劈裂灌漿技術在堤壩加固工程中的應用探析

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

關鍵詞：劈裂灌漿；堤壩；防滲加固

劈裂灌漿技術利用了土壩內部存在弱應力面的規律（通常沿壩軸線方向），在土壩上沿弱應力面方向布置一排或兩到三排灌漿孔，通過選擇適當的灌漿壓力，使土壩沿弱應力面產生裂縫（即劈裂土壩），同時在泥漿充填、壓密、固結以及漿壩互壓等綜合作用下，形成有效的防滲帷幕，最終達到加固土壩的目的。這項技術是我國水利工作者在總結土壩灌漿實踐經驗基礎上提出的一項卓有成效的技術，已成功處理土壩、土堤數千公里，具有施工便捷、經濟高效之優點，因而在水利水電行業受到歡迎和重視。為了更好地將劈裂灌漿技術應用于堤壩除險加固工程，本文對相關問題進行了分析和探討。

1 劈裂灌漿技術原理與施工工藝

1.1 劈裂灌漿技術原理

圖1為堤壩斷面內部的應力分布。一般情況下，堤壩豎向應力 、縱剖面水平應力 、橫剖面水平應力 之間存在 的關系。在堤壩軸線附近有近似關系： ， ， （ 為壩內縱向應力， 為壩內豎向應力， 為壩內水平應力），由此得到 。可見壩內縱向應力是堤壩內部三個主應力中最小一個（即小主壓力），因此灌漿時沿壩軸線方向最易發生劈裂。在壩軸線上布置若干灌漿孔，當灌漿壓力 時，壩體內部就會被劈開[1]。事實上，從灌漿孔注漿加壓到壩體劈裂經歷了以下幾個階段：（1）漿液進入堤壩內部，土體被擠密；（2）土體被擠密到一定程度就會出現拉裂現象；（3）擠壓應力超過了土體強度的極限，土體斷裂，壩體被劈開出現劈裂縫；（4）隨著多次復灌，壩體內裂縫、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力， 為土體單軸抗拉強度， 為圓孔應力集中系數（一般 =2.3～3.0）。發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。根據設計要求放樣布孔，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、旋轉等型式鉆機。較矮的堤壩（≤10m）常選用前兩種型式的鉆機，多用干鉆方式；較高堤壩（>10m）應采用旋轉鉆機，并以濕法鉆進。鉆孔必須分序鉆進，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，對堤壩灌漿質量影響很大，應當滿足流動性、穩定性、凝結性和經濟性等要求。一般情況下，首選當地價廉易得的黏土漿，必要時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攪槳機制漿。漿液黏度一般控制在20～100s，密度在1.1～1.6g/cm3，穩定性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，即應遵循“先稀后濃，分序灌漿；少灌多復，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。復灌次數保持5～10次，矮壩每孔復灌間隔不少于3d，高壩復灌間隔不少于5d。施工時應控制裂縫，按照“先內劈后外劈”的原則，控制前兩次灌漿堤頂不產生裂縫，出現裂縫也要立即停灌；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Ⅰ序孔灌漿量要達到總灌漿量的60%以上。灌漿壓力的控制與堤壩質量、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，并沒有統一的數據標準，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，很可能會對壩體造成破壞。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到300kPa仍然未出現險情，這是因為孔間壩體結構等因素不相同所致[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，往往預示著壩體內部已發生劈裂。終灌標準一般以連續復灌3次不吸漿且外觀上飽、滿、實為依據。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。由于灌漿后壩頂存在坑凹、表面裂縫、壩高降低等現象，應進行鋪土夯實及碾壓處理。

2 劈裂灌漿技術在堤壩除險加固中的應用

2.1 工程概況

某水庫是灌溉為主兼防洪、發電、供水、淡水養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。壩基為玄武巖全風化土，局部攙雜玄武巖孤石，透水性較強。壩體填土為粉質土，結構較為松散。土體孔隙比高，透水性強，并且壩體與壩基結合部處理不好，防滲性較差。根據多年觀測結果，主壩壩腳與下游壩坡處滲漏較為嚴重，因此決定采用劈裂灌漿技術處理壩體和壩基。

2.2 施工方法

灌漿方案是在樁號2+430～5+000約2670m壩段布設單排孔，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。施工機械采用XY-100型鉆機、XY-150型鉆機各1臺，BW250/50、HB80灌漿泵各2臺，以及其他配套設備。成孔孔徑80mm。灌漿采用孔底注漿全孔灌注方法，并同時灌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”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，復灌次數平均約6次，間隔5d。孔口壓力控制在50～300kPa。本項工程總共灌漿605孔，總進尺近1萬m，共灌漿28368m3，消耗黏土7511t，使用水泥693t。灌漿結束1年后，驗收鉆探發現大壩洇濕滲漏現象消失，說明灌漿效果達到了設計要求。

3 結語

我國水利工程中土壩、土堤數量眾多，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。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驗和嫻熟的技術水平，因此施工過程中應加強質量控制和數據記錄，以便對灌漿效果評價更科學合理。

參考文獻：

[1] 卓林.淺談劈裂灌漿在堤壩加固中的應用[J].甘肅水利水電技術，2013，49（7）：56-58，61.

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

[3] 高環安，李招文，符永生，等.低矮堤壩劈裂灌漿技術特點及其應用[J].水利科技與經濟，2013，19（11）：110-112.