程麗榮

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710018）

1 劈裂灌漿技術(shù)理論分析

劈裂式灌漿是一種運(yùn)用壩體內(nèi)自身應(yīng)力分布規(guī)律，用一定的灌漿壓力，將壩體沿某一特定方向（對(duì)土壩或者堤防而言，一般是壩軸線方向）劈裂，同時(shí)灌注適合工程加固要求的泥漿，形成鉛直連續(xù)的防滲泥墻的壩體（主要用于防滲）加固技術(shù)。由于其灌漿壓力較一般充填式灌漿大，從而可以更有效的堵塞漏洞、裂縫或切斷軟弱層，以提高壩體的防滲能力和壩體填筑的密實(shí)度，同時(shí)通過漿、壩互壓和濕陷，使壩體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，提高壩體變形穩(wěn)定性。另外，由于壩體對(duì)壩基的作用，壩基的應(yīng)力分布也會(huì)具備與壩體相似的規(guī)律（當(dāng)然是在一定深度范圍內(nèi)），從而在其應(yīng)力影響范圍內(nèi)，也可達(dá)到將壩基劈裂，提高壩基防滲能力和壩基密實(shí)度等作用。

1.1 劈裂灌漿技術(shù)可灌性的初步分析

對(duì)于土壩，一般為梯形斷面，在自重作用下，在橫向由于其高度不同，導(dǎo)致沿其縱軸線附近（壩頂或心墻頂寬范圍內(nèi)）一般是最小主應(yīng)力面?；蛘哒f，一般情況下，在壩頂寬度范圍或心墻頂寬范圍內(nèi)的土層本身就受有兩側(cè)土體向兩邊的拉力（具體見下述“漿脈厚度一般規(guī)律”分析），一般這個(gè)拉力不能導(dǎo)致土體的拉裂（土體的這種狀態(tài)被稱為弱應(yīng)力狀態(tài)），一旦沿這個(gè)方向進(jìn)行壓力灌漿，將會(huì)導(dǎo)致其劈開。因此，均質(zhì)土壩、心墻粘性土等等都是可灌的，其可灌性決定于壓力泥漿對(duì)它的劈裂程度和心墻粘土被壓縮變形的大小。灌漿壓力對(duì)壩體劈開的方向、長短和寬度，決定于原壩體的應(yīng)力分布和大小。在灌漿壓力作用下，壩體總是沿其最薄弱面（最小主應(yīng)力作用面）劈開。因此，按照壩體的一般應(yīng)力分布規(guī)律，通過合理的灌漿工藝，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體有計(jì)劃的劈裂，以達(dá)到消除隱患、穩(wěn)定壩體的目的。

1.2 防滲漿脈厚度的一般規(guī)律

所謂防滲漿脈即劈裂后，沿劈裂面形成的起防滲作用的漿脈厚度。要找到防滲漿脈厚度的一般規(guī)律，首先應(yīng)從理論上分析土壩壩體體型的最小主應(yīng)力面。由于土壩、心墻等均為兩側(cè)帶有一定坡比的分層填筑體，取一般的壩體作為模型。在壩體的深度方向?yàn)榈厍驎r(shí)，幾乎可以認(rèn)為是無限遠(yuǎn)，故該方向應(yīng)力最大，為第一主應(yīng)力；沿壩體縱軸線方向比橫向要長的多，所以該方向應(yīng)力為第二主應(yīng)力，故最小主應(yīng)力方向一般存在于橫向。

土壩基礎(chǔ)一般為土基，由于其上壩身的壓力，其自身內(nèi)部也會(huì)存在弱應(yīng)力區(qū)，且水平分布與壩身相似（因?yàn)槭菈紊硗林鶋毫χ苯右鸬模Ａ硗?，由于壩基的灌漿壓力最大，所以也可以將壩基一定深度范圍內(nèi)劈開，形成漿脈，從而增加劈裂灌漿的整體防滲效果。

1.3 漿、壩互壓的作用機(jī)理

土壩壩體劈裂式灌漿的任務(wù)之一，就是在允許的范圍內(nèi)盡量增大灌漿壓力，使原來較為疏松的土體在某個(gè)范圍之內(nèi)得到一定程度的壓實(shí)。停灌以后，由于孔口壓力的取消、泥漿的濃縮固結(jié)和泥漿壓力逐漸減小，壩體則因其彈性恢復(fù)，與漿液形成互壓，在壓力下漿液會(huì)自然的向兩側(cè)滲透，從而在連續(xù)的防滲層的兩側(cè)形成一定厚度的滲透層，不但提高了防滲厚度和防滲能力，也提高了漿液滲透層的密實(shí)度。此外，通過灌漿壓力和土的濕化變形，使壩體內(nèi)部的應(yīng)力再分配，由應(yīng)力的不均衡趨向均衡，從而使壩體達(dá)到變形穩(wěn)定的目的。

1.4 泥漿的排水固結(jié)

