曾 云

（江西省贛西土木工程勘測設(shè)計(jì)院，江西 宜春 336000）

水庫土壩是水利工程中一種常見的壩體結(jié)構(gòu)，其具有成本低廉、施工簡便的優(yōu)勢，深受相關(guān)領(lǐng)域人員的青睞，但是因?yàn)橘|(zhì)地問題，土壩的綜合質(zhì)量是無法與混凝土等其他壩體相互比較的，尤其滲漏現(xiàn)象發(fā)生的概率位居所有壩體中的首位。為了盡可能減少滲漏情況的發(fā)生，現(xiàn)代許多工程單位都開始重視土壩加固技術(shù)的應(yīng)用，其中就包括了劈裂灌漿技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)作用于土壩的內(nèi)部，能夠徹底改變土壩滲漏點(diǎn)的質(zhì)量，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 現(xiàn)代劈裂灌漿技術(shù)水平分析

劈裂灌漿在我國早期水利加固工程中的應(yīng)用主要是針對黃河大堤的加固，在當(dāng)時(shí)主要采用鋼纖探測方法對黃河大堤的原有隱患進(jìn)行分析，之后人工打開隱患點(diǎn)，并對隱患點(diǎn)進(jìn)行灌漿作業(yè)，這種加固方式就是劈裂灌漿的雛形。實(shí)踐表明，雛形階段的劈裂灌漿已經(jīng)具備良好的加固效果。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸掌握了灌注泥漿劈裂壩體的規(guī)律，總結(jié)出了劈裂灌漿與最早期的人工灌漿方法的區(qū)別。具體來說，劈裂灌漿會針對壩體滲漏或其他質(zhì)量問題而發(fā)揮作用的，并不是單純的加強(qiáng)壩體局部或者整體的質(zhì)量[1]。

就原理來看，主要是結(jié)合壩體小主應(yīng)力分布的規(guī)律，按照水利劈裂原理進(jìn)行開孔，并利用灌漿壓力控制設(shè)備，有效控制劈裂力度，以更好地完成劈裂空間內(nèi)部灌漿。當(dāng)液態(tài)的漿液進(jìn)入劈裂空間后，會延著空間內(nèi)部下流，直至填滿所有孔洞，從而達(dá)到增加壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度的目的，起到良好的防滲作用[2]。

雖然，劈裂灌漿在壩體防滲加固工程中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但仍然存在一些不足，主要表現(xiàn)在灌漿軸線布置、復(fù)灌時(shí)間的不確定；漿液效果計(jì)算不精準(zhǔn)等方面[3]。

2 水庫土壩劈裂灌漿加固機(jī)理

劈裂灌漿所產(chǎn)生的作用與土壩之間有密切聯(lián)系，但在歸類上大多都屬于力學(xué)范疇，其機(jī)理也存在不同的表現(xiàn)形式。下文將針對劈裂灌漿作用的不同機(jī)理展開討論。

2.1 水力劈裂

水力劈裂機(jī)理是指在強(qiáng)大的水體壓力作用下，壩體會產(chǎn)生裂縫并且裂縫不斷擴(kuò)大的力學(xué)現(xiàn)象。從理論角度講，如果產(chǎn)生裂縫的主體是無限大的，水力劈裂機(jī)理會使得裂縫無限擴(kuò)大，但實(shí)際中，當(dāng)裂縫達(dá)到一定極限之后，壩體的應(yīng)力結(jié)構(gòu)將無法對等，從而導(dǎo)致決堤等現(xiàn)象。此時(shí)就要求劈裂灌漿產(chǎn)生的機(jī)理作用能夠抵抗水利劈裂機(jī)理的作用形態(tài)，保障灌漿結(jié)構(gòu)不會輕易被破壞，而要實(shí)現(xiàn)此目的就必須經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算，具體計(jì)算方法如下文所述。

假設(shè)水力沖壓力給壩體裂縫造成的應(yīng)力為P，那么在介質(zhì)初始應(yīng)力為0 的條件下，當(dāng)介質(zhì)抗拉強(qiáng)度ai 大于P，就會導(dǎo)致壩體被劈裂。當(dāng)介質(zhì)初始應(yīng)力的拉應(yīng)力為a 時(shí)，P≥a+ai 壩體就會被劈裂；P+a≥ai 也可以劈裂[4]。圖1 為水力劈裂原理示意圖。

