使得浆液与岩石或砂性土壤的表面离子亲合力极强。极大地提高了浆液在强水流活动地层中的稳定性。链状浆液在遇水后不离析、不沉淀的稳定性，又增加了浆液的有效灌注半径。

在水泥中的某些元素与高分子发生共聚作用后，改变了原有浆液中某些矿物的水化次序与生成结构，因而导致这种絮状浆液硬化时间的改变，与普通水泥浆相比，这种浆液的终凝时间将向后延迟4-12小时，凝结时间的长短与高分子聚合物的添加量有关。

如果在水流强烈活动区域注浆，当地下水的水头压力过高时，为了防止浆液在硬凝前溃解，应当调整浆液的硬化速度，使其在注入地层并达到预期目的后立即硬化。为此，可以根据不同的需要在浆液中投放不同的速凝剂，形成高分子聚合物速凝复合水泥浆液。

实验证明，为了调整浆液的凝胶时间，以适应于不同地质、水文地质条件下的工程环境。在注浆工程开始之前，可以根据不同的用途，选择多种材料的组合，还可以依据地下水渗流的速度、压力、路程添加多种促凝剂。然而，不同的材料组合以及各种促凝剂，往往只适合于某一特定的工程环境或某一特选的时间区段。因此有必要确定各种不同浆液的适用性，以及工作范围。

1.正常凝胶的聚合物水泥浆液

适用于低压或弱渗透的岩石裂隙或地下构筑物防渗注浆。其自然凝胶的时间一般在28---36h，随着高分子材料添加量的增加凝胶时间变长。而纯水泥浆的凝胶时间一般在20---24h左右。该浆液中，由高分子聚合物与水泥分子组成的大分子链，在压力作用下，可以渗透进入较细小的岩石裂隙，同时这种浆液具有优良的防渗性能，浆液固结后，较普通水泥浆，还提高了抗风化与抗侵蚀性。

2.聚合物水泥水玻璃速凝浆液

当聚合物水泥浆中加入硅酸钠(Na₂O·nSiO₂)(俗称水玻璃)以后，浆液的凝胶时间急剧地缩短，以至于达到瞬凝。当其添加量为浆液的3---5％时，凝胶的时间约在30---50′。随着加量的增减凝胶时间会随之加快或减慢。通常使用的硅酸钠模数为2.5---3.0，波美度为43---45。这种浆液的凝胶时间，虽然可以进行一定的调整，但一般调整的范围只在几分钟以内，因此进行单液注浆的操作难度极大，一般应采用双液注浆方法。

这种浆液配比，适用于封堵大流量、高压、超流速的突涌事故。链状的水泥浆速凝以后，可以大幅度地提高其抵御高速水流冲刷的能力。经过对比实验证明，其能力和效果远远超过传统的水玻璃水泥浆，同时水玻璃用量大大地降低。

3.聚合物水泥快凝浆液

在施工过程中，由于施工工艺的需要或施工设备的限制，有时只能采用单液法注浆。因此为了延缓浆液的凝胶时间，在一些工程中我们调整速凝剂的成分。在浆液中添加氯化钙(Ca₂Cl)或氢氧化钠(Na₂OH)，可以使浆液的凝胶速度随工程的需要进行调整。正常情况下，氯化钙等快凝剂的加量可以控制在1---5％，这时其加量与凝胶速度成对数关系变化，随着加量的增加浆液的凝胶时间迅速变短。在上述的加量范围内，浆液的凝胶时间可以控制在8---300分钟。因此有较大的调整自由度。

4.聚合物水泥粉煤灰浆液

当注浆加固施工区段，具有较大的空洞、裂隙时，注浆加固工程的主要作用，往往转变为填充注浆。这时在结构上一般不要求过高的固结强度，因此为了降低工程成本，可以在浆液中加入粉煤灰等材料作为骨料。实验证明，这种复合浆液的固结强度，仍可以达到2.0---7.0Mpa。

