劈裂灌漿技術(shù)在堤壩加固工程中的應(yīng)用探析

摘要：本文分析了劈裂灌漿技術(shù)的原理與施工工藝，然后結(jié)合工程案例探討了劈裂灌漿技術(shù)在堤壩防滲加固工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：劈裂灌漿；堤壩；防滲加固

劈裂灌漿技術(shù)利用了土壩內(nèi)部存在弱應(yīng)力面的規(guī)律（通常沿壩軸線方向），在土壩上沿弱應(yīng)力面方向布置一排或兩到三排灌漿孔，通過選擇適當(dāng)?shù)墓酀{壓力，使土壩沿弱應(yīng)力面產(chǎn)生裂縫（即劈裂土壩），同時(shí)在泥漿充填、壓密、固結(jié)以及漿壩互壓等綜合作用下，形成有效的防滲帷幕，最終達(dá)到加固土壩的目的。這項(xiàng)技術(shù)是我國水利工作者在總結(jié)土壩灌漿實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的一項(xiàng)卓有成效的技術(shù)，已成功處理土壩、土堤數(shù)千公里，具有施工便捷、經(jīng)濟(jì)高效之優(yōu)點(diǎn)，因而在水利水電行業(yè)受到歡迎和重視。為了更好地將劈裂灌漿技術(shù)應(yīng)用于堤壩除險(xiǎn)加固工程，本文對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了分析和探討。

1 劈裂灌漿技術(shù)原理與施工工藝

1.1 劈裂灌漿技術(shù)原理

圖1為堤壩斷面內(nèi)部的應(yīng)力分布。一般情況下，堤壩豎向應(yīng)力 、縱剖面水平應(yīng)力 、橫剖面水平應(yīng)力 之間存在 的關(guān)系。在堤壩軸線附近有近似關(guān)系： ， ， （ 為壩內(nèi)縱向應(yīng)力， 為壩內(nèi)豎向應(yīng)力， 為壩內(nèi)水平應(yīng)力），由此得到 。可見壩內(nèi)縱向應(yīng)力是堤壩內(nèi)部三個(gè)主應(yīng)力中最小一個(gè)（即小主壓力），因此灌漿時(shí)沿壩軸線方向最易發(fā)生劈裂。在壩軸線上布置若干灌漿孔，當(dāng)灌漿壓力 時(shí)，壩體內(nèi)部就會(huì)被劈開[1]。事實(shí)上，從灌漿孔注漿加壓到壩體劈裂經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：（1）漿液進(jìn)入堤壩內(nèi)部，土體被擠密；（2）土體被擠密到一定程度就會(huì)出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象；（3）擠壓應(yīng)力超過了土體強(qiáng)度的極限，土體斷裂，壩體被劈開出現(xiàn)劈裂縫；（4）隨著多次復(fù)灌，壩體內(nèi)裂縫、洞穴等缺陷被充填、回彈壓密。起始劈裂壓力可以用 表示，其中 為堤壩鉆孔平面的小主應(yīng)力， 為土體單軸抗拉強(qiáng)度， 為圓孔應(yīng)力集中系數(shù)（一般 =2.3～3.0）。發(fā)生劈裂的泥漿壓力條件是 。