圖1 水力劈裂原理示意圖

2.2 泥漿劈裂填充機(jī)理

在劈裂灌漿工作中，主要作業(yè)部分在于泥漿漿液，如果給泥漿漿液施加較高的沖擊力，那么就很容易能夠劈裂壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使泥漿漿液能夠順利流入裂縫孔隙當(dāng)中，增強(qiáng)壩體密實(shí)度，實(shí)現(xiàn)防滲功能。另外，由于在實(shí)際施工當(dāng)中，壩體孔隙較多，單次的泥漿劈裂填充并不能滿足整體需要，所以填充需要多次反復(fù)進(jìn)行，這樣不僅僅可以使泥漿填充所有裂縫空隙，還能夠?qū)σ呀?jīng)流入孔隙中的泥漿進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)一步增強(qiáng)劈裂灌漿的能效性。圖2 為泥漿劈裂灌漿示意圖。

圖2 泥漿劈裂灌漿示意圖

2.3 濕陷機(jī)理

泥漿是一種土與水的混合體，介于水的溶解能力以及配比控制，才能形成液態(tài)的泥漿。劈裂灌漿過程中，當(dāng)液態(tài)泥漿進(jìn)入到壩體內(nèi)部之后，隨之就會將其中的水分也帶入其中，此時(shí)水在與壩體原土體接觸之后，就會造成濕陷作用。所謂的濕陷作用是指土體遇水之后發(fā)生的變化，具體包括軟化、下陷等，作用程度主要取決于土體的質(zhì)量與性質(zhì)。對土壩壩體而言，濕陷作用是有利于的，特別在劈裂灌漿作用下，能夠增加土體的密實(shí)性、抗變形穩(wěn)定性，同時(shí)還能減少應(yīng)力不足區(qū)域的范圍。另外，濕陷現(xiàn)象還可以體現(xiàn)劈裂灌漿工作的進(jìn)度，在劈裂灌漿的初始階段，由于土體孔隙率較大，起初的濕陷程度也較大，之后隨著劈裂灌漿量的增加，濕陷程度會逐漸變小，當(dāng)濕陷程度降低到一個(gè)微小的程度時(shí)，就說明劈裂灌漿已基本完成，這也屬于濕陷機(jī)理的一種表現(xiàn)。圖3 為濕陷例圖。

圖3 濕陷例圖

2.4 能量調(diào)整與轉(zhuǎn)換

部分滲漏現(xiàn)象的形成過程十分漫長，其原因在于土壩土體不斷受到水力沖壓力侵?jǐn)_，部分土體結(jié)構(gòu)會發(fā)生細(xì)微的位移或者形變，長年累月，這種細(xì)紋的變化會不斷擴(kuò)大，當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)之后，就會出現(xiàn)局部塌陷現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生裂縫。這種現(xiàn)象在專業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中被稱為能量累積轉(zhuǎn)換，而要消除這種現(xiàn)象，從劈裂灌漿角度講，施工過程中會先將累積的能量全部釋放，之后才產(chǎn)生防滲作用。主要原因在于，劈裂灌漿的施工會帶來灌漿的壓力，再加之土體濕陷作用，會使得一些原本細(xì)微的變化擴(kuò)大，此時(shí)瞬間就會將能量釋放出來，而雖然這種現(xiàn)象會擴(kuò)大細(xì)微的變化，但是在之后的灌漿填充之下，可以完全彌補(bǔ)這種影響，實(shí)現(xiàn)土體的應(yīng)力結(jié)構(gòu)重塑，達(dá)到防滲目的。

2.5 漿液壩體互壓機(jī)理

漿液與壩體兩者都具有應(yīng)力變換的特質(zhì)，即漿液在凝固過程當(dāng)中，會產(chǎn)生向外的應(yīng)力；壩體在受到破壞之后，其周邊土體也會因?yàn)閼?yīng)力結(jié)構(gòu)改變而產(chǎn)生向內(nèi)的應(yīng)力。由于漿液與壩體之間的應(yīng)力變換方向是相對的，因此在劈裂灌漿當(dāng)中，當(dāng)漿液進(jìn)入壩體之后，兩者會產(chǎn)生互壓機(jī)理。從而使?jié){液能夠?qū)υ緫?yīng)力不平衡的壩體進(jìn)行填充，使其應(yīng)力重新恢復(fù)平衡，同時(shí)也可以改善因?yàn)椴痪鶆蜃冃卧斐傻男≈鲬?yīng)力較弱的問題，有助于水庫土壩的穩(wěn)定性。

