劈裂灌漿技術(shù)在高塘水庫(kù)中的應(yīng)用

王丹志 汪潔晶 于際凱 馬路興 楊佳慧

（1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 徐州 221002 2.鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 鹽城224600）

1 工程概況

高塘水庫(kù)為一中型水庫(kù)，大壩為20世紀(jì)50年代施工的均質(zhì)土壩，以重壤土、粉質(zhì)壤土為主，局部壩段混有較多風(fēng)化巖碎屑，容重17.3～21.1kN/m3，Cq、θq分 別 為13～40kPa、11°～27°，Ccu、θcu分別為25～51kPa、2°～18°；壩基為重壤土，容重18.3～20.8kN/m3，Cq、θq分別為12～30kPa、9°～20°，Ccu、θcu分別為15～37kPa、9°～18°。壩長(zhǎng)5300m，最大壩高13.0m，蓄水后壩體出現(xiàn)多處裂縫、坡面塌陷，雖經(jīng)加固處理仍存在密實(shí)性差、浸潤(rùn)線(xiàn)過(guò)高、局部壩段坡面滲水、背水壩坡下長(zhǎng)期滲水、積水，大沙河老河床壩段滲漏嚴(yán)重等問(wèn)題，針對(duì)以上問(wèn)題壩體加固選用劈裂灌漿方案。

2 劈裂灌漿原理

劈裂灌漿是根據(jù)最小主應(yīng)力面平行于壩軸線(xiàn)，施加于沿壩軸線(xiàn)布置的灌漿孔孔口壓力值，大于巖土體的起始劈裂壓力而產(chǎn)生劈裂，控制單孔最大壓力和屈服壓力，在回彈壓力的作用下灌入巖土體中的漿液析水固結(jié)，使所有與漿縫連通的洞穴、裂縫和軟弱夾層等一些壩體隱患，均能得到漿液的充填、擠密、壓實(shí)，形成一道垂直的防滲帷幕，從而提高堤壩穩(wěn)定性的一項(xiàng)技術(shù)。劈裂灌漿設(shè)計(jì)有兩個(gè)控制目標(biāo)：一是通過(guò)恰好的灌漿壓力設(shè)計(jì)在壩體內(nèi)產(chǎn)生理想的裂縫，而且變形在允許范圍之內(nèi)；二是灌漿完成后土體仍有較好的回彈力，裂縫閉合性好，漿液固結(jié)快。二者均受控于壩的初始應(yīng)力狀態(tài)和灌漿壓力，因此，壩體的應(yīng)力應(yīng)變分析是灌漿設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

2.1 堤壩初始應(yīng)力分布

堤壩的形態(tài)一般為相對(duì)規(guī)則的梯形，三個(gè)主應(yīng)力相互垂直，小主應(yīng)力作用面沿軸線(xiàn)分布，變形為平面應(yīng)變。土壩的垂直應(yīng)力σ1（大主應(yīng)力）與垂直壩軸線(xiàn)應(yīng)力σ3（小主應(yīng)力）的關(guān)系：

式中：ki為巖土的側(cè)壓力系數(shù)；h為土體厚度；r為土體重度。

根據(jù)壩體的受力情況，沿壩軸線(xiàn)布孔，利用水利劈裂原理，泥漿很容易將壩體劈開(kāi)。

2.2 劈裂機(jī)理分析

灌漿的整個(gè)應(yīng)力演化過(guò)程可分壓密、劈裂、回彈三個(gè)階段。初始應(yīng)力積累段、對(duì)應(yīng)的是擠密變形，當(dāng)壓力到達(dá)堤壩土體抗劈裂強(qiáng)度峰值點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)為起始劈裂的臨界點(diǎn)，相對(duì)應(yīng)的壓力為起始劈裂壓力。土體劈裂后，灌漿壓力遂即出現(xiàn)跌落，其應(yīng)力損失大致與土的抗拉強(qiáng)度等值。整個(gè)注漿過(guò)程為彈性屈服過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中主脈裂縫形成、發(fā)展，壩體變形受控于灌漿壓力。隨著裂縫形成擴(kuò)展，灌漿壓力穩(wěn)定為彈性屈服狀態(tài)。

2.2.1 起始劈裂壓力

根據(jù)漿液在注漿孔中一點(diǎn)的灌漿壓力等于巖土體在該點(diǎn)的抗劈力，得到使該點(diǎn)產(chǎn)生劈裂的孔口壓力表讀數(shù)ΔP1：

