劈裂灌漿的濕化變形分析

趙麗子,石自堂

(1.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院,湖北 武漢430072;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430072)

我國(guó)小型水庫(kù)大多建于20世紀(jì)50～70年代,受當(dāng)時(shí)人力、物力、財(cái)力、技術(shù)、材料等方面的限制及社會(huì)環(huán)境的影響,水庫(kù)大壩壩體填筑質(zhì)量較差,土質(zhì)疏松,干容重偏低等現(xiàn)象普遍,后期又由于管理不善,運(yùn)行至今壩體內(nèi)部出現(xiàn)裂隙相互貫通等隱患,整體穩(wěn)定性差,滲漏嚴(yán)重。對(duì)此類壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固過(guò)程中采用較多的處理辦法是灌漿和劈裂灌漿。

劈裂灌漿是利用河槽段壩軸線附近的小主應(yīng)力面一般規(guī)律是平行于壩軸線的鉛直面,沿壩軸線單排布置相距較遠(yuǎn)的灌漿孔,利用泥漿壓力人為的劈開壩體,灌注泥漿,并使?jié){壩互壓,最后形成一定厚度的連續(xù)整體泥墻,起到防滲的作用,同時(shí),泥漿使壩體濕化,產(chǎn)生沉降,增加壩體的密實(shí)度。

劈裂灌漿作用機(jī)理體現(xiàn)在4個(gè)方面:①泥漿對(duì)壩體的充填作用;②漿壩互壓作用機(jī)理;③濕化沉陷作用;④灌漿的固結(jié)和壓密作用。在濕化沉陷作用方面,通常認(rèn)為,泥漿進(jìn)入壩體時(shí),大量的水也隨之進(jìn)入壩體,水除了產(chǎn)生孔隙水壓力外,還對(duì)壩體產(chǎn)生濕化沉陷作用,濕化沉陷作用的大小與土壩質(zhì)量和土料性質(zhì)有關(guān)。很顯然,對(duì)劈裂灌漿濕化變形的認(rèn)識(shí)僅僅停留在其與土壩質(zhì)量和土料性質(zhì)有關(guān)以及使壩體發(fā)生沉陷的階段。

1 濕化變形機(jī)理分析

1.1 濕化變形

土在浸水之前,由于施工質(zhì)量較差,土體不能密實(shí),浸水后土顆粒受水的潤(rùn)滑在自重作用下,重新調(diào)整粒間位置,改變?cè)瓉?lái)結(jié)構(gòu),使土體壓縮下沉,這種現(xiàn)象叫做濕化[1]。

筑壩時(shí)壩體在最優(yōu)含水率附近碾壓,但飽和度一般僅達(dá)到0.8～0.9[2],即存在10%～20%的孔隙,不密實(shí),灌漿前浸潤(rùn)線以上填料處于非飽和狀態(tài)。灌漿過(guò)程中,大量水進(jìn)入壩內(nèi),原本較為疏松的壩體土,在自重、劈裂灌漿壓力及水的潤(rùn)滑作用下,土粒結(jié)構(gòu)得到調(diào)整變密,壩體濕化變形。

1.2 機(jī)理分析

壩體發(fā)生濕化變形的原因主要包括兩種:

1.2.1 內(nèi)部因素

土體本身欠壓密性。受施工技術(shù)等條件的限制,以前的土石壩碾壓質(zhì)量較差,壩體土密實(shí)度普遍達(dá)不到要求。

1.2.2 外界因素

外荷載及壩體土含水率變化。劈裂灌漿過(guò)程中,壩體受到灌漿壓力等作用,漿液固結(jié)析水使?jié){脈周圍原土體含水率發(fā)生改變。外界因素對(duì)壩體的影響主要表現(xiàn)為:

(1)外荷載與壩體應(yīng)力的關(guān)系

壩體內(nèi)部應(yīng)力就其對(duì)土顆粒是否產(chǎn)生作用可以分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力,土粒骨架只有受到有效應(yīng)力時(shí)才會(huì)發(fā)生變形。一般而言,土中的應(yīng)力主要有兩種:①由于土體本身重量引起的自重應(yīng)力;②附加應(yīng)力。除此外,存在水頭差時(shí)會(huì)產(chǎn)生滲透力[3]。

