浅析劈裂灌浆技术在土坝加固中的应用

程丽荣

（陕西水环境工程勘测设计研究院 陕西 西安 710018）

1 劈裂灌浆技术理论分析

劈裂式灌浆是一种运用坝体内自身应力分布规律，用一定的灌浆压力，将坝体沿某一特定方向（对土坝或者堤防而言，一般是坝轴线方向）劈裂，同时灌注适合工程加固要求的泥浆，形成铅直连续的防渗泥墙的坝体（主要用于防渗）加固技术。由于其灌浆压力较一般充填式灌浆大，从而可以更有效的堵塞漏洞、裂缝或切断软弱层，以提高坝体的防渗能力和坝体填筑的密实度，同时通过浆、坝互压和湿陷，使坝体内部应力重新分布，提高坝体变形稳定性。另外，由于坝体对坝基的作用，坝基的应力分布也会具备与坝体相似的规律（当然是在一定深度范围内），从而在其应力影响范围内，也可达到将坝基劈裂，提高坝基防渗能力和坝基密实度等作用。

1.1 劈裂灌浆技术可灌性的初步分析

对于土坝，一般为梯形断面，在自重作用下，在横向由于其高度不同，导致沿其纵轴线附近（坝顶或心墙顶宽范围内）一般是最小主应力面。或者说，一般情况下，在坝顶宽度范围或心墙顶宽范围内的土层本身就受有两侧土体向两边的拉力（具体见下述“浆脉厚度一般规律”分析），一般这个拉力不能导致土体的拉裂（土体的这种状态被称为弱应力状态），一旦沿这个方向进行压力灌浆，将会导致其劈开。因此，均质土坝、心墙粘性土等等都是可灌的，其可灌性决定于压力泥浆对它的劈裂程度和心墙粘土被压缩变形的大小。灌浆压力对坝体劈开的方向、长短和宽度，决定于原坝体的应力分布和大小。在灌浆压力作用下，坝体总是沿其最薄弱面（最小主应力作用面）劈开。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的劈裂，以达到消除隐患、稳定坝体的目的。

1.2 防渗浆脉厚度的一般规律

所谓防渗浆脉即劈裂后，沿劈裂面形成的起防渗作用的浆脉厚度。要找到防渗浆脉厚度的一般规律，首先应从理论上分析土坝坝体体型的最小主应力面。由于土坝、心墙等均为两侧带有一定坡比的分层填筑体，取一般的坝体作为模型。在坝体的深度方向为地球时，几乎可以认为是无限远，故该方向应力最大，为第一主应力；沿坝体纵轴线方向比横向要长的多，所以该方向应力为第二主应力，故最小主应力方向一般存在于横向。

土坝基础一般为土基，由于其上坝身的压力，其自身内部也会存在弱应力区，且水平分布与坝身相似（因为是坝身土柱压力直接引起的）。另外，由于坝基的灌浆压力最大，所以也可以将坝基一定深度范围内劈开，形成浆脉，从而增加劈裂灌浆的整体防渗效果。

1.3 浆、坝互压的作用机理

土坝坝体劈裂式灌浆的任务之一，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之内得到一定程度的压实。停灌以后，由于孔口压力的取消、泥浆的浓缩固结和泥浆压力逐渐减小，坝体则因其弹性恢复，与浆液形成互压，在压力下浆液会自然的向两侧渗透，从而在连续的防渗层的两侧形成一定厚度的渗透层，不但提高了防渗厚度和防渗能力，也提高了浆液渗透层的密实度。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。

1.4 泥浆的排水固结

泥浆本身的防渗性能在10-5cm/s～10-8cm/s间，所以虽然泥浆的固结时间很长（尤其是坝体下部的浆脉），但并不影响其防渗效果。

同时，当停止灌浆之后，孔口压力下降到零时，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。因下部泥浆受的压力较大，泥浆的固结硬化顺序是自上而下的，这也有利于尽早发挥浆体的截渗作用。

另外，在浆体的水平截面上，由于泥浆水分的排向坝体内而固结，因此其固结顺序是自外向内的，即靠近坝体的浆体部分先固结，然后向里固结，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也是有益的。

1.5 技术应用中需要注意的问题

在劈裂灌浆设计时应特别注意坝肩的布孔设计。在两侧坝肩进行劈裂灌浆施工时，一般遵照下列原则：先按纵轴线方向在坝轴线上下游各布置1排1序孔，并进行劈裂灌浆。灌浆过程中，为了使坝体顺利被劈开，一般布孔的孔距较小。在灌浆压力作用下，使浆液按布孔方向进行劈裂（如果未按布孔方向进行劈裂也没有关系），并进行充填，使该部位坝体的应力状态得到调整。然后继续施工中间坝段的灌浆。最后再在两侧坝肩处进行二次劈裂，此时就能保证浆脉的连续，以达到连续防渗的目的。因此，在两侧坝肩处一般布置3排灌浆孔，在坝轴线上下游侧各布置1排作为调整，坝轴线附近布置1排作为主孔，按上述原则进行施工。