令P=P1，可得：

式中：P為注漿孔中某點(diǎn)的灌漿壓力；γ′為漿液重度；h為漿液液柱高度；σt為土體單軸抗拉強(qiáng)度；Ph為漿液流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩阻力，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可忽略。

當(dāng)孔口壓力表讀數(shù)滿(mǎn)足式（5）時(shí)，壩體即被劈裂。

2.2.2 單孔最大壓力

2.2.3 屈服壓力

3 劈裂灌漿

3.1 劈裂灌漿設(shè)計(jì)

灌漿孔沿壩頂中心線(xiàn)單排布設(shè)，鉆孔深度進(jìn)入壩基壤土層不小于1.5m，孔間距3.0m，鉆孔直徑100mm，在大壩轉(zhuǎn)折段，大壩填土混有較多的紫褐色風(fēng)化巖碎屑，總體上壩體土質(zhì)不甚均勻，透水性在垂向和縱向上差異顯著，離散性較大，土質(zhì)極為松軟，因此對(duì)此段壩體劈裂灌漿孔進(jìn)行加密處理，設(shè)計(jì)灌漿孔間距2.5m，并適當(dāng)調(diào)減灌漿壓力，以免產(chǎn)生與壩軸線(xiàn)斜交的裂縫。

灌漿材料為黏土-水泥漿，根據(jù)灌漿規(guī)范相關(guān)要求，灌漿土料選料見(jiàn)表1。

表1 灌漿土料指標(biāo)表

設(shè)計(jì)漿液容重15kN/m3，固結(jié)漿脈干容重15kN/m3，滲透系數(shù)10-7cm/s，設(shè)計(jì)帷幕厚度10～15cm。起始劈裂壓力據(jù)式（5）計(jì)算為22.1kPa，孔口最大壓力據(jù)式（6）為33.2kPa，屈服壓力據(jù)式（7）計(jì)算為16.4kPa。

3.2 劈裂灌漿施工

（1）造孔前，先構(gòu)制沿壩軸線(xiàn)開(kāi)挖深約1.0m，寬約0.5m，并用黏土回填夯實(shí)的阻漿蓋。成孔按照先疏后密的順序分序鉆進(jìn)，偏斜度要求不大于孔深的2%，要用干法造孔，不得用清水循環(huán)鉆進(jìn)。

（2）制漿要采用攪拌機(jī)濕法的專(zhuān)用機(jī)械制漿，成漿后，先清除大顆粒和雜物，然后再通過(guò)35孔/cm2過(guò)濾篩，控制密度一般在1.2～1.7g/cm3。開(kāi)始先用稀漿灌注劈裂土體，然后改用濃漿，密度達(dá)到1.5～1.6g/cm3，封孔時(shí)大于1.7g/cm3。

（3）灌漿采用分序和“少灌多復(fù)”，即一次灌漿量要少，重復(fù)灌漿次數(shù)要多，每孔灌漿次數(shù)應(yīng)在5次以上，注漿管下至距孔底0.5～1.0m處，自下而上分段灌漿，并在射漿管上部或孔口設(shè)置一道防止?jié){液上返的止?jié){設(shè)施，以便漿液從孔底處壓入壩體。灌漿量達(dá)到要求時(shí)，提升注漿管1～2m，但最后留下的注漿管長(zhǎng)度不宜太短。

（4）終灌根據(jù)《土壩灌漿技術(shù)規(guī)范》（SL564-2014）：①連續(xù)復(fù)灌三次不再吃漿。②壩頂連續(xù)三次冒漿，或連續(xù)三次超過(guò)控制壓力、位移和裂縫寬度。③每孔灌漿次數(shù)和灌漿量達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)量，滿(mǎn)足以上情況時(shí)結(jié)束灌漿。

4 結(jié)論

在施工完成后第三年，對(duì)高塘水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程劈裂灌漿防滲效果進(jìn)行注水試驗(yàn)檢測(cè)，完成注水孔6個(gè)，沿壩軸線(xiàn)布孔，進(jìn)尺48.0m，注水試驗(yàn)12段次，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)34次，經(jīng)計(jì)算分析后，結(jié)論為現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)滲透系數(shù)為2.17×10-6～9.17×10-5cm/s，具微-弱透水性。結(jié)論表明，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該加固工程取得良好效果，已安全運(yùn)行至今■