土壩劈裂灌漿工藝的特殊要求

白永年

（山東華水水電工程有限公司 濟南 250013）

1 土壩和地基的差別

地基基礎灌漿已有200年以上的歷史（1），在理論和工藝上都比較成熟，作為地質和工程技術人員，也都已較普遍接受。對于土壩壩體的灌漿，尤其是劈裂灌漿，雖然自推廣以來已有20多年的歷史，做了大量的工程，收到了非常好的效果。但是由于至今受地基灌漿理論工藝傳統(tǒng)的影響，往往把地基灌漿的工藝參數(shù)機械地搬到壩體灌漿工藝上來，達不到應有的效果，甚至產生一些負作用。地基基本上都是由自然沉積、沖積、洪積、坡積等形成的，經過長年的固結變形，從工程角度出發(fā)，除大的地震攪亂之外，變形和應力調整階段早已結束，處于長期的穩(wěn)定狀態(tài)，所以兩場的分布參數(shù)已經固定。與地基相比，土壩有如下的特點：

a.土壩為人工填筑的土工建筑物，存在填土不均勻、壓實度不夠等問題。我國相當大一部分土壩雖然已存在了幾十年，但尚未最終完成固結變形，壩體仍處在變形和應力場的變化調整階段。當壩體土由于不均勻沉陷而變形的時，倘若第一主應力小于無側限抗壓強度，則在該土區(qū)的第二主應力會減小，并可能接近于零或負值時，該土區(qū)就可能發(fā)生裂縫，產生隱患（4）。只要壩體土有不均勻變形，這種情況就是不可避免的。我國相當大一部分土壩都存在上述隱患（5）。

b.土壩由于上下游水位差，庫水通過壩體時，形成具有一定水力梯度的浸潤線。由于填土的不均，土體的抗?jié)B強度也不相同，土壩設計時所繪制的流網(wǎng)就會有差異。因此，滲流所形成的浸潤線，不會是平滑的均勻流線。在弱抗?jié)B土區(qū)較大水力梯度的情況下，會發(fā)生滲流破壞。如壩后出現(xiàn)管涌、流土等。

2 土壩的主要破壞形式及劈裂灌漿效果

2.1 土壩變形破壞

由于土壩的不均勻變形，應力場分布很復雜，主要的破壞形式大體包括已經拉開的裂縫和潛在的處于弱應力破壞階段的有效應力小于浸潤線以下水頭壓力的土區(qū)。后一種情況屬于可能發(fā)生水力劈裂的隱患。

山東省賀莊水庫，位于山東省泗水縣，為大（2）型水庫、土砂組合壩。壩長1043m，最大壩高25.5 m，壩基為第三系沉積砂巖，不透水地基，壩頂高程 156.5 m。1969年興建，1970年建成。由于壩體填筑質量太差，竣工后于1971～1974年壩體連續(xù)出現(xiàn)多條大的裂縫，有的縱向裂縫長80m、縫5～10cm、深5m。壩后坡出現(xiàn)大面積散浸，高度達半壩以上，局部已出現(xiàn)管涌、流土。壩頂、壩坡發(fā)生大量沉陷變形和塌坑，從竣工至灌漿前大壩的沉陷量一般為40～120cm，最大點沉陷量達150cm。經對原壩體應力應變的有限元計算（2）（3），壩體表面和內部都發(fā)生了嚴重的變形破壞，驗算結果見圖1、圖2。

圖1 賀莊壩沿軸線應力分布

圖1、圖2說明岸坡段壩頂大部分縱向拉裂，發(fā)生橫向裂縫，右岸最大拉裂深度達壩頂以下5m，左岸最大拉裂縫深度達壩頂以下7.3m。河槽段樁號0+100～0+550壩頂為橫向受拉，發(fā)生縱向裂縫深度達壩頂以下5m。裂縫以下的附近為受拉或主應力不足土區(qū)，隨著土體不均勻變形的發(fā)展，還可能要被拉裂。

圖2 賀莊壩0+350斷面橫向應力分布

根據(jù)該壩的破壞特點，解決變形穩(wěn)定問題是關鍵。經加固設計方案比較，采用劈裂灌漿技術。優(yōu)點是能解決心墻已經遭到嚴重破壞的變形穩(wěn)定，包括已拉開裂縫和主應力不足的土區(qū)，恢復心墻的原設計正常應力場和抗?jié)B能力的要求；適應變形；造價便宜；質量穩(wěn)定可靠。

該水庫1976年進行壩體劈裂灌漿施工，沿壩軸線布置主排孔，孔深至壩底，終孔距10.0m。主排孔兩邊各布置一排副排孔，孔深至半壩高，孔距5.0m。采用粘土泥漿，粘粒含量27%，粉粒含量50%，泥漿比重1.3～1.5t/m3。采用孔底注漿、全孔灌注、少灌多復工藝，施工期一年，施工期壩頂又沉降平均40cm?？⒐ず蟮谝荒甑膲雾敵两盗繛?0cm，以后基本未再發(fā)生沉降變形?？⒐ひ荒曛箝_挖3個探井，深至壩底，壩頂以下3m發(fā)現(xiàn)沿壩軸線方向豎直的主漿脈兩邊各3m以內分布密集的副漿脈，壩體土干容重由灌漿前的1.5t/m3，提高到1.66t/m3。壩頂以下7.5m，同樣沿壩軸線方向分布著以主漿脈為主兩邊為多道副漿脈的加固土層。主漿脈厚平均15cm，兩邊密布若干條副漿脈。壩頂15m以下泥漿脈厚度 23cm，漿體干容重 1.5～1.7t/m3，滲透系數(shù)K=i×10-7cm/s。該壩劈裂灌漿竣工已過了32年，經十幾次高水位考驗，未再發(fā)生變形和滲流破壞，主應力恢復正常，側壓力系由0增加到0.6～0.7，壩后干燥，由廢庫變成了正常運行的水庫（6）。