1.2 劈裂灌漿施工工藝

劈裂灌漿的施工工藝如圖2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求放樣布孔，即確定孔位、孔距和孔深等。目前，堤壩劈裂灌漿一般采用沖擊、擠壓、旋轉(zhuǎn)等型式鉆機(jī)。較矮的堤壩（≤10m）常選用前兩種型式的鉆機(jī)，多用干鉆方式；較高堤壩（>10m）應(yīng)采用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，并以濕法鉆進(jìn)。鉆孔必須分序鉆進(jìn)，以先疏后密方式造孔。孔序多采用2序～3序。造孔孔位偏差一般≯50mm，孔斜≯2%。劈裂灌漿漿液的選擇和使用，對(duì)堤壩灌漿質(zhì)量影響很大，應(yīng)當(dāng)滿足流動(dòng)性、穩(wěn)定性、凝結(jié)性和經(jīng)濟(jì)性等要求。一般情況下，首選當(dāng)?shù)貎r(jià)廉易得的黏土漿，必要時(shí)可摻入膨潤土及其他外加劑，以改善漿液性能，如水玻璃等，為防治白蟻還可加入白蟻靈等藥劑；特殊部位可采用水泥漿或水泥黏土漿、自凝灰漿。制漿方法包括干法和濕法兩種，以濕法居多，如采用WJG80、WJ100攪槳機(jī)制漿。漿液黏度一般控制在20～100s，密度在1.1～1.6g/cm3，穩(wěn)定性0.1～0.16 g/cm3。灌漿一般采用孔底注漿全孔灌注法，主要控制灌漿壓力和一次灌漿量，即應(yīng)遵循“先稀后濃，分序灌漿；少灌多復(fù)，控制漿量”的原則。前兩次灌漿采用密度1.1～1.3 g/cm3的稀漿，然后再將密度提高至1.4～1.6 g/cm3。復(fù)灌次數(shù)保持5～10次，矮壩每孔復(fù)灌間隔不少于3d，高壩復(fù)灌間隔不少于5d。施工時(shí)應(yīng)控制裂縫，按照“先內(nèi)劈后外劈”的原則，控制前兩次灌漿堤頂不產(chǎn)生裂縫，出現(xiàn)裂縫也要立即停灌；第3次開始堤頂裂縫寬度也不能超過2cm寬。每次單孔灌漿量應(yīng)控制在0.5m3/m左右，并合理分配各序孔的漿量，采用兩序灌漿時(shí)Ⅰ序孔灌漿量要達(dá)到總灌漿量的60%以上。灌漿壓力的控制與堤壩質(zhì)量、壩高、孔深、泥漿密度以及壩體隱患狀況、堤壩安全性等眾多因素相關(guān)，并沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可以這樣理解：如果灌漿壓力太小不足以劈開壩體，就不成為劈裂灌漿；但灌漿壓力太大，很可能會(huì)對(duì)壩體造成破壞。以沙壤土為例，孔口壓力值一般控制在150～200kPa，但有些工程孔口壓力值達(dá)到300kPa仍然未出現(xiàn)險(xiǎn)情，這是因?yàn)榭组g壩體結(jié)構(gòu)等因素不相同所致[2]。一般可通過灌漿量、壓力突變來判斷灌漿壓力，灌漿量突然增大或壓力表值突然降低，往往預(yù)示著壩體內(nèi)部已發(fā)生劈裂。終灌標(biāo)準(zhǔn)一般以連續(xù)復(fù)灌3次不吸漿且外觀上飽、滿、實(shí)為依據(jù)。終灌后以稠泥漿封孔，靜置一周后抽出表面清水，注入泥漿，再用干土或砂、石、土配成混合土封口，壓實(shí)。由于灌漿后壩頂存在坑凹、表面裂縫、壩高降低等現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行鋪土夯實(shí)及碾壓處理。

2 劈裂灌漿技術(shù)在堤壩除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用

2.1 工程概況

某水庫是灌溉為主兼防洪、發(fā)電、供水、淡水養(yǎng)殖的綜合性水利工程，總庫容1.31×108m3[3]。水庫樞紐建筑包括1主壩、2副壩以及溢洪道、輸水涵管、水電站等。主壩長2846m，壩頂高程60m。壩基為玄武巖全風(fēng)化土，局部攙雜玄武巖孤石，透水性較強(qiáng)。壩體填土為粉質(zhì)土，結(jié)構(gòu)較為松散。土體孔隙比高，透水性強(qiáng)，并且壩體與壩基結(jié)合部處理不好，防滲性較差。根據(jù)多年觀測結(jié)果，主壩壩腳與下游壩坡處滲漏較為嚴(yán)重，因此決定采用劈裂灌漿技術(shù)處理壩體和壩基。

2.2 施工方法

灌漿方案是在樁號(hào)2+430～5+000約2670m壩段布設(shè)單排孔，其中壩高8m以下壩段采用2序孔，孔距2～2.5m；壩高8m以上壩段采用3序孔，孔距2.5m。99%以上采用濕法造孔，不足1%采用干法成孔。漿液采用水泥黏土漿，水泥含量約9%。漿液配比采用8：1、5：、3：1、2：1和1：1，稀漿開灌，逐步變濃。施工機(jī)械采用XY-100型鉆機(jī)、XY-150型鉆機(jī)各1臺(tái)，BW250/50、HB80灌漿泵各2臺(tái)，以及其他配套設(shè)備。成孔孔徑80mm。灌漿采用孔底注漿全孔灌注方法，并同時(shí)灌3～4孔。開灌泥漿密度1.19 g/cm3，終灌泥漿密度1.46 g/cm3，封孔泥漿密度1.60 g/cm3。遵循“少灌多復(fù)”原則，先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序及Ⅲ序孔。最大灌漿量控制在0.5～1.0m3/m，復(fù)灌次數(shù)平均約6次，間隔5d。孔口壓力控制在50～300kPa。本項(xiàng)工程總共灌漿605孔，總進(jìn)尺近1萬m，共灌漿28368m3，消耗黏土7511t，使用水泥693t。灌漿結(jié)束1年后，驗(yàn)收鉆探發(fā)現(xiàn)大壩洇濕滲漏現(xiàn)象消失，說明灌漿效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

我國水利工程中土壩、土堤數(shù)量眾多，既要滿足防滲加固要求，又要成本易于接受，劈裂灌漿就是解決此類問題的可靠有效技術(shù)。由于劈裂灌漿也屬于隱蔽性工程，需要施工單位具備豐富的經(jīng)驗(yàn)和嫻熟的技術(shù)水平，因此施工過程中應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)記錄，以便對(duì)灌漿效果評(píng)價(jià)更科學(xué)合理。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 劉成偉，陳曉峰，沈金榮.關(guān)于劈裂灌漿加固法幾個(gè)問題的研究[J].江蘇水利，2013（12）：19-20.

[3] 高環(huán)安，李招文，符永生，等.低矮堤壩劈裂灌漿技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2013，19（11）：110-112.