淺析劈裂灌漿技術(shù)在堤壩防滲加固中的應(yīng)用

李利寧+王君芳

摘 要：劈裂灌漿技術(shù)是一種充分利用堤壩內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律并在一定壓力下進(jìn)行的灌漿技術(shù)，對提高堤壩的防滲能力有明顯的效果，同時(shí)對堤壩及壩基密實(shí)度的提高也有很好的加固效果，相比其他的堤壩防滲加固措施，其見效顯著而投資很小，值得大力推廣。

關(guān)鍵詞：劈裂灌漿土壩 應(yīng)力 壓力 漿脈 漿壩互壓 排水固接 防滲能力 工程實(shí)例

中圖分類號：TV698 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0037-03

1 劈裂灌漿的涵義

劈裂式灌漿就是運(yùn)用填筑堤壩內(nèi)土應(yīng)力分布規(guī)律，按土體能承受的最小拉力方向（薄弱面），在一定的灌漿壓力下，將堤壩沿其方向（對土壩或者堤防而言，薄弱面一般是縱軸線方向）劈裂，同時(shí)灌注適合工程加固要求的泥漿，形成連續(xù)的防滲泥墻。由于其灌漿壓力較一般充填式灌漿大，從而可以更有效地充填堤壩內(nèi)的漏洞、裂縫或切斷堤壩內(nèi)的軟弱夾層，最終達(dá)到提高壩體的防滲能力和壩體填筑的密實(shí)度的要求，同時(shí)通過漿、壩互壓和濕陷，使壩體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，提高壩體變形穩(wěn)定性。另外，由于壩體對壩基長期的作用，根據(jù)土力學(xué)相關(guān)知識可以知道，壩基的應(yīng)力分布也會(huì)具備與壩體相似的規(guī)律（在一定深度范圍內(nèi)），從而在其應(yīng)力影響范圍內(nèi)，也可順利將壩基劈裂，大大提高壩基防滲能力和壩基密實(shí)度等作用。

2 劈裂式灌漿機(jī)理

2.1 壩體的可灌性及泥漿劈裂的理論分析

在劈裂式灌漿技術(shù)運(yùn)用之前，人們曾一度認(rèn)為，要通過灌漿充填加固壩體的空隙，其可灌性主要取決于灌漿材料顆粒的大小與空隙大小的比值，這種理論導(dǎo)致當(dāng)時(shí)對灌漿材料的顆粒細(xì)度要求越來越細(xì)，對充填式灌漿起到了很大的推動(dòng)作用?？墒呛髞砣藗儼l(fā)現(xiàn)，粘土心墻這樣的細(xì)顆粒防滲體防滲性能出現(xiàn)問題的時(shí)候，灌漿材料的細(xì)度很難滿足工程要求，而且由于其機(jī)理是靠細(xì)顆粒充填，其充填的壓力也較低，如果增大灌漿壓力，則會(huì)因?yàn)橥馏w抗拉能力較低而將原本裂縫很少、很小的防滲體主動(dòng)劈開，不但充填空隙的目的不能很好地達(dá)到，而且會(huì)因?yàn)榱芽p的增加而導(dǎo)致滲漏加劇，因此充填灌漿對這類細(xì)顆粒防滲土體的加固效果不太理想。后來通過實(shí)驗(yàn)證明，在灌漿壓力作用下的粘土泥漿，當(dāng)灌漿壓力超過一定值時(shí)，以滲透和劈裂兩種形式出現(xiàn)，對具有小孔隙的細(xì)砂、粘土，只能以劈裂的形式存在。在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引發(fā)了人們對主動(dòng)劈裂堤壩的探索和分析，經(jīng)過不斷嘗試和分析，最終產(chǎn)生了劈裂式灌漿技術(shù)，其機(jī)理主要是：通過主動(dòng)的壓力灌漿，漿液會(huì)自動(dòng)尋找土體本身的薄弱面，隨著壓力的增大，會(huì)將之劈開，使其應(yīng)力釋放并重新分布，達(dá)到新的平衡，同時(shí)也就達(dá)到加固土體的目的。加固主要表現(xiàn)在兩方面：其一，通過灌漿使灌漿材料沿最薄弱的應(yīng)力面將其劈開，并同時(shí)主動(dòng)充填，形成連續(xù)的防滲體；其二，由于灌漿壓力較大，可以擊穿部分空洞、孔隙及裂縫之間的土體，因此對劈裂土體兩側(cè)的空洞、孔隙及裂縫等充填效果更加理想，從而在提高壩體土料或心墻的干密度效果方面，也有顯著效果。由上述機(jī)理可知，劈裂灌漿不會(huì)像充填灌漿一樣受到灌漿壓力的限制（原則是劈開為止），也沒有必要擔(dān)心由于灌漿而新增裂縫，而是主動(dòng)地找到堤壩內(nèi)部本身的薄弱面，在將其劈開的同時(shí)對其進(jìn)行充填加固，達(dá)到新的應(yīng)力平衡和穩(wěn)定。

