淺談劈裂灌漿在水庫土壩中的防滲加固機理

梁錦強

摘要：用劈裂灌漿防滲加固技術(shù)來改進壩體的穩(wěn)定性，是堤壩加固領(lǐng)域的一種非常有效的加固方法，多年來該技術(shù)在中小型水庫上壩防滲加固中得到廣泛應(yīng)用。本文針對土壩劈裂灌漿加固機理進行分析研究，并分析施工過程中注意事項。

關(guān)鍵詞：壩體加固 劈裂灌漿 數(shù)值模擬分析

0 引言

在世界大多數(shù)國家中，土石壩建設(shè)在壩工方面一直居于首位。世界土石壩得到迅速發(fā)展的同時，也發(fā)生過較多的事故，為這種發(fā)展付出了代價?？梢哉f每一次土石壩技術(shù)的重大進步，都和事故的教訓(xùn)有關(guān)。對于出現(xiàn)老化及異常情況的土石壩，為了防止其產(chǎn)生滲透破壞直至產(chǎn)生潰壩等工程事故，必須根據(jù)情況對其進行修補加固。土石壩建成后，經(jīng)過多年運行，壩體產(chǎn)生老化是普遍存在的問題。當(dāng)壩的力學(xué)穩(wěn)定性或水力學(xué)穩(wěn)定性受到損害時就要發(fā)生事故。據(jù)國內(nèi)外學(xué)者統(tǒng)計，由滲透破壞造成事故的，約占全部事故的30%-40%。所以，土石壩的防滲加固，在世界范圍的水庫險壩的處理中占有很重要的位置。近年來，為了水庫的防洪安全，我國政府利用國債資金，在全國范圍內(nèi)開展大規(guī)模的病險水庫處理。本文就劈裂灌漿技術(shù)在水庫土壩中的防滲加固機理分析，然后提出運用流固耦合分析方法進行模擬的思路。

1 劈裂灌漿方法研究

堤壩劈裂灌漿技術(shù)是在總結(jié)了傳統(tǒng)的堤壩灌漿技術(shù)的經(jīng)驗教訓(xùn)，分析了堤壩裂縫的成因以及泥漿劈裂堤壩規(guī)律的基礎(chǔ)上提出來的。美國在1970年即采用灌漿的方法處理了希爾克里格壩，該壩建成后在心墻與山坡接頭處出現(xiàn)漏水；英國60年代初期建成的巴爾德赫德壩，發(fā)現(xiàn)心墻裂縫后，60年代末期也采用灌漿的辦法進行處理；還有西班牙的阿爾龐上壩、墨西哥的勒克薩壩都采用過灌漿的方法進行處理，當(dāng)時由于人們的種種擔(dān)心，致使這門技術(shù)未能得到發(fā)展。

我國解放初期在黃河大堤首次用鋼釬探測隱患，然后進行灌漿，取得了較好的效果。而后在一些中小型水庫上壩上進行充填式灌漿。到了70年代該技術(shù)開始用于處理一些大中型水庫的壩體隱患。到了70年代后期，人們總結(jié)了充填灌漿的經(jīng)驗教訓(xùn)，分析了壩體裂縫成因和灌注泥漿劈裂壩體的規(guī)律，提出了土壩壩體劈裂灌漿理論。劈裂灌漿與充填式灌漿有本質(zhì)的區(qū)別。壩體劈裂灌漿是從產(chǎn)生壩體隱患的原因入手，利用壩體小主應(yīng)力的分布規(guī)律進行布孔，利用水力劈裂原理，施加一定的灌漿壓力，有計劃有控制地劈裂壩體，灌注適宜的泥漿，通過漿壩互壓和壩體的濕陷固結(jié)等作用，使所有與漿脈連通的裂縫、洞穴、水平疏松層等隱患得到充填擠壓密實，形成豎直連續(xù)的漿體防滲帷幕。改善壩體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，改善壩體的滲透穩(wěn)定性和變形穩(wěn)定性。隨著劈裂灌漿加固技術(shù)的推廣應(yīng)用，其理論研究也得到不斷的發(fā)展。通過原型觀測、室內(nèi)試驗、理論分析和工程總結(jié)對漿液劈裂壩體的規(guī)律、泥漿固結(jié)和壩體壓密、漿壩互壓以及壩體內(nèi)部孔隙水壓力和土壓力的變化規(guī)律等方面獲得初步成果。

劈裂灌漿技術(shù)不論在施工工藝還是在理論研究方面取得了不少進展。但是，山于該項技術(shù)的特殊性及加固對象的多樣性，所以還有很多理論方面的問題沒有解決。例如，灌漿軸線的布置，復(fù)灌時間的確定，漿液在壩體中的固結(jié)規(guī)律，灌漿對壩體應(yīng)力應(yīng)變的影響，灌漿效果及持久性問題等。劈裂灌漿的理論研究遠遠落后于實踐需要，甚至制約了該項技術(shù)的進一步推廣。

2 土壩劈裂灌漿加固機理

土壩劈裂灌漿防滲加固機理是多方面的，首先是壩體內(nèi)部應(yīng)力的分布規(guī)律為劈裂灌漿提供了可能性，再就是灌漿過程中的泥漿的劈裂充填作用、漿壩互壓作用、壩體濕陷固結(jié)作用、壩體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整作用等。