灌漿前,壩體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為 σz＞σy＞σx(如圖1)所示,局部地區(qū)σx＜0,即出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。壩體中拉應(yīng)力區(qū)的存在對(duì)壩體的穩(wěn)定極為不利。灌漿過(guò)程中,由于小主應(yīng)力作用面上裂縫發(fā)展受阻力小,壩體裂縫的方向首先是沿著小主應(yīng)力面開始,其次是中主應(yīng)力面,再次是大主應(yīng)力面。壩體應(yīng)力在橫斷面上垂直分布不一致,劈裂灌漿過(guò)程中通過(guò)漿壩互壓及濕化變形使小主應(yīng)力得到補(bǔ)充,所形成的漿體厚薄及分布形式沿壩高會(huì)出現(xiàn)不同的分布,這是灌漿壓力與壩體小主應(yīng)力自然調(diào)整的結(jié)果[1]。

圖1 壩體應(yīng)力示意圖

在漿壓壩的短暫過(guò)程中,由于進(jìn)入壩體內(nèi)水分不能及時(shí)排出,壩體孔隙水壓力急劇增大,此時(shí)外荷載基本上由孔隙水壓力承擔(dān),后期在自重、灌漿壓力及滲透力作用下,自由水逐漸排出,土粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,孔隙率減小。附加應(yīng)力逐漸由土骨架承擔(dān),孔隙水壓力不斷減小,土骨架被壓縮,有效應(yīng)力不斷增加。在有效應(yīng)力作用下,內(nèi)部應(yīng)力得到調(diào)整,土體密實(shí)度增加,體積變小。

壩體土屬于彈塑性材料,因而應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是非線性,在卸載后,壩體彈性變形能夠恢復(fù),因而存在壩體回彈,產(chǎn)生壩壓漿現(xiàn)象,這有利于加速漿液的排水固結(jié)。

(2)土體性質(zhì)與含水率的關(guān)系

均質(zhì)壩土料主要為黏性土、壤土、砂壤土;心墻壩防滲料主要由透水性較小的黏性土組成,壩殼體則采用較好的砂石料。對(duì)于飽和土體,80%以上的孔隙被水充滿,壩體發(fā)生濕化變形的本質(zhì)上是固體土顆粒的移動(dòng)及孔隙水和氣體的排出。

土中細(xì)粒越多,水對(duì)土的性質(zhì)影響就越大。隨著壩體土含水率的增加,土強(qiáng)度、粘聚力會(huì)逐漸減小,土體中的水可以分為以下幾類:

當(dāng)含水率較小時(shí),土中水處于結(jié)合水狀態(tài),土粒之間摩擦力和粘聚力都較大,土粒相對(duì)移動(dòng)較為困難,因而不易變形。當(dāng)含水率增加時(shí),土粒周圍水膜變厚,土整體變軟,進(jìn)入可塑狀態(tài),摩擦力和粒間粘結(jié)力變?nèi)?土粒之間彼此容易移動(dòng)。當(dāng)土中水處于自由水狀態(tài),土顆粒不受吸附作用,可以自由移動(dòng),土塊強(qiáng)度喪失。

無(wú)粘性土(砂石料)顆粒較大,排水性良好,在含水率較低時(shí)因受毛細(xì)水作用而具備一定的“假粘聚力”,在自然狀態(tài)下通過(guò)自身重力作用可使土粒相互擠密,強(qiáng)度大,壓縮性小,但這種力會(huì)隨著土料含水率的增加而逐漸消失。

黏性土顆粒相對(duì)較細(xì),比表面積大,顆粒間聯(lián)結(jié)力較大,當(dāng)土含水率較低且顆粒周圍只有結(jié)合水時(shí),粒間粘結(jié)力起主導(dǎo)作用,土塊整體強(qiáng)度大;當(dāng)土粒周圍存在自由水時(shí),聯(lián)接力消失,土體進(jìn)入可塑或流動(dòng)狀態(tài),土強(qiáng)度喪失。

因而對(duì)于相同含水率的粘性土與無(wú)粘性土?xí)憩F(xiàn)出不同的物理特性。對(duì)于非均質(zhì)土石壩,壩體在相同時(shí)間內(nèi)自然沉降也不一致。

1.3 濕化變形產(chǎn)生的現(xiàn)象

劈裂灌漿后發(fā)生壩體濕化變形,主要體現(xiàn)在以下方面:

(1)壩體沉降,壩高降低。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),壩體灌漿后濕化沉陷率(平均沉降量占最大壩高比值)可達(dá)0.6%～3%[2]。

(2)產(chǎn)生濕化沉陷縫。在灌漿軸線附近灌漿壓力大,壩體濕化沉陷作用明顯,離其較遠(yuǎn)的地方,沉降量較小甚至為零,故存在濕化沉陷差使壩體局部產(chǎn)生拉應(yīng)變,出現(xiàn)裂縫。

(3)壩體密實(shí)度增加,提高壩體的滲透穩(wěn)定。加固后,整個(gè)灌漿期灌—停—灌的過(guò)程中,壩體受到漿液反復(fù)壓縮—回彈—壓縮,壩體產(chǎn)生豎向和橫向壓縮變形,橫斷面減小,壩體土天然容重增大,密實(shí)度增大。

(4)改善壩體內(nèi)部應(yīng)力,增強(qiáng)壩體變形穩(wěn)定性。

(5)產(chǎn)生塌坑與隆起現(xiàn)象。由于壩體填土質(zhì)量疏松,或者生物洞穴等空洞存在,土體濕化固結(jié)后,上部土體會(huì)塌陷。同時(shí)壩體濕化變形使壩坡面線變短,坡面積減少,由于護(hù)坡石與壩體土變形不能協(xié)調(diào),造成局部隆起[1]。

福建省詔安縣亞湖水庫(kù)樞紐于2004年進(jìn)行除險(xiǎn)加固,大壩經(jīng)劈裂灌漿后,產(chǎn)生了27條裂縫,裂縫方向多為沿壩軸線劈裂的縱縫,少量為橫縫;前后壩坡出現(xiàn)大量冒漿點(diǎn),主要有54處,約在壩頂以下2.6 m～0.5 m處[4]。但在實(shí)際工程中,灌漿產(chǎn)生裂縫或使壩體局部出現(xiàn)塌坑與隆起等現(xiàn)象時(shí),不能一概而論都?xì)w結(jié)于壩體濕化變形。

湖北省紫檀沖水庫(kù)主壩為粘土心墻壩,2010年7月4日在對(duì)主壩進(jìn)行劈裂灌漿施工過(guò)程時(shí),發(fā)現(xiàn)樁號(hào)0+094～0+102段壩頂壩面沿灌漿孔軸線發(fā)生沉陷。2010年9月1日進(jìn)行復(fù)灌,9月16日下午發(fā)現(xiàn)主壩樁號(hào)0+080～0+152段出現(xiàn)雙排裂紋,同時(shí)樁號(hào)0+088～0+118壩面出現(xiàn)塌陷,坍塌寬0.5 m～0.6 m,深度0.4 m～0.6m不等。9月17日下午樁號(hào)0+138～0+140處再次出現(xiàn)塌陷[5]。經(jīng)計(jì)算分析,大壩實(shí)際沉降量低于完建后大壩理論沉降值,常年運(yùn)行水位上部土體由于拱效應(yīng)的存在而無(wú)法沉降,造成心墻內(nèi)出現(xiàn)大的縱向裂縫,灌漿時(shí)壩頂塌陷是由于壩體內(nèi)部拱效應(yīng)遭到破壞所致。據(jù)此,施工單位根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整施工工藝,順利完成了大壩的防滲加固。

這個(gè)工程為以后劈裂灌漿加固工程提供了實(shí)際經(jīng)驗(yàn)并充實(shí)了原有理論基礎(chǔ)。

2 對(duì)劈裂灌漿副作用的指標(biāo)控制

劈裂灌漿不僅可以增加壩體的密實(shí)度,還增加壩體穩(wěn)定性,減少弱應(yīng)力范圍。但若不能對(duì)濕化產(chǎn)生的變形及內(nèi)部應(yīng)力改變加以控制,壩體劈裂灌漿會(huì)產(chǎn)生副作用。根據(jù)相關(guān)資料[1],由以下指標(biāo)進(jìn)行控制。