堤壩一般為梯形斷面，橫向高度隨兩側(cè)坡比逐漸變化，因此在自重作用下，堤壩縱軸線附近（壩頂或心墻頂寬范圍內(nèi)）由于兩側(cè)的拉力效應(yīng)而成為其最小主應(yīng)力面，或者說，一般情況下，在堤壩頂寬范圍或心墻頂寬范圍內(nèi)的土層本身就受有兩側(cè)土體向兩邊的拉力作用，只是在正常情況下，這個(gè)拉力不能導(dǎo)致土體的拉裂，但已經(jīng)將土體本身抗拉能力大大降低（土體的這種被拉而沒有拉裂的狀態(tài)被稱為弱應(yīng)力狀態(tài)），因此，一旦沿這個(gè)方向進(jìn)行壓力灌漿，即給其增加一個(gè)外在拉力，將會(huì)導(dǎo)致其劈開，因此，均質(zhì)土壩、心墻粘性土等等都是可灌的，其可灌性決定于壓力泥漿對它的劈裂程度和其本身抗拉能力的折減多少。由此可知，灌漿壓力對壩體劈開的方向、長短和寬度，與原壩體的應(yīng)力分布和大小關(guān)系密切。在灌漿壓力作用下，壩體總會(huì)尋找其最薄弱面（最小主應(yīng)力作用面）劈開。因此，按照堤壩的一般（尤其是梯形基本對稱斷面）應(yīng)力分布規(guī)律，通過合理的灌漿工藝，就可以實(shí)現(xiàn)對壩體有計(jì)劃的劈裂，以達(dá)到消除隱患且穩(wěn)定壩體的目的。

2.2 防滲漿脈的厚度一般規(guī)律

由于堤壩、心墻等一般為兩側(cè)帶有一定坡比的分層填筑體，在堤壩的深度方向?yàn)榈厍颍瑤缀蹩梢哉J(rèn)為是無限遠(yuǎn)，故該方向應(yīng)力最大，為第一主應(yīng)力，沿壩體縱軸線方向比橫向要長得多，所以該方向應(yīng)力為第二主應(yīng)力，故最小主應(yīng)力方向一般存在于橫向。

