土石坝坝体灌浆劈裂与水力劈裂的机理研究

2011-04-17王学武党发宁

中国水能及电气化 2011年9期

王学武，党发宁

（1.西安理工大学水利水电学院,西安 710048；2.山西省水利水电工程建设监理公司,太原 030002）

劈裂灌浆是土石坝防渗技术措施，在水利工程尤其是土石坝的除险加固工程中得到了广泛的应用，灌浆劈裂的机理值得探讨。水力劈裂是由于水压力的抬高引起土石坝坝体中缺陷裂缝扩张的一种物理现象[2]，它能够造成防渗体的防渗失效，严重威胁大坝的安全与稳定，是高心墙土石坝工程设计中亟需解决的问题之一。心墙的水力劈裂问题非常复杂，其发生条件并不十分清楚，其机理研究有的从受力变形的角度应用圆孔扩张理论、拉裂破坏理论进行研究[2-4]，有的从断裂力学的角度进行研究[5,6]。本文从发生机理、变形机理和力学机理方面对灌浆劈裂和水力劈裂进行比较研究。

1 发生机理分析

1.1 水力劈裂的发生机理

1）土坝心墙上游面裂缝是发生水力劈裂的重要内部条件。心墙防渗体是非均质材料，在施工期分层铺筑碾压过程中，各碾压层之间以及同一碾压层的不同施工区段之间都有可能因为碾压不均匀而形成裂缝，而且施工环境条件（如温度、湿度等）的变化也有助于这种裂缝的形成。

防渗体在施工期和竣工后，由于材料特性（如应力松弛及蠕变、固结沉降等）、填筑质量和地质因素等原因均有可能引起不均匀沉降，这种不均匀沉降及其引起的应力重分布可能会使防渗体形成裂缝。比如，对于心墙土石坝，坝壳砂砾料和防渗心墙粘土料同时施工，施工期内土体心墙和砂砾坝壳均在发生固结沉降，由于心墙土料固结沉降慢，坝壳砂砾料固结沉降快，在接触面处坝壳挤压防渗心墙，可能使防渗心墙在接触面产生水平裂缝；竣工后，坝壳料固结沉降已基本完成，而心墙土料的固结沉降还在进行，在接触面处坝壳挤压防渗心墙，也可能使防渗心墙在接触面产生水平裂缝。这就是所称的拱效应[7]。

为了叙述方便，本文将上述裂缝统称为缺陷裂缝。缺陷裂缝有可能形成于防渗体表面处，也有可能形成于防渗体内部。形成于心墙上游表面处的缺陷裂缝往往是造成防渗心墙水力劈裂的重要内部条件。另外，需要指出的是，对于粘土心墙土石坝，坝体越高，拱效应越明显，越容易发生防渗心墙水力劈裂，因此水力劈裂是高心墙土石坝面临的重要研究课题之一。

2）快速蓄水是防渗心墙发生水力劈裂的重要外部条件。水力劈裂是否发生与水力梯度大小密切相关。当库水位缓慢上升时，随着水位的上升，粘土心墙内形成了稳定渗流，即使心墙上游面存在缺陷裂缝，由于裂缝附近土体内外的水力梯度不大，渗透力也不大，一般不会发生水力劈裂。但是，当库水位快速上升时，稳定渗流还未形成，如果心墙上游面存在缺陷裂缝，由于此时裂缝附近土体内外的水力梯度很大，渗透力也很大，这样发生水力劈裂的可能性就大大增加了。

1.2 灌浆劈裂的发生机理

灌浆劈裂是沿土坝坝体轴线方向布置灌浆孔，通过注浆加压，使坝体沿轴线方向发生挤密—拉裂—断裂发展，最终沿轴线方向有控制地劈裂成缝，注入的浆液此时充满裂缝并在固结后形成连续的垂直防渗帷幕。通过浆液的挤压作用，还可提高防渗帷幕上下游范围的坝体质量。灌浆劈裂的程度仅与注浆压力大小有关，而与 “注浆速率”无关。

2 变形机理分析

2.1 灌浆劈裂的变形机理

土坝劈裂灌浆从孔内注浆加压到劈裂成缝的时间虽然不长，但通过对灌浆劈裂过程的变形分析仍可分为土体挤密、土体拉裂和土体断裂发展三个阶段。灌浆开始后，首先发生土体挤密。注浆孔内随着灌浆压力的增加，浆液不断挤压周围的土体，使周围土体的密实度提高，圆孔孔径随之扩大，孔周土体以注浆孔为中心形成三个区域：压缩区、塑性挤密区和弹性区,如图1所示。

当土体挤密到一定程度后，土体变形进入第二阶段，发生土体拉裂。挤密后的孔周土体在孔内灌浆压力不断增大的情况下，当圆孔切向拉应力σ3超过土体的抗拉强度时，孔周土体沿切向发生拉裂，裂缝首先产生于最小主应力作用平面（即坝轴线方向），然后向孔两侧方向发展，土体变形进入第三阶段。