2.1 位移比控制

灌漿期,對(duì)于壩體疏松,或隱患嚴(yán)重部位,因?yàn)橥两Y(jié)構(gòu)中孔隙率較大,土粒結(jié)構(gòu)疏松,壩體變形空間較大,會(huì)產(chǎn)生較大的沉降。由濕化變形機(jī)理分析可知,壩體土質(zhì)也會(huì)影響濕化變形效果,根據(jù)土的壓縮系數(shù)a1-2可將其分為以下3類:

對(duì)于高壓縮性的土,如粉質(zhì)土、黃土、類黃土、碾壓不好的粘質(zhì)土等,土骨架容易發(fā)生較大的壓縮變形。為使變形不至于過(guò)大,影響壩體回彈,破壞壩體結(jié)構(gòu),對(duì)于高壓縮性土及中等壓縮性土,灌漿期多用位移比來(lái)控制,用公式表示為[1]:

式中:η為灌漿期間位移比;V為灌漿期橫向水平位移量(mm);W為灌漿期沉陷量(mm);m為被灌壩邊坡比。

對(duì)于低壓縮性土,因?yàn)楣酀{期沉陷量 W很小,橫向水平位移V卻往往較大,所以式(2)不適用,位移η比值應(yīng)放寬,略大于m值也是很容許的,但位移后必須有相當(dāng)?shù)幕貜椓?否則是絕對(duì)不允許的。

對(duì)亞湖水庫(kù)樞紐主副壩進(jìn)行劈裂灌漿時(shí)每隔20 m布設(shè)一組觀測(cè)點(diǎn),主壩坡比為1∶1.2～1∶1.28,灌漿施工歷時(shí)57 d。觀測(cè)最終數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 劈裂灌漿大壩沉降位移量

據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)可知,灌漿期間主河槽段壩頂最大沉降量48 mm,最大位移量13 mm。位移比 ηmax=0.4,小于坡比1.2～1.8,表明灌漿期壩斷面變小,即灌漿液在壩體內(nèi)所占的體積,不是壩體擴(kuò)大變?yōu)槲灰屏?而是大部分變?yōu)閷?duì)壩體的壓密和沉陷,使干容重增加,孔隙比減少,劈裂灌漿安全且有利于增強(qiáng)大壩穩(wěn)定。

2.2 孔隙壓力比控制

壩體濕化變形過(guò)程,實(shí)際上是壩體內(nèi)孔隙水壓力傳遞和消逝,有效應(yīng)力不斷增加的過(guò)程。劈裂灌漿時(shí)孔隙水壓力上升和灌漿壓力上升幾乎同步,灌漿壓力大,壩體短時(shí)間內(nèi)孔壓高。隨著壩體排水固結(jié),濕化變形,孔隙水壓力會(huì)逐漸減小到灌漿前的狀態(tài),故為了使壩體不因灌漿壓力過(guò)大而產(chǎn)生負(fù)面影響,可用孔隙壓力比來(lái)控制,為保證灌漿期壩體安全,一般情況下,要求B ＜40%～50%[1]。孔隙比可用式(3)表示[1]:

灌漿壓力過(guò)高,壩體土發(fā)生較大的塑性變形,彈性變形產(chǎn)生的回彈效果差,尤其在高水位進(jìn)行劈裂灌漿時(shí),壩體內(nèi)部水分不易排出,穩(wěn)定更加受到威脅。故在實(shí)際工程中,應(yīng)控制劈裂灌漿時(shí)水庫(kù)處于低水位運(yùn)行狀態(tài),加強(qiáng)灌漿過(guò)程中雙向排水。

3 結(jié) 論

(1)濕化變形是影響劈裂灌漿效果的重要因素之一。濕化變形的產(chǎn)生是由于壩體土在水作用下,內(nèi)摩擦角減小,粘聚力降低甚至消失,使得土易發(fā)生濕化變形。在灌漿壓力、自重等作用力下,壩體土在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)排水固結(jié)的過(guò)程,壩體土密實(shí),弱應(yīng)力區(qū)得到彌補(bǔ),利于壩體穩(wěn)定。

(2)當(dāng)灌漿施工質(zhì)量控制不當(dāng)時(shí),濕化變形會(huì)產(chǎn)生副作用,如局部沉降過(guò)大,產(chǎn)生濕陷裂縫,孔壓不能及時(shí)消散威脅大壩穩(wěn)定等。因此,灌漿時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制位移比及灌漿壓力,及時(shí)觀察并做好記錄,確保施工質(zhì)量和安全。

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