一般情況下，堤壩的體型均可簡化為基本對稱梯形或等腰三角形（壩高較大的或者坡比較緩的），同時(shí)堤壩的土體在正常情況下均是分層填筑的，因此在靠近兩側(cè)坡體的土柱高度較小，其絕對變形量也相應(yīng)較?。ㄟ@里假設(shè)填筑標(biāo)準(zhǔn)一致），而位于堤壩中心附近（堤壩頂寬度或心墻頂寬范圍）的土柱高度最高，因此其絕對變形量也最大，堤壩壩坡土柱和頂寬土體土柱之間的這種相對的變形導(dǎo)致本來在同一層（水平方向）的土體在重力作用下產(chǎn)生相對位移而逐漸向下彎曲，從而使靠近堤壩軸線附近的土層受到兩側(cè)土體對其的拉力，也就使在該位置的土體內(nèi)部產(chǎn)生了弱應(yīng)力，當(dāng)該弱應(yīng)力大于土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，堤壩內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生裂縫。因此一般情況下，其最小主應(yīng)力面存在于堤壩縱軸線附近。由上述分析可知，在橫向水平方向上最小主應(yīng)力面一般在堤壩縱軸線附近，而在這個(gè)最小主應(yīng)力面的高度方向上，什么位置的土體弱應(yīng)力最明顯？即什么位置的土體最容易被劈開呢？從理論上，仍然是在相對變形最大的位置，為尋找該位置，現(xiàn)分析如下：首先，堤壩基礎(chǔ)平面在豎直方向的相對沉降變形相對人工填筑的堤壩來說一般較小。其次，在堤壩的頂面，因不受約束，為自由沉降面，在不考慮由于堤壩基礎(chǔ)原因造成的不均勻沉降的前提下，不存在豎直方向的相對變形，同時(shí)，在兩側(cè)邊坡為單一坡比的前提下，在高度方向上的相對沉降變形量也是隨著高度的線性變化而線性變化。由此可知，壩底和壩頂?shù)南鄬ψ冃屋^小或無相對變形，如果忽略壩底相對變形的話，最大相對變形的位置就應(yīng)該在壩高的中間，即1/2壩高處。我們知道，填筑堤壩的總體絕對沉降量一般在壩高的1%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未超出堤壩內(nèi)體的彈性范圍，所以在堤壩土體內(nèi)，相對變形量大的位置，也就是土體弱應(yīng)力較大的位置，也就是最容易被劈開的位置，當(dāng)然也是理論上漿脈厚度最大的位置。但實(shí)際上堤壩基礎(chǔ)必然存在少量的變形，所以漿脈最厚的位置會(huì)相應(yīng)下移，同時(shí)，受漿液自重的影響，越向下部，其灌漿壓力越大，漿液向四周（在最小主應(yīng)力面上主要是指向兩側(cè)）的推力更大也就更容易劈開堤壩，或者說劈開的裂縫就越大，故漿脈最厚的位置一般在壩高1/2～1/3處，通常不會(huì)超過壩高1/3以下。綜上，漿脈厚度的一般規(guī)律是：在堤壩頂和堤壩底的厚度相對較小，隨著深度的增加逐漸增厚，在壩高1/2～1/3范圍內(nèi)達(dá)到最大，然后再逐漸減小，直到堤壩建基面以下才能逐漸消失。

對于基礎(chǔ)為土基的堤壩，由于其上堤壩自身重力產(chǎn)生的壓力，基礎(chǔ)內(nèi)部也會(huì)存在弱應(yīng)力區(qū)，由于堤壩自身土柱壓力會(huì)直接導(dǎo)致堤壩基礎(chǔ)應(yīng)力的水平分布與堤壩本身相似。另外，由于堤壩建基面位置的灌漿壓力最大，所以也可以將堤壩基礎(chǔ)一定深度范圍內(nèi)劈開，并形成漿脈，從而增加劈裂灌漿的整體防滲效果。

2.3 漿、壩互壓的作用機(jī)理

堤壩劈裂式灌漿的任務(wù)之一，就是在允許的范圍內(nèi)盡量增大灌漿壓力，使原來較為疏松的土體在某個(gè)范圍之內(nèi)得到一定程度的壓實(shí)；停灌以后，由于孔口壓力的取消和泥漿的濃縮固結(jié)，泥漿壓力逐漸減小，堤壩則因其彈性恢復(fù)，與漿液形成互壓，在壓力下漿液會(huì)自然地向兩側(cè)滲透，從而在連續(xù)的防滲層的兩側(cè)形成一定厚度的滲透層，不但提高了防滲厚度和防滲能力，也提高了漿液滲透層的密實(shí)度，從而對土體進(jìn)行了有效的加固。此外，通過灌漿壓力和土的濕化變形，使堤壩內(nèi)部的應(yīng)力再分配，由應(yīng)力的不均衡趨向均衡，從而使堤壩達(dá)到變形穩(wěn)定的目的。

需要注意的是，不能因?yàn)橐黾訚{脈厚度而將灌漿壓力一味提高，否則將可能導(dǎo)致堤壩超出其彈性范圍而無法恢復(fù)，從而導(dǎo)致巨大風(fēng)險(xiǎn)。所以增大灌漿壓力必須在堤壩橫向變形的彈性范圍內(nèi)進(jìn)行，具體堤壩的橫向彈性范圍的大小取值，與橫向?qū)挾鹊拇笮?、土體的壓縮試驗(yàn)參數(shù)等相關(guān)，可以根據(jù)這些相關(guān)的土體物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行初步匡算，在一定安全裕度下，對設(shè)計(jì)的灌漿壓力進(jìn)行指導(dǎo)取值。

2.4 泥漿的排水固結(jié)