泥漿本身的防滲性能在10-5cm/s～10-8cm/s間，所以雖然泥漿的固結(jié)時(shí)間很長（尤其是壩體下部的漿脈），但并不影響其防滲效果。

同時(shí)，當(dāng)停止灌漿之后，孔口壓力下降到零時(shí)，泥漿中孔隙壓力等于泥漿柱壓力。當(dāng)泥漿的析水完成后，漿體的孔隙壓力將逐漸小于泥柱壓力。此時(shí)，漿體由析水濃縮階段進(jìn)入排水固結(jié)階段。因下部泥漿受的壓力較大，泥漿的固結(jié)硬化順序是自上而下的，這也有利于盡早發(fā)揮漿體的截滲作用。

另外，在漿體的水平截面上，由于泥漿水分的排向壩體內(nèi)而固結(jié)，因此其固結(jié)順序是自外向內(nèi)的，即靠近壩體的漿體部分先固結(jié)，然后向里固結(jié)，漿體的中心部分最后固結(jié)。這對(duì)于盡早發(fā)揮漿體的阻水作用，提高漿體的防滲能力也是有益的。

1.5 技術(shù)應(yīng)用中需要注意的問題

在劈裂灌漿設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意壩肩的布孔設(shè)計(jì)。在兩側(cè)壩肩進(jìn)行劈裂灌漿施工時(shí)，一般遵照下列原則：先按縱軸線方向在壩軸線上下游各布置1排1序孔，并進(jìn)行劈裂灌漿。灌漿過程中，為了使壩體順利被劈開，一般布孔的孔距較小。在灌漿壓力作用下，使?jié){液按布孔方向進(jìn)行劈裂（如果未按布孔方向進(jìn)行劈裂也沒有關(guān)系），并進(jìn)行充填，使該部位壩體的應(yīng)力狀態(tài)得到調(diào)整。然后繼續(xù)施工中間壩段的灌漿。最后再在兩側(cè)壩肩處進(jìn)行二次劈裂，此時(shí)就能保證漿脈的連續(xù)，以達(dá)到連續(xù)防滲的目的。因此，在兩側(cè)壩肩處一般布置3排灌漿孔，在壩軸線上下游側(cè)各布置1排作為調(diào)整，壩軸線附近布置1排作為主孔，按上述原則進(jìn)行施工。

2 魚嶺水庫土壩劈裂灌漿實(shí)例分析

2.1 水庫基本情況

魚嶺水庫位于陜西省丹鳳縣，壩高50m，壩頂長210m，總庫容1037m3,是一座以供水、灌溉為主，兼有發(fā)電、養(yǎng)殖功能的中型水庫。大壩為粘土心墻土石壩，心墻高53.4m，頂寬3m，底寬20m，兩側(cè)邊坡比1∶0.16。該水庫于上世紀(jì)70年代建成，屬典型的“三邊工程”，存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患，曾多次出險(xiǎn)。根據(jù)資料，壩體滲漏嚴(yán)重，壩頂上、下游的堆石體與心墻之間出現(xiàn)過兩條長150m的縱縫，縫寬達(dá)3cm。壩體填土干密度僅1.34g/cm3～1.58g/cm3。

針對(duì)險(xiǎn)情，丹鳳縣水利局對(duì)大壩心墻進(jìn)行了多次充填式灌漿處理，雖有一定效果，但大壩心墻的病險(xiǎn)依然存在，未從根本上解除險(xiǎn)情。后建議對(duì)其進(jìn)行劈裂灌漿試驗(yàn)。

就上述資料分析，魚嶺水庫大壩不斷出險(xiǎn)的原因：①是壩體處河谷為“V”型河谷，壩基在兩側(cè)壩肩處與河床段填土厚度差異大，沉陷差過大，拉斷壩體，出現(xiàn)大量橫縫；②是砂石壩殼沉陷量小，心墻沉陷量大，在心墻中出現(xiàn)拱效應(yīng)，迫使心墻多層水平斷開，形成不少空腔；③是心墻填土干密度太低，防滲效果難以達(dá)到水庫運(yùn)行要求，而僅靠自重沉陷固結(jié)來達(dá)到密實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)需要的時(shí)間又太長。因此，實(shí)施充填灌漿對(duì)于填充壩體裂縫、孔洞是有益的。但是充填灌漿壓力值偏小，只能填充鉆孔所到部位的裂縫孔洞，對(duì)漿液周圍壩體的填充十分有限，不能從根本上改善壩體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)和防滲結(jié)構(gòu)；且對(duì)提高心墻土體的干密度效果甚微，不可能在壩體內(nèi)形成連續(xù)的防滲漿脈，因而不能解決魚嶺水庫大壩心墻的抗?jié)B和穩(wěn)定問題。上述分析與在多次充填灌漿后進(jìn)行勘測(cè)發(fā)現(xiàn)的情況也非常吻合。

