劈裂灌漿在水庫土壩中的防滲加固機理探討

曾 云

（江西省贛西土木工程勘測設計院，江西 宜春 336000）

水庫土壩是水利工程中一種常見的壩體結(jié)構(gòu)，其具有成本低廉、施工簡便的優(yōu)勢，深受相關(guān)領(lǐng)域人員的青睞，但是因為質(zhì)地問題，土壩的綜合質(zhì)量是無法與混凝土等其他壩體相互比較的，尤其滲漏現(xiàn)象發(fā)生的概率位居所有壩體中的首位。為了盡可能減少滲漏情況的發(fā)生，現(xiàn)代許多工程單位都開始重視土壩加固技術(shù)的應用，其中就包括了劈裂灌漿技術(shù)，此項技術(shù)作用于土壩的內(nèi)部，能夠徹底改變土壩滲漏點的質(zhì)量，具有較高的應用價值。

1 現(xiàn)代劈裂灌漿技術(shù)水平分析

劈裂灌漿在我國早期水利加固工程中的應用主要是針對黃河大堤的加固，在當時主要采用鋼纖探測方法對黃河大堤的原有隱患進行分析，之后人工打開隱患點，并對隱患點進行灌漿作業(yè)，這種加固方式就是劈裂灌漿的雛形。實踐表明，雛形階段的劈裂灌漿已經(jīng)具備良好的加固效果。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸掌握了灌注泥漿劈裂壩體的規(guī)律，總結(jié)出了劈裂灌漿與最早期的人工灌漿方法的區(qū)別。具體來說，劈裂灌漿會針對壩體滲漏或其他質(zhì)量問題而發(fā)揮作用的，并不是單純的加強壩體局部或者整體的質(zhì)量[1]。

就原理來看，主要是結(jié)合壩體小主應力分布的規(guī)律，按照水利劈裂原理進行開孔，并利用灌漿壓力控制設備，有效控制劈裂力度，以更好地完成劈裂空間內(nèi)部灌漿。當液態(tài)的漿液進入劈裂空間后，會延著空間內(nèi)部下流，直至填滿所有孔洞，從而達到增加壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度的目的，起到良好的防滲作用[2]。

雖然，劈裂灌漿在壩體防滲加固工程中已經(jīng)廣泛應用，但仍然存在一些不足，主要表現(xiàn)在灌漿軸線布置、復灌時間的不確定；漿液效果計算不精準等方面[3]。

2 水庫土壩劈裂灌漿加固機理

劈裂灌漿所產(chǎn)生的作用與土壩之間有密切聯(lián)系，但在歸類上大多都屬于力學范疇，其機理也存在不同的表現(xiàn)形式。下文將針對劈裂灌漿作用的不同機理展開討論。

2.1 水力劈裂

水力劈裂機理是指在強大的水體壓力作用下，壩體會產(chǎn)生裂縫并且裂縫不斷擴大的力學現(xiàn)象。從理論角度講，如果產(chǎn)生裂縫的主體是無限大的，水力劈裂機理會使得裂縫無限擴大，但實際中，當裂縫達到一定極限之后，壩體的應力結(jié)構(gòu)將無法對等，從而導致決堤等現(xiàn)象。此時就要求劈裂灌漿產(chǎn)生的機理作用能夠抵抗水利劈裂機理的作用形態(tài)，保障灌漿結(jié)構(gòu)不會輕易被破壞，而要實現(xiàn)此目的就必須經(jīng)過嚴格的計算，具體計算方法如下文所述。

假設水力沖壓力給壩體裂縫造成的應力為P，那么在介質(zhì)初始應力為0 的條件下，當介質(zhì)抗拉強度ai 大于P，就會導致壩體被劈裂。當介質(zhì)初始應力的拉應力為a 時，P≥a+ai 壩體就會被劈裂；P+a≥ai 也可以劈裂[4]。圖1 為水力劈裂原理示意圖。

圖1 水力劈裂原理示意圖

2.2 泥漿劈裂填充機理

在劈裂灌漿工作中，主要作業(yè)部分在于泥漿漿液，如果給泥漿漿液施加較高的沖擊力，那么就很容易能夠劈裂壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使泥漿漿液能夠順利流入裂縫孔隙當中，增強壩體密實度，實現(xiàn)防滲功能。另外，由于在實際施工當中，壩體孔隙較多，單次的泥漿劈裂填充并不能滿足整體需要，所以填充需要多次反復進行，這樣不僅僅可以使泥漿填充所有裂縫空隙，還能夠?qū)σ呀?jīng)流入孔隙中的泥漿進行補充，進一步增強劈裂灌漿的能效性。圖2 為泥漿劈裂灌漿示意圖。

圖2 泥漿劈裂灌漿示意圖

2.3 濕陷機理

泥漿是一種土與水的混合體，介于水的溶解能力以及配比控制，才能形成液態(tài)的泥漿。劈裂灌漿過程中，當液態(tài)泥漿進入到壩體內(nèi)部之后，隨之就會將其中的水分也帶入其中，此時水在與壩體原土體接觸之后，就會造成濕陷作用。所謂的濕陷作用是指土體遇水之后發(fā)生的變化，具體包括軟化、下陷等，作用程度主要取決于土體的質(zhì)量與性質(zhì)。對土壩壩體而言，濕陷作用是有利于的，特別在劈裂灌漿作用下，能夠增加土體的密實性、抗變形穩(wěn)定性，同時還能減少應力不足區(qū)域的范圍。另外，濕陷現(xiàn)象還可以體現(xiàn)劈裂灌漿工作的進度，在劈裂灌漿的初始階段，由于土體孔隙率較大，起初的濕陷程度也較大，之后隨著劈裂灌漿量的增加，濕陷程度會逐漸變小，當濕陷程度降低到一個微小的程度時，就說明劈裂灌漿已基本完成，這也屬于濕陷機理的一種表現(xiàn)。圖3 為濕陷例圖。