把第二阶段土体拉裂和第三阶段土体断裂发展区分开主要是由于二者的力学机理不同，前者是孔内灌浆压力作用下的土体沿圆孔切向拉裂问题，后者是裂缝扩展的断裂力学问题。灌浆劈裂通过前面两个阶段使土体发生了裂缝，为第三阶段的土体断裂发展创造了条件。进入第三阶段后，裂缝在缝内浆液的作用下变宽、扩展。土坝的灌浆劈裂可视为一维的断裂力学问题，即浆液作用于裂缝上、下表面而使裂缝发展的Ⅰ型线弹性断裂。

这里需要简述一下水楔作用原理[2，11]。在裂缝尖端上、下表面各取一个单元，如图2所示。当浆液传到裂缝尖端时，单元1只有底面有水压力，其他三面都没有水压力，且底面水压力很大，接近孔内浆液压力。当ab面上的水压力超过了该面上的正应力时，必然使该单元压缩并向上位移（实际上，即使水压力没有超过该面上的正应力，只要施加水压力，单元也会产生压缩和位移）。单元2的情况与此相似，只是它向下产生压缩和位移。这样ab面向上位移、gh面向下位移，使裂缝进一步劈裂发展，这就是水楔作用原理。

2.2 水力劈裂的变形机理

心墙水力劈裂过程只有土体断裂发展一个阶段，是在心墙土体已有缺陷裂缝基础上发生的Ⅰ型线弹性断裂。如果没有缺陷裂缝的存在，心墙土体是不会发生水力劈裂的。

由此可见，灌浆劈裂除了和水力劈裂均有土体断裂发展阶段外，还具有水力劈裂所没有的土体挤密阶段和土体拉裂阶段，因而其变形机理更复杂。

3 力学机理分析

3.1 灌浆劈裂的力学机理

1）扩孔挤密阶段

灌浆劈裂过程中，随着孔内浆液压力的增大，孔周土体被挤密，出现了扩孔效应，最终使得塑性区厚度由开始的 “压缩区厚度+挤密区厚度”减少为 “挤密区厚度” （即压缩区的厚度被压缩为零），如图2所示。在此过程中，塑性区土体的密度变大，变形模量增大。文献 [3]将扩孔挤密阶段土体的应力-应变关系用简化的应变软化模型表示，并把塑性区分为流动区和软化区。本文认为采用简化的应变硬化型应力-应变弹塑性模型更能反映土体挤密过程的实际情况，如图3所示。因为土体的扩孔挤密过程是径向压剪破坏和切向拉裂破坏的组合过程，土体的抗拉强度远低于抗压强度，土体不会等到压剪破坏后再发生拉裂破坏，事实上土体被压剪到一定程度但还没有达到其极限抗剪强度时就已经发生了拉裂破坏，因此，应变软化实际是不存在的，应变硬化型应力-应变弹塑性模型比较符合实际情况。根据弹塑性理论可求出弹性区半径、压缩区半径和挤密区厚度。

2）拉裂阶段

拉裂阶段的孔周土体承受径向的压剪应力和切向的拉应力，因土体的抗拉强度远低于抗剪强度，土体拉裂受拉应力控制。

如图4所示，灌浆劈裂孔壁面切线方向拉应力为[1]：

式中：θ——主应力σ2方向的偏角；

σS——土体的极限抗拉强度；

p——孔内浆液压力。

当θ=0时σT为最小值，当σS=σT时土体开始拉裂，由上式可得灌浆孔的起始劈裂压力：

3）断裂发展阶段

断裂发展阶段是土体裂缝的进一步延伸阶段，在σ2、σ3作用平面内发生的裂缝扩展，可认为是穿透型裂缝考虑了裂缝尖端塑性区后的Ⅰ型线弹性断裂，因为土体抗拉强度低，在拉裂扩张过程中，裂缝尖端塑性区尺寸不大，这样处理比较符合灌浆劈裂的实际情况。假定σ1作用平面为无限大平面，裂缝上、下表面受均匀拉伸力作用，如图5所示。

以平面应变状态为例[10]，应力强度因子为：

当KI≥KIC时心墙土体发生断裂。

式中：KIC——材料的平面应变断裂韧度（材料常数）；

σS——土体单向拉伸时的屈服极限值；

σ——孔壁的浆液压应力值；

2a——裂纹长度。

上述三个阶段可以起始劈裂压力值为界进行划分：当灌浆压力小于起始劈裂压力值时，孔内灌浆压力持续升高，属于扩孔挤密阶段；灌浆压力等于起始劈裂压力值时，孔周土体发生拉裂，属于拉裂阶段；灌浆压力大于起始劈裂压力值时，孔周土体发生断裂形成裂缝，裂缝在浆液作用下迅速延伸扩展，此时孔内灌浆压力开始降低，属于断裂发展阶段。

当灌浆劈裂发生坝顶劈裂冒浆时，灌浆压力迅速减小，断裂强度因子KI也迅速变小，当KI≥KIC时，裂缝止裂不再扩展。至于随后进行的间歇性复灌，属于充填灌浆的范畴，不是劈裂问题。