2.2 具體劈裂灌漿設(shè)計(jì)

經(jīng)確定由寶雞市水管站對(duì)魚嶺水庫大壩實(shí)施劈裂灌漿試驗(yàn)，具體設(shè)計(jì)與施工主要有以下內(nèi)容。

2.2.1 灌漿設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

（1）布孔。灌漿孔沿心墻軸線上游1.1m處單排布置，兩序施工。河槽段孔距7.5m，岸坡段孔距為5m，孔深達(dá)壩底基巖（主要原因是考慮心墻頂寬較窄，在岸坡段沒有布置多排孔的條件，于是減小孔距，以利形成連續(xù)漿脈。對(duì)有條件在岸坡段進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整的，進(jìn)行3排或多排布孔更趨合理）。

（2）漿體帷幕厚度。參照一般經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)水頭，考慮其帶有一定的試驗(yàn)性質(zhì)，最后選定心墻的設(shè)計(jì)帷幕厚度為7.5cm。

（3）灌漿控制壓力。根據(jù)“規(guī)范”附錄公式計(jì)算，最大瞬時(shí)孔口灌漿壓力嚴(yán)格控制在0.25MPa以內(nèi)（否則可能由于孔下部壓力太大而推開壩體，有失穩(wěn)危險(xiǎn)）。

（4）灌漿期壩體穩(wěn)定。對(duì)在泥漿壓力作用下的壩體穩(wěn)定性按規(guī)范進(jìn)行了復(fù)核。

2.2.2.灌漿效果

魚嶺水庫壩高大于50m，又是窄心墻，實(shí)施劈裂式灌漿帶有試驗(yàn)性和探索性，但從灌漿效果來看基本是成功的。劈裂灌漿總灌土量1569.4m3（自然方），心墻中形成的帷幕面積9120.7m2，漿脈計(jì)算平均厚度10.7cm。反復(fù)多次的灌漿工藝，不但加速了心墻的濕陷固結(jié)，充填了心墻的孔洞裂縫，而且通過多次漿壩互壓，使幕墻兩側(cè)土體和心墻上游側(cè)的“次土區(qū)”（風(fēng)化巖土、粘性土摻合填筑區(qū)）得到充分?jǐn)D密，形成一道寬5m～6m的漿液滲透區(qū)（對(duì)防滲能力的提高也有相當(dāng)作用），達(dá)到了對(duì)心墻全面補(bǔ)強(qiáng)加固的目標(biāo)。與前述理論分析非常吻合。

根據(jù)陜西省水電設(shè)計(jì)院在其2004年12月編制的《魚嶺水庫大壩設(shè)計(jì)方案變更說明》，作了“大壩粘土心墻質(zhì)量較好”的結(jié)論性描述，具體如下。

（1）裂縫情況。除在高程699.0m處發(fā)現(xiàn)局部細(xì)小裂縫外（注：地質(zhì)報(bào)告壓水試驗(yàn)值為2.9Lu，呈弱透水性），其它部位未發(fā)現(xiàn)新的裂縫。

（2）粘土心墻干密度和滲透性指標(biāo)均較好。大壩心墻不同高程取土樣測(cè)驗(yàn)的干密度最小值分別為1.56 g/cm、1.50 g/cm、1.57 g/cm，平均值分別為 1.64 g/cm、1.62 g/cm、1.62g/cm。測(cè)驗(yàn)的心墻土滲透系數(shù)均在10-5cm/s～10-6cm/s之間，說明加固后的心墻有較好的密實(shí)性。

（3）壩后滲水量明顯減少，滲水坑范圍縮小，水位降低，大壩運(yùn)行正常。灌漿實(shí)踐證明，劈裂灌漿具有在心墻形成垂直幕墻，堵塞心墻孔洞、裂隙，切斷松散夾層滲水通道，提高心墻防滲抗?jié)B能力和變形穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可以達(dá)到對(duì)心墻全面補(bǔ)強(qiáng)加固的目的。由于魚嶺水庫大壩心墻原施工質(zhì)量太差，劈裂灌漿中出現(xiàn)過大的深陷、水平位移，這是壩體心墻濕陷固結(jié)、擠壓過程中出現(xiàn)的正?，F(xiàn)象，表面看起來是壞事，實(shí)際正是劈裂灌漿比普通充填灌漿工藝明顯優(yōu)勢(shì)的具體表現(xiàn)。

3 結(jié)論

劈裂式灌漿技術(shù)在土壩壩體除險(xiǎn)加固中具有投資小、見效快、設(shè)備和技術(shù)簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，雖然是較新的技術(shù)，但已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用于堤防和病險(xiǎn)水庫的加固。而在實(shí)施過程中，除應(yīng)按照劈裂灌漿的理論因地制宜地進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還應(yīng)注意施工工藝，最好請(qǐng)專業(yè)的隊(duì)伍進(jìn)行施工，以保證灌漿的質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。陜西水利