圖3 濕陷例圖

2.4 能量調(diào)整與轉(zhuǎn)換

部分滲漏現(xiàn)象的形成過程十分漫長，其原因在于土壩土體不斷受到水力沖壓力侵擾，部分土體結(jié)構(gòu)會發(fā)生細微的位移或者形變，長年累月，這種細紋的變化會不斷擴大，當達到一個臨界點之后，就會出現(xiàn)局部塌陷現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生裂縫。這種現(xiàn)象在專業(yè)領(lǐng)域當中被稱為能量累積轉(zhuǎn)換，而要消除這種現(xiàn)象，從劈裂灌漿角度講，施工過程中會先將累積的能量全部釋放，之后才產(chǎn)生防滲作用。主要原因在于，劈裂灌漿的施工會帶來灌漿的壓力，再加之土體濕陷作用，會使得一些原本細微的變化擴大，此時瞬間就會將能量釋放出來，而雖然這種現(xiàn)象會擴大細微的變化，但是在之后的灌漿填充之下，可以完全彌補這種影響，實現(xiàn)土體的應力結(jié)構(gòu)重塑，達到防滲目的。

2.5 漿液壩體互壓機理

漿液與壩體兩者都具有應力變換的特質(zhì)，即漿液在凝固過程當中，會產(chǎn)生向外的應力；壩體在受到破壞之后，其周邊土體也會因為應力結(jié)構(gòu)改變而產(chǎn)生向內(nèi)的應力。由于漿液與壩體之間的應力變換方向是相對的，因此在劈裂灌漿當中，當漿液進入壩體之后，兩者會產(chǎn)生互壓機理。從而使?jié){液能夠?qū)υ緫Σ黄胶獾膲误w進行填充，使其應力重新恢復平衡，同時也可以改善因為不均勻變形造成的小主應力較弱的問題，有助于水庫土壩的穩(wěn)定性。

2.6 泥漿與土壩的固結(jié)壓密機理

水是一種具有溶解特性的物質(zhì)，而土體是可溶性物質(zhì)，在兩者相遇之后就會產(chǎn)生良好的融合性。劈裂灌漿過程中，當泥漿灌注到土壩中之后，泥漿的水分會帶動泥漿中的泥成分與壩體土體進行相互融合，進而完成填充過程，而在融合填充之后，水分會被土體逐漸吸收，此時水分越少土體之間的固結(jié)程度就會越高，當水分減少到一定程度之后，就說明土體的應力結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于完成。另外，壩體土體的壓力會隨著劈裂工作的進行而不斷增加，在此壓力作用下，泥漿當中的泥成分會快速的與壩體土體融合，并不斷與原有土體連接緊密，形成高密實度的水庫土壩，這一過程在理論上被稱為壓實機理。

3 實例劈裂灌漿機理設定

3.1 實例概況

某水庫土壩總面積1368 萬m2，蓄水面積13.05 km2，該工程中設立了一道主壩，長度41 m，高度35.60 m，厚度3 m～12 m。實例工程因為工期較長，其壩身產(chǎn)生了許多裂縫現(xiàn)象，存在許多安全隱患。對此，實例工程單位決定采用劈裂灌漿技術(shù)對該壩體進行除險加固。施工中嚴格控制劈裂灌漿壓力、灌漿用量等參數(shù)，執(zhí)行灌漿施工要求才能滿足實例工程中的防滲要求。

3.2 劈裂灌漿壓力計算

作業(yè)面強度的測量結(jié)果顯示，該土壩背水面強度為700 tMPa，觸水面強度為800 tMPa，土壩表面兩側(cè)的抗壓能力良好；具體滲漏點的強度測量結(jié)果顯示，滲漏點已經(jīng)滲漏了壩體3/2，剩余面積的抗壓強度只有130 tMPa，表層抗壓強度為110 MPa；同時，針對防滲點的抗壓能力，該工程對劈裂灌漿的壓力進行了計算。計算結(jié)果如表1 所示。

表1 劈裂灌漿壓力計算結(jié)果

3.3 灌漿用量計算

灌漿用量計算公式如下

式中：V 代表灌漿用料量；A 代表灌漿帷幕面積；T 代表灌漿帷幕厚度；K1代表充填空隙的系數(shù)；K2代表土料篩余系數(shù)，計算結(jié)果如表2 所示。

表2 灌漿用量計算結(jié)果

3.4 灌漿施工要求計算

該工程主要采用42 mm 的鉆管以及錐頭錘進行鑿孔作業(yè)，經(jīng)計算，鑿孔深度宜為2.6 m。此外，為了保障施工質(zhì)量，要求施工人員嚴格圍繞“少灌多復”的原則進行施工，當孔深小于20 m 時，灌注次數(shù)不低于5 次，孔深大于20 m 時，灌注次數(shù)不低于7 次。

4 結(jié)語

土壩壩體劈裂灌漿技術(shù)克服了防滲墻存在的常見問題。它的基本原理是利用壩體小主應力面基本沿壩軸線分布的這一規(guī)律，利用灌漿壓力沿軸線劈裂壩體，灌入泥漿，構(gòu)造漿體防滲帷幕，解決壩體滲透的穩(wěn)定問題；同時利用壩體的濕陷固結(jié)特性和漿壩互壓，改善壩體內(nèi)部應力，解決壩體的變形穩(wěn)定問題。劈裂灌漿技術(shù)不僅僅在土壩壩體灌漿實踐方面是個創(chuàng)新，而且在加快危險土壩的治理方面也發(fā)揮了巨大的作用。