劈裂灌浆技术在高塘水库中的应用

王丹志 汪洁晶 于际凯 马路兴 杨佳慧

（1.徐州市水利建筑设计研究院有限公司 徐州 221002 2.盐城市水利勘测设计研究院有限公司 盐城224600）

1 工程概况

高塘水库为一中型水库，大坝为20世纪50年代施工的均质土坝，以重壤土、粉质壤土为主，局部坝段混有较多风化岩碎屑，容重17.3～21.1kN/m3，Cq、θq分 别 为13～40kPa、11°～27°，Ccu、θcu分别为25～51kPa、2°～18°；坝基为重壤土，容重18.3～20.8kN/m3，Cq、θq分别为12～30kPa、9°～20°，Ccu、θcu分别为15～37kPa、9°～18°。坝长5300m，最大坝高13.0m，蓄水后坝体出现多处裂缝、坡面塌陷，虽经加固处理仍存在密实性差、浸润线过高、局部坝段坡面渗水、背水坝坡下长期渗水、积水，大沙河老河床坝段渗漏严重等问题，针对以上问题坝体加固选用劈裂灌浆方案。

2 劈裂灌浆原理

劈裂灌浆是根据最小主应力面平行于坝轴线，施加于沿坝轴线布置的灌浆孔孔口压力值，大于岩土体的起始劈裂压力而产生劈裂，控制单孔最大压力和屈服压力，在回弹压力的作用下灌入岩土体中的浆液析水固结，使所有与浆缝连通的洞穴、裂缝和软弱夹层等一些坝体隐患，均能得到浆液的充填、挤密、压实，形成一道垂直的防渗帷幕，从而提高堤坝稳定性的一项技术。劈裂灌浆设计有两个控制目标：一是通过恰好的灌浆压力设计在坝体内产生理想的裂缝，而且变形在允许范围之内；二是灌浆完成后土体仍有较好的回弹力，裂缝闭合性好，浆液固结快。二者均受控于坝的初始应力状态和灌浆压力，因此，坝体的应力应变分析是灌浆设计的理论基础。

2.1 堤坝初始应力分布

堤坝的形态一般为相对规则的梯形，三个主应力相互垂直，小主应力作用面沿轴线分布，变形为平面应变。土坝的垂直应力σ1（大主应力）与垂直坝轴线应力σ3（小主应力）的关系：

式中：ki为岩土的侧压力系数；h为土体厚度；r为土体重度。

根据坝体的受力情况，沿坝轴线布孔，利用水利劈裂原理，泥浆很容易将坝体劈开。

2.2 劈裂机理分析

灌浆的整个应力演化过程可分压密、劈裂、回弹三个阶段。初始应力积累段、对应的是挤密变形，当压力到达堤坝土体抗劈裂强度峰值点时，该点为起始劈裂的临界点，相对应的压力为起始劈裂压力。土体劈裂后，灌浆压力遂即出现跌落，其应力损失大致与土的抗拉强度等值。整个注浆过程为弹性屈服过程，在这个过程中主脉裂缝形成、发展，坝体变形受控于灌浆压力。随着裂缝形成扩展，灌浆压力稳定为弹性屈服状态。

2.2.1 起始劈裂压力

根据浆液在注浆孔中一点的灌浆压力等于岩土体在该点的抗劈力，得到使该点产生劈裂的孔口压力表读数ΔP1：

令P=P1，可得：

式中：P为注浆孔中某点的灌浆压力；γ′为浆液重度；h为浆液液柱高度；σt为土体单轴抗拉强度；Ph为浆液流动时产生的摩阻力，实际应用时可忽略。

当孔口压力表读数满足式（5）时，坝体即被劈裂。

2.2.2 单孔最大压力

2.2.3 屈服压力

3 劈裂灌浆

3.1 劈裂灌浆设计

灌浆孔沿坝顶中心线单排布设，钻孔深度进入坝基壤土层不小于1.5m，孔间距3.0m，钻孔直径100mm，在大坝转折段，大坝填土混有较多的紫褐色风化岩碎屑，总体上坝体土质不甚均匀，透水性在垂向和纵向上差异显著，离散性较大，土质极为松软，因此对此段坝体劈裂灌浆孔进行加密处理，设计灌浆孔间距2.5m，并适当调减灌浆压力，以免产生与坝轴线斜交的裂缝。

灌浆材料为黏土-水泥浆，根据灌浆规范相关要求，灌浆土料选料见表1。

表1 灌浆土料指标表

设计浆液容重15kN/m3，固结浆脉干容重15kN/m3，渗透系数10-7cm/s，设计帷幕厚度10～15cm。起始劈裂压力据式（5）计算为22.1kPa，孔口最大压力据式（6）为33.2kPa，屈服压力据式（7）计算为16.4kPa。

3.2 劈裂灌浆施工

（1）造孔前，先构制沿坝轴线开挖深约1.0m，宽约0.5m，并用黏土回填夯实的阻浆盖。成孔按照先疏后密的顺序分序钻进，偏斜度要求不大于孔深的2%，要用干法造孔，不得用清水循环钻进。

（2）制浆要采用搅拌机湿法的专用机械制浆，成浆后，先清除大颗粒和杂物，然后再通过35孔/cm2过滤筛，控制密度一般在1.2～1.7g/cm3。开始先用稀浆灌注劈裂土体，然后改用浓浆，密度达到1.5～1.6g/cm3，封孔时大于1.7g/cm3。

（3）灌浆采用分序和“少灌多复”，即一次灌浆量要少，重复灌浆次数要多，每孔灌浆次数应在5次以上，注浆管下至距孔底0.5～1.0m处，自下而上分段灌浆，并在射浆管上部或孔口设置一道防止浆液上返的止浆设施，以便浆液从孔底处压入坝体。灌浆量达到要求时，提升注浆管1～2m，但最后留下的注浆管长度不宜太短。

（4）终灌根据《土坝灌浆技术规范》（SL564-2014）：①连续复灌三次不再吃浆。②坝顶连续三次冒浆，或连续三次超过控制压力、位移和裂缝宽度。③每孔灌浆次数和灌浆量达到或超过设计数量，满足以上情况时结束灌浆。

4 结论

在施工完成后第三年，对高塘水库除险加固工程劈裂灌浆防渗效果进行注水试验检测，完成注水孔6个，沿坝轴线布孔，进尺48.0m，注水试验12段次，标准贯入试验34次，经计算分析后，结论为现场注水试验渗透系数为2.17×10-6～9.17×10-5cm/s，具微-弱透水性。结论表明，满足设计要求。该加固工程取得良好效果，已安全运行至今■