泥漿本身的防滲性能很高，一般其滲透系數(shù)在10-5～10-8 cm/s間，導(dǎo)致其泥漿的固結(jié)時(shí)間相當(dāng)長，尤其是在堤壩下部的漿脈，不過在其固結(jié)過程中并不影響其防滲效果。同時(shí)，當(dāng)停止灌漿之后，孔口壓力下降到零時(shí)，泥漿中孔隙壓力等于泥漿柱壓力。當(dāng)泥漿的析水完成后，漿體的孔隙壓力將逐漸小于泥柱壓力，此時(shí)，漿體由析水濃縮階段進(jìn)入排水固結(jié)階段。因下部泥漿受的壓力較大，泥漿的固結(jié)硬化順序在豎直方向上是自上而下的；另外，在水平方向上，由于泥漿水分是排向堤壩內(nèi)的，所以在漿體的水平截面上其固結(jié)順序是自外向內(nèi)的，即靠近堤壩的漿體部分先固結(jié)，然后向里固結(jié)，漿體的中心部分最后固結(jié)。這樣的固結(jié)順序非常有利于漿脈盡早發(fā)揮防滲作用。

2.5 劈裂灌漿所用泥漿的濃度

為使主漿脈兩側(cè)形成一定厚度的防滲層，最大限度地?cái)U(kuò)大泥漿向漿脈兩側(cè)的滲透范圍，初始灌漿濃度宜較小，一般在1.3～1.6 g/cm3左右，隨著主漿脈兩側(cè)土體空隙、密度逐步被泥漿充填而逐步增大灌漿濃度，一般在1.6 g/cm3左右。

3 對土壩壩肩進(jìn)行劈裂灌漿時(shí)需要注意的問題

根據(jù)以上劈裂灌漿的機(jī)理可知，其核心是利用了堤壩內(nèi)部的弱應(yīng)力面，在灌漿壓力的作用下，將其劈開。一般情況下，尤其對堤防或“U”型河谷的壩體，其最小主應(yīng)力面為沿壩體縱軸線方向，寬度范圍在壩頂寬度以內(nèi)，但需要注意的是，在“U”型河谷上的土壩，由于在兩壩肩處，在縱向的填土厚度差異也很大，導(dǎo)致該位置附近壩體的應(yīng)力狀態(tài)相對復(fù)雜。首先，由于壩體橫斷面方向填土厚度因兩側(cè)坡比存在變化，使得沿壩體橫斷面方向（沿河道方向）縱軸線附近的土體處于受拉狀態(tài)，因此其抗拉應(yīng)力值較小，即沿縱軸線方向?yàn)檩^小主應(yīng)力面；同理，在縱向上，由于壩基地形高程的變化，使得兩側(cè)壩肩附近的壩體內(nèi)部出現(xiàn)沿縱軸線方向也存在拉力，使土體的抗拉應(yīng)力值也很小，導(dǎo)致在垂直壩體縱軸線（沿河道方向）方向的應(yīng)力面也可能成為最小主應(yīng)力面。所以，在兩側(cè)壩肩附近，壩內(nèi)土體在橫向和縱向的平面二維應(yīng)力狀態(tài)下，理論上其最小主應(yīng)力面既不是壩體縱軸線方向，也不是沿河道方向的橫斷面方向，而是介于其間的一個(gè)不確定的方向，受橫向和縱向應(yīng)力狀態(tài)的共同作用效果而定，在假設(shè)填土密實(shí)度一致的前提下，如果縱向填土厚度的變化大，則其最小主應(yīng)力面與河道方向的夾角會(huì)更小，如果橫斷面兩側(cè)坡比的厚度變化大，則其最小主應(yīng)力面與壩體縱軸線方向的夾角會(huì)更小，所以，在劈裂灌漿設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意壩肩的布孔設(shè)計(jì)。

綜上，在兩側(cè)壩肩進(jìn)行劈裂灌漿施工一般遵照下列原則：先按縱軸線方向在壩軸線上下游各布置1排1序孔，并進(jìn)行劈裂灌漿，灌漿過程中，為了使壩體順利被劈開，一般布孔的孔距較小，在灌漿壓力作用下，使?jié){液按布孔方向進(jìn)行劈裂（如果未按布孔方向進(jìn)行劈裂也沒有關(guān)系），并進(jìn)行充填，使該部位壩體的應(yīng)力狀態(tài)得到調(diào)整，然后，繼續(xù)施工中間壩段的灌漿，最后再在兩側(cè)壩肩處進(jìn)行二次劈裂，此時(shí)就能保證漿脈的連續(xù)，以達(dá)到連續(xù)防滲的目的。因此，在兩側(cè)壩肩處一般布置3排灌漿孔，在壩軸線上下游側(cè)各布置1排，作為調(diào)整和1序孔，壩軸線附近布置1排，作為主孔，按上述原則進(jìn)行施工。

