淺析劈裂灌漿技術(shù)在堤壩防滲加固中的應(yīng)用

1、淺析劈裂灌漿技術(shù)在堤壩防滲加固中的應(yīng)用摘要：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(duì)提高堤壩的防滲能力有明顯的效果，同時(shí)對(duì)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(hào)：TV698文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X202111b-0037-031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?qū)ν翂位蛘叩谭蓝?，薄弱面一般是縱軸線方向劈裂，同

2、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，最終到達(dá)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(duì)壩基長(zhǎng)期的作用，根據(jù)土力學(xué)相關(guān)知識(shí)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?cè)欢日J(rèn)為，要通過灌漿充填加固壩體的空隙，其可灌

3、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(duì)灌漿材料的顆粒細(xì)度要求越來越細(xì)，對(duì)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，那么會(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到達(dá)，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(duì)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(duì)具有小孔隙的細(xì)

4、砂、粘土，只能以劈裂的形式存在。在此實(shí)驗(yàn)的根底上，引發(fā)了人們對(duì)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，到達(dá)新的平衡，同時(shí)也就到達(dá)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，可以擊穿局部空洞、孔隙及裂縫之間的土體，因此對(duì)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

5、不會(huì)像充填灌漿一樣受到灌漿壓力的限制原那么是劈開為止，也沒有必要擔(dān)憂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(duì)其進(jìn)行充填加固，到達(dá)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

6、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(duì)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(duì)壩體劈開的方向、長(zhǎng)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根本對(duì)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(duì)壩體有方案的劈裂，以到達(dá)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?，幾乎可以認(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(zhǎng)得多，所以該方

7、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(jiǎn)化為根本對(duì)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(duì)變形量也相應(yīng)較小這里假設(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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

8、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(duì)變形最大的位置，為尋找該位置，現(xiàn)分析如下：首先，堤壩根底平面在豎直方向的相對(duì)沉降變形相對(duì)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，在不考慮由于堤壩根底原因造成的不均勻沉降的前提下，不存在豎直方向的相對(duì)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(duì)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?duì)變形較小或

9、無相對(duì)變形，如果忽略壩底相對(duì)變形的話，最大相對(duì)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(duì)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(duì)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)際上堤壩根底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1/21/3處，通常不會(huì)超過壩高1/3以下。綜上，漿脈厚度的

10、一般規(guī)律是：在堤壩頂和堤壩底的厚度相對(duì)較小，隨著深度的增加逐漸增厚，在壩高1/21/3范圍內(nèi)到達(dá)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(duì)于根底為土基的堤壩，由于其上堤壩自身重力產(chǎn)生的壓力，根底內(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)致堤壩根底應(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，所以也可以將堤壩根底一定深度范圍內(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

11、濃縮固結(jié)，泥漿壓力逐漸減小，堤壩那么因其彈性恢復(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(duì)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，從而使堤壩到達(dá)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，否那么將可能導(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

12、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，在一定平安裕度下，對(duì)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10-510-8cm/s間，導(dǎo)致其泥漿的固結(jié)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，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

13、靠近堤壩的漿體局部先固結(jié)，然后向里固結(jié)，漿體的中心局部最后固結(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1.31.6g/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1.6g/cm3左右。3對(duì)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(duì)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

14、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(duì)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

15、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，那么其最小主應(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，那么其最小主應(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以下原那么：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

16、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)，以到達(dá)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，按上述原那么進(jìn)行施工。4工程實(shí)例效果4.1陜西魚嶺水庫(kù)魚嶺水庫(kù)位于陜西省丹鳳縣，壩高50m，壩頂長(zhǎng)210m，總庫(kù)容1037萬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(kù)。大壩為粘土心墻土石壩，心墻高53.4m，頂寬3m，底寬20m，兩側(cè)邊坡比10.16。該水庫(kù)于20世紀(jì)70年代建成，曾屢次出險(xiǎn)，丹鳳縣水利局在19751988年對(duì)大壩心墻進(jìn)行屢次充填式灌漿處理，共計(jì)灌土約400m

17、3，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(duì)魚嶺水庫(kù)大壩實(shí)施劈裂灌漿。劈裂灌漿總灌土量1569.4m3自然方，心墻中形成的帷幕面積9120.7m2，漿脈計(jì)算平均厚度10.7cm，到達(dá)了對(duì)心墻全面補(bǔ)強(qiáng)加固的目標(biāo)。2021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(cè)驗(yàn)干密度，其最小值分別為1.56、1.50、1.57g/cm3，平均值分別為1.64、1.62、1.62g/cm3。3個(gè)地質(zhì)單位測(cè)驗(yàn)的心墻土滲透系數(shù)均在10-510-6cm/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，防滲效果到達(dá)了預(yù)期目的。4.2廣東佛岡放牛

18、洞水庫(kù)放牛洞水庫(kù)位于廣東省佛岡縣城北部5km，壩高41m，壩頂長(zhǎng)136m，總庫(kù)容1740萬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(kù)。大壩為均質(zhì)土壩，頂寬6m，底寬280m，該水庫(kù)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)15.9cm，防滲效果到達(dá)了設(shè)計(jì)目的，完成了病險(xiǎn)庫(kù)的加固處理。4.3山西忻州神山水庫(kù)神山水庫(kù)位于忻州原平市神山村西，壩高34m，壩頂長(zhǎng)689m，總庫(kù)容1070萬m3，是一座以灌溉為主的中型水庫(kù)。大壩為碾壓均質(zhì)土壩，該水庫(kù)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)27cm，經(jīng)過20002021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(kù)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