2.1 水力劈裂原理，指是在水壓力作用下，使原物體產(chǎn)生裂縫或使原有裂縫擴大的過程。如果無限域中的圓孔受到均勻液體壓力P，要計算介質(zhì)中的應(yīng)力，已有經(jīng)典解答。如果介質(zhì)初始應(yīng)力為零，則當(dāng)P＞σi就會被劈裂，其中σi為介質(zhì)的抗拉強度。若果介質(zhì)初始應(yīng)力為σ，則當(dāng)P≥σ+σi就會被劈裂，式中如果σ是拉應(yīng)力，則P+σ≥σi就會被劈裂。

2.2 土壩壩體的應(yīng)力分布規(guī)律，土壩具有梯形斷面的條形建筑物，通過對土壩壩體的原形觀測及有限元分析，壩體內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律一般如下：在壩軸線附近，土壩的豎向應(yīng)力σi略小于土柱的自重壓力，土壩橫剖面的水平應(yīng)力σx，比豎向應(yīng)力σy小，約等于(0.3-0.5)σy，(即側(cè)壓力系數(shù)為0.3-0.5)。土壩填筑質(zhì)量愈差，則側(cè)壓力系數(shù)愈小，壩頂部一定高度σx:還會出現(xiàn)拉應(yīng)力。土壩的縱剖面的水平應(yīng)力為σz二介于σx和σy之間。一般情況，土壩壩體壓應(yīng)力符合σy>σz>σx的規(guī)律。根據(jù)土壩壩體的應(yīng)力分布情況，利用水力劈裂原理，在壩軸線附近沿小主應(yīng)力面布置灌漿孔。泥漿就容易沿這個平面將壩體劈開。

2.3 泥漿對壩體的劈裂充填作用。由于劈裂灌漿是以漿液為能量載體，高壓泥漿對壩體有很大的充填作用。泥漿充填壩體內(nèi)部被劈開的灌漿通道，以及與通道相連的各種原有裂縫、洞穴等，充填作用與劈裂灌漿作用是同時進行的。隨灌、隨劈、隨充填，達到縫開、漿到、料滿。隨著復(fù)灌次數(shù)的增加，泥漿多次充填擠壓，使原壩體得到擠壓、密實，與漿體帷幕一起形成較高的防滲能力，因而達到充填壩體隱患和構(gòu)造防滲帷幕的目的。

2.4 濕陷作用。泥漿灌進壩體，其中大量水分隨之進入壩體。水除了產(chǎn)生孔隙水壓力和對土的性質(zhì)產(chǎn)生影響外，還對壩體產(chǎn)生濕陷作用。濕陷作用的大小與土壩質(zhì)量和土料性質(zhì)有關(guān)。濕陷作用對壩體是有利的，可以增加壩體的密實度和變形的穩(wěn)定性，減少弱應(yīng)力區(qū)范圍。停灌以后濕陷作用逐漸變緩，每次復(fù)灌都有濕陷，但濕陷率越來越小。濕陷使壩高有所降低，壩體體積縮小，在壩頂出現(xiàn)變形裂縫。這些裂縫經(jīng)過多次復(fù)灌后都會被泥漿充填。

2.5 能量的調(diào)整和轉(zhuǎn)換。根據(jù)物體能量的轉(zhuǎn)換和傳遞規(guī)律，提出了土壩的裂縫破壞是由于壩體內(nèi)部的變形和能量積累轉(zhuǎn)換造成的。要根除這種隱患，就必須使壩體內(nèi)部分土體所積累的應(yīng)變能充分釋放。劈裂灌漿就是通過灌漿壓力和土體濕陷變形，使原有的土體裂縫充分開裂，使己出現(xiàn)的弱應(yīng)力區(qū)和強應(yīng)力區(qū)之間的應(yīng)力應(yīng)變能相互傳遞轉(zhuǎn)換，打破原壩體內(nèi)部應(yīng)力的不平衡，恢復(fù)正常的應(yīng)力狀態(tài)，使壩體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變相對穩(wěn)定。

2.6 漿壩互壓理論。土壩劈裂灌漿技術(shù)利用了上壩壩體的整體彈性特征，在灌漿過程中隨著灌漿壓力的反復(fù)增長和消失，具有彈性的壩體張開和回彈，使壩體和漿體反復(fù)擠壓，形成連續(xù)的漿體帷幕和兩側(cè)壓密的壩體聯(lián)合防滲帶。通過漿壩互壓，可以補救原壩體由于不均勻變形產(chǎn)生的小主應(yīng)力不足，改變壩體內(nèi)部的應(yīng)力不平衡狀態(tài)，從而比較徹底地解決了土壩壩體的變形穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定問題。

2.7 泥漿和壩體的固結(jié)和壓密。劈裂灌漿加固壩體的主要作用是利用泥漿在壩體中固結(jié)硬化后形成的帷幕進行防滲。因此泥漿在壩體內(nèi)能否固結(jié)硬化，就成為土壩劈裂灌漿中最關(guān)鍵的問題。影響漿液固結(jié)的因素是十分復(fù)雜的，漿液固結(jié)速率和效果不但與壩體土質(zhì)、施工質(zhì)量、壩體應(yīng)力狀態(tài)、漿體土料性質(zhì)、漿體厚度等因素有關(guān)，而且還受壩前水位、施工工藝的影響。

3 結(jié)語

運用流固耦合分析方法進行模擬，用劈裂灌漿防滲加固技術(shù)來改進壩體的穩(wěn)定性，是堤壩加固領(lǐng)域的一種非常有效的加固方法，多年來該技術(shù)在中小型水庫土壩防滲加固中得到廣泛應(yīng)用。本文通過水庫土壩防滲加固機理分析，為進一步開展劈裂灌漿防滲加固技術(shù)提供理論支持與保證。

參考文獻：

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