土壩弱應力破壞機理及解決技術

白永年

（山東華水水電工程有限公司，250013，濟南）

土壩弱應力破壞機理及解決技術

白永年

（山東華水水電工程有限公司，250013，濟南）

土壩；弱應力破壞；變形

一、概 述

20世紀七八十年代，在某土壩壩軸線附近發現漏漿漏水，經開挖檢查發現壩體內有大量的裂縫存在。土壩壩體產生不均勻沉降變形的原因：一是壩體各部位的土柱高度即自身荷載不同，土柱高變形量大，土柱低變形量小，形成應變差。二是土壩在填筑時，土層鋪設不均勻，疏松土層沉降變形量大，產生了拉應力土區。圖1是山東省賀莊水庫大（2）型土壩發生嚴重變形破壞，經有限元計算沿壩軸線縱向應力場分布情況。其河槽段橫斷面由于不同土柱高發生應變差，出現了中上部橫向主應力不足，沿壩軸線的縱向裂縫拉開。我國相當大部分土壩都存在這一問題。

弱應力破壞指某一小主應力作用面的受力情況，包括土體已斷裂、土體受拉、土體的小主應力不足。前一種情況是國內外研究的重點，后兩種情況屬于隱患，不易引起人們的重視，但危害很大。一旦壩體內浸潤線以下的水壓力大于某處土體的總應力，土體會突然被水力劈裂，壩后出現大的管涌，甚至垮壩。尤其是兩壩肩土柱高差大，變形差大，容易出現沿壩軸線的縱向受拉土區，發生橫向的弱應力破壞，或橫向裂縫拉開。河槽段屬于橫向受拉土區，容易發生沿壩軸線的縱向弱應力破壞，或縱向裂縫拉開。在我國一般土壩幾乎都不同程度地存在上述三種狀態，土壩經幾十年加固治理，防洪標準提高了，弱應力破壞問題便凸顯出來。

圖1 賀莊壩沿軸線應力分布

二、工程實例

廣東省揭東縣橫江中型水庫，壩高 49.4 m，壩頂高程 83.4 m，長330 m，由附近全風化的花崗變質巖坡積和殘積土填筑而成，為均質壩。1960年建成，1970年9月遇11號臺風，15日 4∶00在壩右肩坡下游 74 m高程發現管涌漏水，并出現渾水。當時的庫水位79.98 m，管涌出口與庫水位差5.98 m（水力坡降在允許范圍內）。水面以下估計1 m深發現壩前坡有漏水漩渦。垮壩過程見表1。

1.橫江水庫垮壩原因和特點

（1）垮壩速度快

從9月 15日4∶00發現右岸壩后坡出現管涌，出渾水，到大壩右岸沖開豁口，用了約50 min。左岸自發生管涌群到大壩沖開豁口用了約30 min。自出現管涌洞至兩豁口連在一起垮壩，前后不足3 h。

（2）兩岸坡段地勢陡

右岸坡度為 1∶0.65， 左岸為 1∶1。加之人工填筑，土體疏松，壩體已出現較大沉降，不同土柱高產生了大的變形差，兩岸坡段的土體處于沿壩軸線的縱向受拉狀態，洪水位上升之前，壩體內已產生了大面積的弱應力破壞土區，為洪水位上升后發生水力劈裂創造了條件。

2.重要教訓

我國大部分水庫土壩的變形尚未穩定，由于變形差積累的弱應力破壞土區相當大。一旦有產生水力劈裂的條件，就會很快形成危害。我國有不少這樣的工程實例，如云南省的澄碧河水庫、江西省的柘林水庫等。雖然打了混凝土防滲墻，但由于混凝土和土的變形模量相差懸殊，在變形過程中，第一主應力和第二主應力減少，混凝土防滲墻和大壩土體之間被拉開裂縫，有的沿壩軸線縱向裂縫寬度達到30 cm。但如果采用劈裂灌漿技術，不僅能構筑可靠的防滲泥墻帷幕，尤其是整體的大壩應力場得到充分調整和補充，而且使大壩的滲流和變形穩定問題都得到解決。