2.6 泥漿與土壩的固結(jié)壓密機(jī)理

水是一種具有溶解特性的物質(zhì)，而土體是可溶性物質(zhì)，在兩者相遇之后就會產(chǎn)生良好的融合性。劈裂灌漿過程中，當(dāng)泥漿灌注到土壩中之后，泥漿的水分會帶動(dòng)泥漿中的泥成分與壩體土體進(jìn)行相互融合，進(jìn)而完成填充過程，而在融合填充之后，水分會被土體逐漸吸收，此時(shí)水分越少土體之間的固結(jié)程度就會越高，當(dāng)水分減少到一定程度之后，就說明土體的應(yīng)力結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于完成。另外，壩體土體的壓力會隨著劈裂工作的進(jìn)行而不斷增加，在此壓力作用下，泥漿當(dāng)中的泥成分會快速的與壩體土體融合，并不斷與原有土體連接緊密，形成高密實(shí)度的水庫土壩，這一過程在理論上被稱為壓實(shí)機(jī)理。

3 實(shí)例劈裂灌漿機(jī)理設(shè)定

3.1 實(shí)例概況

某水庫土壩總面積1368 萬m2，蓄水面積13.05 km2，該工程中設(shè)立了一道主壩，長度41 m，高度35.60 m，厚度3 m～12 m。實(shí)例工程因?yàn)楣て谳^長，其壩身產(chǎn)生了許多裂縫現(xiàn)象，存在許多安全隱患。對此，實(shí)例工程單位決定采用劈裂灌漿技術(shù)對該壩體進(jìn)行除險(xiǎn)加固。施工中嚴(yán)格控制劈裂灌漿壓力、灌漿用量等參數(shù)，執(zhí)行灌漿施工要求才能滿足實(shí)例工程中的防滲要求。

3.2 劈裂灌漿壓力計(jì)算

作業(yè)面強(qiáng)度的測量結(jié)果顯示，該土壩背水面強(qiáng)度為700 tMPa，觸水面強(qiáng)度為800 tMPa，土壩表面兩側(cè)的抗壓能力良好；具體滲漏點(diǎn)的強(qiáng)度測量結(jié)果顯示，滲漏點(diǎn)已經(jīng)滲漏了壩體3/2，剩余面積的抗壓強(qiáng)度只有130 tMPa，表層抗壓強(qiáng)度為110 MPa；同時(shí)，針對防滲點(diǎn)的抗壓能力，該工程對劈裂灌漿的壓力進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 劈裂灌漿壓力計(jì)算結(jié)果

3.3 灌漿用量計(jì)算

灌漿用量計(jì)算公式如下

式中：V 代表灌漿用料量；A 代表灌漿帷幕面積；T 代表灌漿帷幕厚度；K1代表充填空隙的系數(shù)；K2代表土料篩余系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 灌漿用量計(jì)算結(jié)果

3.4 灌漿施工要求計(jì)算

該工程主要采用42 mm 的鉆管以及錐頭錘進(jìn)行鑿孔作業(yè)，經(jīng)計(jì)算，鑿孔深度宜為2.6 m。此外，為了保障施工質(zhì)量，要求施工人員嚴(yán)格圍繞“少灌多復(fù)”的原則進(jìn)行施工，當(dāng)孔深小于20 m 時(shí)，灌注次數(shù)不低于5 次，孔深大于20 m 時(shí)，灌注次數(shù)不低于7 次。

4 結(jié)語

土壩壩體劈裂灌漿技術(shù)克服了防滲墻存在的常見問題。它的基本原理是利用壩體小主應(yīng)力面基本沿壩軸線分布的這一規(guī)律，利用灌漿壓力沿軸線劈裂壩體，灌入泥漿，構(gòu)造漿體防滲帷幕，解決壩體滲透的穩(wěn)定問題；同時(shí)利用壩體的濕陷固結(jié)特性和漿壩互壓，改善壩體內(nèi)部應(yīng)力，解決壩體的變形穩(wěn)定問題。劈裂灌漿技術(shù)不僅僅在土壩壩體灌漿實(shí)踐方面是個(gè)創(chuàng)新，而且在加快危險(xiǎn)土壩的治理方面也發(fā)揮了巨大的作用。