2 鱼岭水库土坝劈裂灌浆实例分析

2.1 水库基本情况

鱼岭水库位于陕西省丹凤县，坝高50m，坝顶长210m，总库容1037m3,是一座以供水、灌溉为主，兼有发电、养殖功能的中型水库。大坝为粘土心墙土石坝，心墙高53.4m，顶宽3m，底宽20m，两侧边坡比1∶0.16。该水库于上世纪70年代建成，属典型的“三边工程”，存在严重的质量隐患，曾多次出险。根据资料，坝体渗漏严重，坝顶上、下游的堆石体与心墙之间出现过两条长150m的纵缝，缝宽达3cm。坝体填土干密度仅1.34g/cm3～1.58g/cm3。

针对险情，丹凤县水利局对大坝心墙进行了多次充填式灌浆处理，虽有一定效果，但大坝心墙的病险依然存在，未从根本上解除险情。后建议对其进行劈裂灌浆试验。

就上述资料分析，鱼岭水库大坝不断出险的原因：①是坝体处河谷为“V”型河谷，坝基在两侧坝肩处与河床段填土厚度差异大，沉陷差过大，拉断坝体，出现大量横缝；②是砂石坝壳沉陷量小，心墙沉陷量大，在心墙中出现拱效应，迫使心墙多层水平断开，形成不少空腔；③是心墙填土干密度太低，防渗效果难以达到水库运行要求，而仅靠自重沉陷固结来达到密实度标准需要的时间又太长。因此，实施充填灌浆对于填充坝体裂缝、孔洞是有益的。但是充填灌浆压力值偏小，只能填充钻孔所到部位的裂缝孔洞，对浆液周围坝体的填充十分有限，不能从根本上改善坝体内部的应力状态和防渗结构；且对提高心墙土体的干密度效果甚微，不可能在坝体内形成连续的防渗浆脉，因而不能解决鱼岭水库大坝心墙的抗渗和稳定问题。上述分析与在多次充填灌浆后进行勘测发现的情况也非常吻合。

2.2 具体劈裂灌浆设计

经确定由宝鸡市水管站对鱼岭水库大坝实施劈裂灌浆试验，具体设计与施工主要有以下内容。

2.2.1 灌浆设计的主要内容

（1）布孔。灌浆孔沿心墙轴线上游1.1m处单排布置，两序施工。河槽段孔距7.5m，岸坡段孔距为5m，孔深达坝底基岩（主要原因是考虑心墙顶宽较窄，在岸坡段没有布置多排孔的条件，于是减小孔距，以利形成连续浆脉。对有条件在岸坡段进行应力调整的，进行3排或多排布孔更趋合理）。

（2）浆体帷幕厚度。参照一般经验和设计水头，考虑其带有一定的试验性质，最后选定心墙的设计帷幕厚度为7.5cm。

（3）灌浆控制压力。根据“规范”附录公式计算，最大瞬时孔口灌浆压力严格控制在0.25MPa以内（否则可能由于孔下部压力太大而推开坝体，有失稳危险）。

（4）灌浆期坝体稳定。对在泥浆压力作用下的坝体稳定性按规范进行了复核。

2.2.2.灌浆效果

鱼岭水库坝高大于50m，又是窄心墙，实施劈裂式灌浆带有试验性和探索性，但从灌浆效果来看基本是成功的。劈裂灌浆总灌土量1569.4m3（自然方），心墙中形成的帷幕面积9120.7m2，浆脉计算平均厚度10.7cm。反复多次的灌浆工艺，不但加速了心墙的湿陷固结，充填了心墙的孔洞裂缝，而且通过多次浆坝互压，使幕墙两侧土体和心墙上游侧的“次土区”（风化岩土、粘性土掺合填筑区）得到充分挤密，形成一道宽5m～6m的浆液渗透区（对防渗能力的提高也有相当作用），达到了对心墙全面补强加固的目标。与前述理论分析非常吻合。

根据陕西省水电设计院在其2004年12月编制的《鱼岭水库大坝设计方案变更说明》，作了“大坝粘土心墙质量较好”的结论性描述，具体如下。

（1）裂缝情况。除在高程699.0m处发现局部细小裂缝外（注：地质报告压水试验值为2.9Lu，呈弱透水性），其它部位未发现新的裂缝。

（2）粘土心墙干密度和渗透性指标均较好。大坝心墙不同高程取土样测验的干密度最小值分别为1.56 g/cm、1.50 g/cm、1.57 g/cm，平均值分别为 1.64 g/cm、1.62 g/cm、1.62g/cm。测验的心墙土渗透系数均在10-5cm/s～10-6cm/s之间，说明加固后的心墙有较好的密实性。

（3）坝后渗水量明显减少，渗水坑范围缩小，水位降低，大坝运行正常。灌浆实践证明，劈裂灌浆具有在心墙形成垂直幕墙，堵塞心墙孔洞、裂隙，切断松散夹层渗水通道，提高心墙防渗抗渗能力和变形稳定性等特点，可以达到对心墙全面补强加固的目的。由于鱼岭水库大坝心墙原施工质量太差，劈裂灌浆中出现过大的深陷、水平位移，这是坝体心墙湿陷固结、挤压过程中出现的正常现象，表面看起来是坏事，实际正是劈裂灌浆比普通充填灌浆工艺明显优势的具体表现。

3 结论

劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，虽然是较新的技术，但已经被广泛的运用于堤防和病险水库的加固。而在实施过程中，除应按照劈裂灌浆的理论因地制宜地进行设计外，还应注意施工工艺，最好请专业的队伍进行施工，以保证灌浆的质量，进而达到设计预期的效果。陕西水利