4 工程實(shí)例效果

4.1 陜西魚嶺水庫

魚嶺水庫位于陜西省丹鳳縣，壩高50 m，壩頂長210 m，總庫容1 037萬m3，是一座以供水、灌溉為主，兼有發(fā)電、養(yǎng)殖功能的中型水庫。大壩為粘土心墻土石壩，心墻高53.4 m，頂寬3 m，底寬20 m，兩側(cè)邊坡比1∶0.16。該水庫于20世紀(jì)70年代建成，曾多次出險(xiǎn)，丹鳳縣水利局在1975—1988年對大壩心墻進(jìn)行多次充填式灌漿處理，共計(jì)灌土約400 m3，雖有一定效果，但大壩心墻的病險(xiǎn)依然存在，未從根本上解除險(xiǎn)情。后于1997年7月，對魚嶺水庫大壩實(shí)施劈裂灌漿。劈裂灌漿總灌土量1 569.4 m3（自然方），心墻中形成的帷幕面積9 120.7 m2，漿脈計(jì)算平均厚度10.7 cm，達(dá)到了對心墻全面補(bǔ)強(qiáng)加固的目標(biāo)。2004年元月陜西院水電地質(zhì)總隊(duì)在大壩心墻不同高程取土樣測驗(yàn)干密度，其最小值分別為1.56、1.50、1.57 g/cm3，平均值分別為1.64、1.62、1.62 g/cm3。3個(gè)地質(zhì)單位測驗(yàn)的心墻土滲透系數(shù)均在10-5～10-6 cm/s之間，說明加固后的心墻有較好的密實(shí)性。經(jīng)過汛期考驗(yàn)，壩后滲水量明顯減少，防滲效果達(dá)到了預(yù)期目的。

4.2 廣東佛岡放牛洞水庫

放牛洞水庫位于廣東省佛岡縣城北部5 km，壩高41 m，壩頂長136 m，總庫容1 740萬m3，是一座以防洪、灌溉、發(fā)電兼有縣城供水任務(wù)的綜合性中型水庫。大壩為均質(zhì)土壩，頂寬6 m，底寬280 m，該水庫于1977年建成，施工質(zhì)量較差，大壩滲漏嚴(yán)重，被鑒定為三類壩。經(jīng)過劈裂灌漿后，總灌土量500余m3，壩軸線漿脈厚度達(dá)15.9 cm，防滲效果達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，完成了病險(xiǎn)庫的加固處理。

4.3 山西忻州神山水庫

神山水庫位于忻州原平市神山村西，壩高34 m，壩頂長689 m，總庫容1 070萬m3，是一座以灌溉為主的中型水庫。大壩為碾壓均質(zhì)土壩，該水庫于1974年建成，施工質(zhì)量較差，曾出現(xiàn)壩體裂縫沉陷、局部范圍的強(qiáng)滲透帶和壩體背水坡局部浸濕等壩體滲漏問題，于1999年經(jīng)過劈裂灌漿后，滲漏量減少75%，壩軸線漿脈厚度達(dá)27 cm，經(jīng)過2000—2002年連續(xù)3年的高水位運(yùn)行檢驗(yàn)，壩體滲漏量顯著減少，防滲效果顯著。

5 結(jié)語

以筆者經(jīng)驗(yàn)，大多“問題”土壩為20世紀(jì)70年代的三邊工程，因施工質(zhì)量差而導(dǎo)致比較嚴(yán)重的滲漏問題，迫使水庫不能高水位運(yùn)行，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重病險(xiǎn)，經(jīng)過劈裂灌漿處理后，防滲效果明顯增強(qiáng)，恢復(fù)了其原有功能，而且與其他防滲加固方式相比，劈裂灌漿投資較小。另外，在黃河大堤、渭河大堤也實(shí)施過大量的劈裂灌漿，而且效果顯著，所以劈裂灌漿對于堤壩工程的滲漏問題及密實(shí)度提高是一種很好的處理技術(shù)措施，值得大力推廣。

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