5.塑性聚合物水泥浆液

在一些防水、防渗工程中，施工设计往往需要浆液凝胶后，带有一定程度的塑性，以便于当结构出现一定的变形时，凝胶体随之蠕动变形，仍然起到防渗止水作用。据此我们在一些工程中，使用了高分子聚合物水泥膨润土复合浆液，其固结强度可以根据工程的实际需要，以及地下水的渗透压力进行调整。浆液中添加膨润土后，凝胶的时间会向后延迟，需要时可以使用速凝剂调节凝胶时间。

6.纯高分子聚合物浆液

在松散地层中，由于水的渗流通道的存在，地层颗粒已经活化或处于不稳定状态，这时需要注浆加固的区段如：挡水结构、建筑物或构筑物基础以及相邻建筑物，可能已经处于危险之中。因此，为了防止由于地层颗粒的不断移动减弱地基，使工程事故的严重程度加剧。注浆加固的设计，首先应当考虑立即着手稳定住土壤，防止水流的携裹作用，使地层进一步地掏空。为此在处理此类工程事故时，首先调制水溶型高分子聚合物浆液，注入发生事故的地层中，高分子链迅速地与土壤颗粒表面离子桥联键合，可以使土壤颗粒恢复安定。然后再进行阻水、防渗等深度处理。纯高分子聚合物浆液浓度1/1000---1/2000即可。

综上所述，在水流渗透压力的作用下，无论是在松散地层中出现管涌、地基上液化，还是在基岩或混凝土结构中出现渗漏，甚至在穿越砂层的矿坑中出现突水、涌砂事故，都可以使用高分子聚合物参与形成的系列浆液，快速有效地进行治理。

聚丙烯酰胺及其参与调制的系列浆液，不仅适用于封堵压力水流形成的工程病害，还可以用于土壤、岩石裂隙以及水下混凝土结构缺陷的补强，尤其适用于防治各种因素形成的地下渗漏，封闭地下水的渗流通道。由于浆液与上述的岩石或结构之间，具有良好的亲和作用，浆液自身的强度、塑性，能够视工程需要随意调整，同时高分子聚合物的参与，改善了浆液的适应性以及多项理化指标。使得其存在着广泛的应用前景。

浆液中添加的高分子聚合物材料，是一种无毒的环保型材料，它的使用不会对环境以及地下水造成污染。应用聚丙烯酰胺系列浆液的注浆工程实例：

1.双鸭山远东煤矿副井穿越沙层时掌子面崩裂封堵

2.苏州工业园区P₁Z₁路污水干线基础液化沉降治理

3.苏州工业园区2、6标段污水管线渗漏治理

4.北京东四环电力隧道暗挖工程砂土液化预加固

5.锡华综合运动馆基坑防渗墙

6.泉发花园原供水井上部污染地层封闭

Claims (6)

1.快速治理管涌、砂土液化及水下构筑物渗漏的系列浆液。其特征在于该系列浆液的配方中含有水溶性高分子聚合物或同时含有水溶性高分子聚合物与水泥、膨润土、粉煤灰或其他无机材料，该浆液中还可能含有水玻璃、氯盐、酸盐、氢氧化物或其它促凝剂；

2.根据权利要求1的系列浆液配方，其特征在于所述水溶性高分子聚合物为聚丙烯酰胺；

3.根据权利要求1的系列浆液配方，其特征在于浆液中的水溶性聚丙烯酰胺的含量为：大于零至100％；

4.根据权利要求1的系列浆液配方，其特征在于涵盖了只含有水溶性聚丙烯酰胺单一材料的浆液以及水溶性聚丙烯酰胺与其他多种材料参与共同调制的浆液；

5.根据权利要求4的系列浆液配方，其特征在于同时涵盖了在浆液加水前的干粉材料中添加水溶性聚丙烯酰胺；

6.根据权利要求1的系列浆液配方，其特征在于适用于治理：管涌；渗漏；砂土液化；山体、岩体、坝体、混凝土结构的加固或防渗；各种矿坑巷道的渗漏、突砂涌水；地基基础的加固；结构补强；地下管线或地下结构的防渗等。