劈裂灌漿技術(shù)在土石壩防滲中的應(yīng)用與發(fā)展

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

土石壩在壩工建設(shè)中應(yīng)用的十分廣泛，就我國(guó)已建成的各類大壩中，土石壩就占95%以上[1]。但是土石壩現(xiàn)今出現(xiàn)了各種病害和問(wèn)題，尤其滲流問(wèn)題引起的水庫(kù)失事事故最為常見(jiàn)，因此對(duì)滲流問(wèn)題進(jìn)行深入的研究和控制是十分重要的。當(dāng)下對(duì)于土石壩滲透變形的防治有多種方法，其中劈裂灌漿防滲技術(shù)是土壩防滲加固領(lǐng)域十分經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)，它以水力劈裂理論為基礎(chǔ)，將泥漿加壓灌注到大壩壩體中，充填壩體中裂縫、空穴的等缺陷，使大壩壩體得到密實(shí)，內(nèi)部應(yīng)力得到重新分布，從而起到提高土石壩的防滲能力和穩(wěn)定性的作用[2]。

二、土石壩滲透變形原理

填筑土石壩的材料大多是就地取材，土料和壩基的砂礫都是松散粒體結(jié)構(gòu)，砂礫顆粒之間存在著大量的孔隙，且都具有一定程度的透水性。水庫(kù)在蓄水后，整個(gè)土石壩的孔隙就會(huì)充入水形成水流滲透的通道，當(dāng)滲流量較小滿足要求時(shí)，滲透破壞的狀況就不會(huì)發(fā)生，而當(dāng)滲流量較大時(shí)，通過(guò)壩體的水流會(huì)攜帶壩體的土壤雜志顆粒流出，水質(zhì)渾濁，對(duì)大壩土體存在沖刷作用，這時(shí)對(duì)土石壩就有破壞作用了，流土的沖刷會(huì)使壩體發(fā)生管涌、流土、接觸沖刷、接觸流土等滲透破壞[3]。

三、劈裂灌漿技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

(一)劈裂灌漿技術(shù)的原理

土石壩在軸線劈裂灌漿后，在泥漿自重和漿體、壩體互壓的作用下，排水固結(jié)所形成與壩體牢固結(jié)合的防滲墻體，堵塞滲漏；與劈裂裂縫貫通的大壩原有裂隙及孔洞在灌漿過(guò)程中被泥漿多次充填，使壩體得到擠壓密實(shí)，從而起到處理隱患、充填壩體的作用；通過(guò)漿體對(duì)大壩土體的濕陷作用，增加壩體的密實(shí)度，使大壩應(yīng)力得到重新分布，從而改善大壩的應(yīng)力狀態(tài)，減少弱應(yīng)力區(qū)的范圍；灌漿停止后，灌注的泥漿析水逐漸完成，泥漿固結(jié)完成，此時(shí)將可發(fā)揮泥漿漿體的阻滲作用和截水作用，提高壩體的防滲能力。

(二)劈裂灌漿技術(shù)的工藝要點(diǎn)

1.灌漿孔的選擇與設(shè)計(jì)。灌漿孔的選擇應(yīng)按照施工規(guī)范并結(jié)合壩體土料、壩體滲透以及隱患所處位置等情況綜合考慮。壩體劈裂灌漿灌漿孔一般應(yīng)在壩的河槽段、岸坡段以及彎曲段分別設(shè)計(jì)。在壩軸線進(jìn)行布孔時(shí)，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)通常布置單排孔，孔深應(yīng)該大于所處隱患深度2-3m。對(duì)于大于20m的孔深，孔距采用5m-10m，對(duì)于小于20m的孔深，孔距采用3m-5m；當(dāng)土壩高度較高，壩頂寬度較寬或是壩體內(nèi)分布著較多的隱患時(shí)時(shí)，可增加灌漿排數(shù)，采用雙排布孔或三排布孔。對(duì)于無(wú)不良隱患存在且質(zhì)量較好的副孔位置，其孔深可相應(yīng)縮短，一般設(shè)為主排孔孔深的1/3。在土壩的岸坡段和的彎曲段，應(yīng)相應(yīng)的將灌漿孔布置較密，以保證形成防滲墻體的質(zhì)量[4]。

2.灌漿漿液的制備。漿液的選擇對(duì)壩體防滲加固效果起著決定性作用。灌漿前，應(yīng)該先探明壩體的滲流情況，根據(jù)大壩的填料要求，對(duì)本地粘性土土料進(jìn)行抽樣，然后對(duì)形成的泥漿進(jìn)行流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)、自由析水率實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)等物理力學(xué)性能試驗(yàn)，從而掌握各種漿液的物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)比各種材料的性質(zhì)和特點(diǎn)，根據(jù)灌漿漿液性能要求指標(biāo)來(lái)選取合適的泥漿。

