基于劈裂灌漿在水庫土壩中的防滲加固機(jī)理的探討

摘要：用劈裂灌漿防滲加固技術(shù)來改進(jìn)壩體的穩(wěn)定性，是堤壩加固領(lǐng)域的一種非常有效的加固方法，多年來該技術(shù)在中小型水庫上壩防滲加固中得到廣泛應(yīng)用。本文針對土壩劈裂灌漿加固機(jī)理進(jìn)行分析研究，并分析施工過程中注意事項。

關(guān)鍵詞：壩體加固 劈裂灌漿 數(shù)值模擬分析 探討

一、劈裂灌漿方法研究

堤壩劈裂灌漿技術(shù)是在總結(jié)了傳統(tǒng)的堤壩灌漿技術(shù)的經(jīng)驗教訓(xùn)，分析了堤壩裂縫的成因以及泥漿劈裂堤壩規(guī)律的基礎(chǔ)上提出來的。我國解放初期在黃河大堤首次用鋼釬探測隱患，然后進(jìn)行灌漿，取得了較好的效果。而后在一些中小型水庫上壩上進(jìn)行充填式灌漿。到了70年代該技術(shù)開始用于處理一些大中型水庫的壩體隱患。到了70年代后期，人們總結(jié)了充填灌漿的經(jīng)驗教訓(xùn)，分析了壩體裂縫成因和灌注泥漿劈裂壩體的規(guī)律，提出了土壩壩體劈裂灌漿理論。隨著劈裂灌漿加固技術(shù)的推廣應(yīng)用，其理論研究也得到不斷的發(fā)展。

劈裂灌漿技術(shù)不論在施工工藝還是在理論研究方面取得了不少進(jìn)展。但是，山于該項技術(shù)的特殊性及加固對象的多樣性，所以還有很多理論方面的問題沒有解決。例如，灌漿軸線的布置，復(fù)灌時間的確定，漿液在壩體中的固結(jié)規(guī)律，灌漿對壩體應(yīng)力應(yīng)變的影響，灌漿效果及持久性問題等。

二、土壩劈裂灌漿加固機(jī)理

1、水力劈裂原理，指是在水壓力作用下，使原物體產(chǎn)生裂縫或使原有裂縫擴(kuò)大的過程。如果無限域中的圓孔受到均勻液體壓力P，要計算介質(zhì)中的應(yīng)力，已有經(jīng)典解答。如果介質(zhì)初始應(yīng)力為零，則當(dāng)P>€%li就會被劈裂，其中€%li為介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度。若果介質(zhì)初始應(yīng)力為€%l，則當(dāng)P≥€%l+€%li就會被劈裂，式中如果€%l是拉應(yīng)力，則P+€%l≥€%li就會被劈裂。

2、土壩壩體的應(yīng)力分布規(guī)律，土壩具有梯形斷面的條形建筑物，通過對土壩壩體的原形觀測及有限元分析，壩體內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律一般如下：在壩軸線附近，土壩的豎向應(yīng)力€%li略小于土柱的自重壓力，土壩橫剖面的水平應(yīng)力€%lx，比豎向應(yīng)力€%ly小，約等于（0.3-0.5）€%ly，（即側(cè)壓力系數(shù)為0.3-0.5）。土壩填筑質(zhì)量愈差，則側(cè)壓力系數(shù)愈小，壩頂部一定高度€%lx：還會出現(xiàn)拉應(yīng)力。土壩的縱剖面的水平應(yīng)力為€%lz二介于€%lx和€%ly之間。一般情況，土壩壩體壓應(yīng)力符合€%ly>€%lz>€%lx的規(guī)律。根據(jù)土壩壩體的應(yīng)力分布情況，利用水力劈裂原理，在壩軸線附近沿小主應(yīng)力面布置灌漿孔。泥漿就容易沿這個平面將壩體劈開。

3、泥漿對壩體的劈裂充填作用。由于劈裂灌漿是以漿液為能量載體，高壓泥漿對壩體有很大的充填作用。泥漿充填壩體內(nèi)部被劈開的灌漿通道，以及與通道相連的各種原有裂縫、洞穴等，充填作用與劈裂灌漿作用是同時進(jìn)行的。隨灌、隨劈、隨充填，達(dá)到縫開、漿到、料滿。隨著復(fù)灌次數(shù)的增加，泥漿多次充填擠壓，使原壩體得到擠壓、密實，與漿體帷幕一起形成較高的防滲能力，因而達(dá)到充填壩體隱患和構(gòu)造防滲帷幕的目的。

4、濕陷作用。泥漿灌進(jìn)壩體，其中大量水分隨之進(jìn)入壩體。水除了產(chǎn)生孔隙水壓力和對土的性質(zhì)產(chǎn)生影響外，還對壩體產(chǎn)生濕陷作用。濕陷作用的大小與土壩質(zhì)量和土料性質(zhì)有關(guān)。濕陷作用對壩體是有利的，可以增加壩體的密實度和變形的穩(wěn)定性，減少弱應(yīng)力區(qū)范圍。停灌以后濕陷作用逐漸變緩，每次復(fù)灌都有濕陷，但濕陷率越來越小。濕陷使壩高有所降低，壩體體積縮小，在壩頂出現(xiàn)變形裂縫。這些裂縫經(jīng)過多次復(fù)灌后都會被泥漿充填。

5、能量的調(diào)整和轉(zhuǎn)換。根據(jù)物體能量的轉(zhuǎn)換和傳遞規(guī)律，提出了土壩的裂縫破壞是由于壩體內(nèi)部的變形和能量積累轉(zhuǎn)換造成的。要根除這種隱患，就必須使壩體內(nèi)部分土體所積累的應(yīng)變能充分釋放。劈裂灌漿就是通過灌漿壓力和土體濕陷變形，使原有的土體裂縫充分開裂，使己出現(xiàn)的弱應(yīng)力區(qū)和強(qiáng)應(yīng)力區(qū)之間的應(yīng)力應(yīng)變能相互傳遞轉(zhuǎn)換，打破原壩體內(nèi)部應(yīng)力的不平衡，恢復(fù)正常的應(yīng)力狀態(tài)，使壩體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變相對穩(wěn)定。

6、漿壩互壓理論。土壩劈裂灌漿技術(shù)利用了上壩壩體的整體彈性特征，在灌漿過程中隨著灌漿壓力的反復(fù)增長和消失，具有彈性的壩體張開和回彈，使壩體和漿體反復(fù)擠壓，形成連續(xù)的漿體帷幕和兩側(cè)壓密的壩體聯(lián)合防滲帶。通過漿壩互壓，可以補(bǔ)救原壩體由于不均勻變形產(chǎn)生的小主應(yīng)力不足，改變壩體內(nèi)部的應(yīng)力不平衡狀態(tài)，從而比較徹底地解決了土壩壩體的變形穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定問題。

7、泥漿和壩體的固結(jié)和壓密。劈裂灌漿加固壩體的主要作用是利用泥漿在壩體中固結(jié)硬化后形成的帷幕進(jìn)行防滲。因此泥漿在壩體內(nèi)能否固結(jié)硬化，就成為土壩劈裂灌漿中最關(guān)鍵的問題。影響漿液固結(jié)的因素是十分復(fù)雜的，漿液固結(jié)速率和效果不但與壩體土質(zhì)、施工質(zhì)量、壩體應(yīng)力狀態(tài)、漿體土料性質(zhì)、漿體厚度等因素有關(guān)，而且還受壩前水位、施工工藝的影響。

（作者單位：宜昌市枝江市水利局）

參考文獻(xiàn)：

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