劈裂式灌浆技术在均质土坝加固中的应用

信阳市水利勘测设计院聂守洋

劈裂式灌浆技术在均质土坝加固中的应用

信阳市水利勘测设计院聂守洋

按照1998年中央15号文件精神，依据《水库大坝安全鉴定方法》，《全国病险水库除险加固专项规划》筛选出30413座需要优先除险加固的三类水库。随着全国病险水库加固工程的顺利进行，灌浆技术在土坝加固中的作用举足轻重。灌浆可分为充填式灌浆和劈裂式灌浆，充填式灌浆是利用浆液自重使其注入土体隐患处，以堵塞洞、隙，因其灌浆方式应用于水库大坝效果不佳，不能有效解决坝体渗漏等病险，没有得到具体运用。劈裂式灌浆是运用坝体应力分布规律，用一定的灌浆压力，使坝体沿坝轴线方向劈裂，同时灌注泥浆，形成竖直连续的防渗墙，堵塞漏洞、裂缝或切断软弱层，以提高坝体的抗渗能力，同时通过浆坝互压、湿陷，使坝体内部应力重新再分布，进而提高坝体的变形稳定性。该防渗加固技术已在信阳市中型水库均质坝型中得到广泛的应用，如洪山水库、红石嘴水库、王堂水库、铁佛寺水库、老鸦河水库、老龙埂水库等，大部分已实施完毕，防渗效果良好。

一、灌浆原理

1.可灌性和作用应力分析。实验证明，在灌浆压力作用下的黏土泥浆，在具有大孔隙的卵石和粗砂层中，当灌浆压力超过一定值时，以渗透和劈裂两种形式出现，对具有小孔隙的细砂、黏土，只能以劈裂的形式存在。因此，土坝黏性土是可灌的，其可灌性决定于压力泥浆对它的劈裂程度和黏土防渗体被压缩变形的大小。灌浆压力对坝体劈开的方向、长短及宽度，决定于原坝体的应力分布和大小。在灌浆压力作用下，坝体总是沿其最小主应力作用面劈开，即沿坝体纵向劈裂。因此，按照坝体的一般应力分布规律，通过合理的灌浆工艺，就可以实现对坝体有计划地劈裂，以达到消除隐患且稳定坝体的目的。

2.作用原理。土坝坝体劈裂灌浆的任务之一就是在允许的范围内尽量增大灌浆压力，使原来较为疏松的土体在某个范围内得到一定程度的充实；停灌以后，由于孔口压力的取消和泥浆的浓缩固结，泥浆压力逐渐减小，坝体则回弹压缩泥浆。实际操作中，通过多次复灌可充分发挥浆、坝互压作用，对提高坝体的密实度并保证灌浆质量是有效的。此外，通过灌浆压力和土的湿化变形，使坝体内部的应力再分配，由应力的不均衡趋向均衡，从而使坝体达到变形稳定的目的。

3.泥浆的排水固结。停止灌浆后，孔口压力在浆缝中下降到零时，泥浆中孔隙压力等于泥浆柱压力。当泥浆的析水完成后，浆体的孔隙压力将逐渐小于泥柱压力，此时，浆体由析水浓缩阶段进入排水固结阶段。因下部泥浆受到的压力较大、且渗径短，泥浆的固结硬化顺序是自上而下的，这有利于尽早发挥浆体的截渗作用。

由于泥浆水分排向坝体内而固结，在浆体的水平截面上其固结顺序是自外向内的，即靠近坝体的浆体部分先固结，然后向内固结，浆体的中心部分最后固结。这对于尽早发挥浆体的阻水作用、提高浆体的防渗能力是非常有益的。

二、工程实例

1.老鸦河水库坝体劈裂灌浆。老鸦河水库位于淮河左岸一级支流老鸦河上游，坝址位于信阳市平桥区平昌关镇古城村，控制流域面积84km2，流域多年平均径流量3444万m3，总库容4581万m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养殖等综合利用的中型水库，主体工程属Ⅲ级建筑物，主体工程包括主坝、副坝、溢洪道、泄洪闸、灌溉闸等。坝型为均质土坝，最大坝高20.5m，坝长880m，坝顶高程108.5m。

自1969年建库以来，大坝数次出现下游坝坡渗水、漏水等现象，虽经小规模的修修补补，治标不治本，而且有愈演愈烈的趋势，亟待彻底根治。2006年年底对该水库进行了安全鉴定，2008年淮委对初步设计进行了批复，批复方案中对坝体采用劈裂灌浆技术进行防渗处理，坝体劈裂灌浆范围位于桩号0＋000～0＋850，采用单排布孔，沿坝轴线布设，分两序孔施灌，设计最终孔距为4.0m，黏土浆灌注。根据基础情况，钻孔深入坝基1.5m。目前，依据施工设计方案，工程已顺利完工，防渗效果良好。

2.老龙埂水库坝体劈裂灌浆。老龙埂水库位于信阳市潢川县城郊，属中型水库，主坝坝型为均质土坝，最大坝高4.5m，坝长720m，坝顶高程53.5m，最大库容1117万m3，流域面积20.0km2。水库兴建时，正值10年浩劫时期，工程在无任何勘测设计资料的情况下仓促上马，属“三边”工程；由于当时建筑材料缺乏，建筑物结构简陋，施工质量低劣，加上近40年的运行，目前工程存在着诸多问题，其中主要问题是：现状坝顶存在裂缝、凹陷现象，下游坝脚多处渗水、散浸，局部呈沼泽状。

2004年年底对该水库进行了安全鉴定，2007年淮委对初步设计进行了批复，批文对坝体严重渗漏的主河槽坝段进行坝体劈裂灌浆，灌浆处理范围从桩号0+100～0+600，在坝体轴线布1排孔，分两次序施灌，一序孔距为6m，最终孔距3m，黏土浆灌注，根据基础情况，钻孔深入低液限黏土层3.0m。浆液先稀后稠，比重12.4kN/m3～13.4kN/m3。灌浆孔口压力，以始灌的启开峰值为根据。要求在时间允许的情况下，尽量增加复灌次数。

施灌一序孔打67孔，进尺1005m、注干土量46.18万kg，最大注入浆量发生于桩号0+400处。在一序施灌中均采用了复灌、输灌，复灌次数一般在2～4次。二序打66孔，进尺990m、注入干土量45.49万kg。二序孔施灌与一序孔相隔半个月以上。此次灌浆河槽段浆脉厚度理论计算可达到30cm，处理段两侧沉降量达6cm左右，灌浆效果较好