3.壩體灌漿壓力的確定。灌漿壓力指灌漿管上方孔口壓力,可直接在注漿管上端壓力表處讀出壓力值,它是劈裂灌漿施工中的一個(gè)極為重要的指標(biāo)，也是控制劈裂灌漿質(zhì)量的重要因素。其分為三部分：起裂壓力、正常壓力和控制壓力。灌漿孔口壓力設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)是：沿壩軸線方向形成連續(xù)均勻的防滲墻，但不能產(chǎn)生有害的水平脈狀擴(kuò)散和變形。因此灌漿壓力一般需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)來(lái)確定，也可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到。

灌漿允許壓力的計(jì)算公式為：

△p=kγH-γ'h+σ1

(3.1)

其中，γ壩體土的容量；H計(jì)算點(diǎn)以上的壩高；σ1壩身土體的單軸抗拉強(qiáng)度；γ'漿液的容量；h全孔灌漿時(shí)的灌注管長(zhǎng)度；k側(cè)壓力系數(shù)，一般取0.4～0.67

4.灌漿過(guò)程的控制。灌漿過(guò)程中控制灌漿壓力是壩體劈裂灌漿技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，灌漿壓力與壩體質(zhì)量、斷面形狀尺寸、泥漿材料和濃度以及灌漿量的多少有關(guān)，因此在劈裂灌漿過(guò)程中，要隨時(shí)觀測(cè)和記錄灌漿壓力的變化過(guò)程，通過(guò)壓力表的讀數(shù)變化來(lái)判斷壩體質(zhì)量、灌漿效果以及防止灌漿壓力太大對(duì)土石壩造成新的破壞。根據(jù)灌漿“少灌多復(fù)”的原則，一般兩次或多次灌漿間隔時(shí)間不少于5天，較長(zhǎng)的時(shí)間間隔有利于漿體的固結(jié)和所灌注形成防滲帷幕的密實(shí)，但較長(zhǎng)的時(shí)間間隔將使施工工期變長(zhǎng)，灌漿進(jìn)度變慢，并且施工安排和協(xié)調(diào)也更加困難，所以具體灌漿間隔時(shí)間應(yīng)根據(jù)土石壩土料、含水率、所存在的隱患、滲透情況，以及通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行漿液析水固結(jié)速率、壩體孔隙水壓力消散速率的測(cè)定，來(lái)綜合考慮確定[5]。

5.終灌標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)灌漿規(guī)范規(guī)定，灌漿要滿足多次復(fù)灌，在結(jié)束灌漿時(shí)灌漿孔應(yīng)滿足如下條件：第一，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次灌漿，從直觀上觀察漿液已灌注至孔口表面，并且連續(xù)復(fù)灌3次不再吸漿，漿體達(dá)到飽滿，平面達(dá)到平實(shí)；第二，此灌漿孔的灌漿壓力及灌漿量達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(三)灌漿質(zhì)量的檢測(cè)

在灌漿過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)灌漿孔臨近的測(cè)壓管和浸潤(rùn)線進(jìn)行觀測(cè)，并記錄好灌漿期間土石壩滲流量的改變。在灌漿結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行壩面裂縫、壩體浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)及灌漿前后滲流量的檢查,必要時(shí)還應(yīng)該檢查防滲帷幕體的厚度、連續(xù)性、均勻性，以及對(duì)壩體密實(shí)性的改善情況。并且由于灌漿過(guò)程中濕化變形不均勻，因此還應(yīng)檢查壩面是否高低不平，若不平整，還需整平壩頂，并使里高外低，以利于及時(shí)排除壩面積水，避免壩面積水和雨水侵入壩體產(chǎn)生水力劈裂。

四、總結(jié)

劈裂灌漿技術(shù)是我國(guó)通過(guò)大量試驗(yàn)和實(shí)際施工總結(jié)出來(lái)的一項(xiàng)灌漿技術(shù)，對(duì)土壩和地基的防滲加固效果十分顯著。但要想充分發(fā)揮出劈裂灌漿技術(shù)的效應(yīng)，就必須把控各個(gè)施工環(huán)節(jié)的要點(diǎn)，嚴(yán)格選取和制備漿液，控制灌注壓力，嚴(yán)密監(jiān)察大壩滲流量、裂縫開(kāi)展等變化，并對(duì)大壩出現(xiàn)的病理狀況及時(shí)處理，才能提高灌注質(zhì)量，滿足大壩防滲加固的效果。并且應(yīng)該繼續(xù)開(kāi)展對(duì)灌漿防滲技術(shù)優(yōu)化的探索和研究，提高其施工質(zhì)量，使它能夠在高土石壩防滲加固、隱患治理方面也能發(fā)揮顯著的作用。