表1 1970年9月橫江水庫垮壩過程表

三、解決土壩弱應力破壞的工藝技術

解決土壩壩體滲流穩定和變形穩定的技術，目前首推劈裂灌漿技術。自該項技術發明推廣以來，國內已有3000余座病險土壩處理成功，有些已超過30年，至今無任何再破壞現象。其中有少數已處理過的土壩出現反復，經總結，主要是因施工隊伍素質低，不掌握規范所致。土壩劈裂灌漿技術比其他加固技術有以下優勢：

1.劈裂灌漿的應力調整作用

土壩變形破壞的原因是由于壩體內某些土區拉應變能長期積累發展的結果。劈裂灌漿沿壩軸線小主應力作用面布置灌漿孔，通過灌漿壓力對壩體土的劈裂擠壓，使拉應變能充分釋放，對主應力不足的土體進行補充，使土體變形穩定。灌漿壓力在施工復灌的過程中經多次對壩體土的劈裂和對劈裂縫兩側土體的壓縮、充填、滲透，應力得到充分調整；同時又經多次停灌使壩體土的壓縮泥漿回彈，促使泥漿脈的排水固結硬化。劈裂灌漿的過程，是一個在壩體內部不同應力場土區的應力調整和應力再分配過程。在某一時段、土區的某一高程灌漿壓力是一常量，而在同一高程土區的土體主應力是一變量，壓力泥漿的劈裂、發展及走向，遵守最少功能原理。凡是某些土區已拉開裂縫或主應力不足，就會被壓力泥漿擴寬或劈開，主應力不足的部分由灌漿壓力補充，達到同一高程土區的應力平衡。對某些已發生變形破壞了的土壩，灌漿壓力對壩體某方向的主應力補充值會更大。

2.劈裂灌漿的抗滲作用

劈裂灌漿的抗滲作用主要是靠基本垂直壩體滲流方向沿壩軸線所形成的豎直連續的防滲泥墻和壓力泥漿，通過擠壓、充填、滲透、濕化固結，形成寬約10 m的防滲帶。該防滲帶所營造的抗滲坡降，有足夠的抗滲強度來消解庫水位在壩體土中所發生的滲透力。

如灌漿壓力可視為壓力泥漿在壩體內所產生的壓力水頭，設防滲泥墻至壩后濾水體的水平距離為滲徑L，則壓力泥漿所形成的抗滲坡降為：

壩體內浸潤線的水力坡降為：

式中，H為水庫水位，m；h為壩后濾水體水位，m；ΔP為注漿管頂部的孔口壓力 ，t/m2；r′h′為注漿管孔口至壩體內部某一高程的泥漿柱壓力，t/m2。

顯然，ΔP+r′h′＞（H-h）r， 所以i1＞ i2。

防滲帶的抗滲效果還決定于泥墻的連續性。由于壩體的梯形橫斷面幾何形狀，沿壩軸線沉降變形量最大，橫向的小主應力σ3最小，壓力泥漿很容易沿壩軸線有規律地沿σ3的作用面劈開壩體，形成防滲帶保證了其連續性。凡通過防滲帶的弱抗滲土體中i1＜i2的部分都會被擊穿，然后被泥漿堵死，保證了壓力泥漿的抗滲強度。所以劈裂灌漿所形成的防滲帷幕，抗滲安全度較高，造價只是混凝土防滲墻的1/3，可以在高水位情況下施工，不誤水庫蓄水。■

[1]白永年，劉憲奎.土壩壩體和堤防灌漿[M].北京：中國水利電力出版社，1985.

[2]白永年.用土壩劈裂灌漿代替混凝土防滲墻[J].中國水利，2009（14）.

[3]顧淦臣.劈裂灌漿的理論根據和實踐創新[J].水利建設與管理，2000（5）.

[4]白永年.對土壩劈裂灌漿幾種特殊工藝的要求[J].水利建設與管理，2009（1）.

責任編輯 張瑜洪

TV641

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1000-1123（2011）10-0028-02

2010-10-13

白永年，教授級高級工程師。