2.2 土壩滲流破壞

土壩填筑時，填土不均勻是普遍現(xiàn)象，因此幾乎所有的病險水庫土壩的滲流場都是不規(guī)則的，庫水通過壩體相連通的弱抗?jié)B土區(qū)在壩后出流時，由剩余勢頭所產生的滲透力會逐步增大，土體中的固體顆粒將越來越不穩(wěn)定。一旦向上的滲透力大于土粒的浮重度，即大于土粒所允許的水力坡度，土粒將會被滲流挾帶向上涌出，發(fā)生滲透變形。如壩后出現(xiàn)的管涌、流土等，沖蝕壩體，使土體塌陷，危及大壩安全（2）。

廣東省大亞灣核電站供水水庫——嶺澳水庫（見圖3）為均質土壩，壩高58.5m。壩體由泥盆紀正長石英質全風化變質巖的殘坡積土填筑，大部分土區(qū)含礫為46.5%，粘粒含量為17%。地基為強風化，裂隙發(fā)育，透水。壩體填筑時碾壓不實，而且很不均勻，流線和勢線的分布，隨土體結構應力場而變化，流網(wǎng)處于紊亂狀態(tài)。壩后1/3壩高以下幾乎為全部散浸明流區(qū)，多處出現(xiàn)管涌流土點，局部已出現(xiàn)塌陷。為減少壩后坡面的沖蝕，自壩后角排滲溝向上至壩高的2/3鋪設排滲盲溝十幾條，仍未解決問題。壩體的滲流量達37L/s。

圖3 廣東省大亞灣核電站嶺澳供水水庫劈裂灌漿前大壩后坡滲流破壞情況

該水庫大壩嚴重滲流破壞的主要原因，填筑土料顆粒粗，未設防滲體，碾壓一次鋪土層太厚，有時達80cm，形成了千層餅，產生了大面積的弱抗?jié)B土區(qū)，大壩的安全處于危險狀態(tài)。項目法人又提出加固施工期間，因核發(fā)電供水需要，水庫要保證正常供水。根據(jù)上述情況，選擇劈裂灌漿技術方案。優(yōu)點是：重造防滲體，以劈裂灌漿所形成的土體加固防滲帶，有足夠的抗?jié)B強度，彌補了設計上的缺陷；壓力泥漿通過擠壓、滲透，充填了碾壓不實土體的水平疏松層，彌補了施工上的缺陷；劈裂灌漿施工期間水庫可以正常蓄水，滿足了核電站發(fā)電的需要。造價便宜，只及混凝土防滲墻的1/4，施工期短，只及混凝土防滲墻的1/3。根據(jù)大壩滲流破壞的險情，為盡快脫險，加大灌漿壓力，增設泥漿泵等灌漿設備，加快施工進度。劈裂灌漿于1997年11月5日開工，12月上旬完成第一序孔，形成了豎直連續(xù)的以主漿脈泥墻為主的防滲帷幕。12月底，壩后坡散浸、管涌、流土等全部消失，浸潤線出逸點降至排水棱體頂高程以下，防滲帶前后水位差7.75m。1998年7月自壩頂沿壩軸主漿脈開挖檢查探井，發(fā)現(xiàn)泥漿脈分布有如下規(guī)律：?壩頂以下1～2m分布多道細小泥漿脈，分布寬度2.5m，壩體土內孔隙、裂縫、空洞都被泥漿充填，礫塊石被泥漿包裹，已形成豎直連續(xù)的防滲帶；?壩頂以下2～4m形成了主漿脈，厚度5～12cm，兩側同樣形成了多道細小泥漿脈；?壩頂以下7.7m，主漿脈厚度達到14cm，再往下逐步增厚，估計壩高1/2處厚度可以達35～40cm；?開挖過程中發(fā)現(xiàn)壩體內有多層水平疏松土層，有的厚度達30～50cm，多處形成的巖塊堆積，孔隙率大，已被泥漿完全充填；?發(fā)現(xiàn)已被壓力泥漿擊穿的充滿泥漿的管涌洞；?泥墻已完全固結硬化，干密度達到1.65t/m3，滲透系數(shù)為K=i×107cm/s。該壩劈裂灌漿施工于1998年5月停工，至今已12年，一般保持正常蓄水深50m左右，壩體未再發(fā)生滲流和變形破壞。遺憾的是，該壩劈裂灌漿原設計兩道只完成一道，壩體和基巖接觸沖刷采用高噴板墻共長500m，只完成了360m，業(yè)主阻止施工，理由是“滲流問題已經解決，沒有必要再完成余下的工程”。由于該壩加固工程安全度不夠，今后會不會再出現(xiàn)反復？

3 土壩劈裂灌漿的主要作用

土壩的破壞，除滑坡等危害之外，主要是由于土壩的不均勻變形，產生的某方向主應力不足，甚至拉開裂縫；某些連續(xù)的弱抗?jié)B土區(qū)，使出流末端有超過設計要求的剩余水頭，發(fā)生管涌、流土等破壞，危及大壩安全。劈裂灌漿的機理和土壩的破壞機理相耦合，能完好地解決土壩的變形和滲流破壞，使之恢復土壩的原設計功能。

3.1 劈裂灌漿的應力調整作用

土壩變形破壞的原因是由于土壩某些土區(qū)的不均勻變形，拉應變能長期發(fā)展積累的結果。因為劈裂灌漿可以通過灌漿壓力P=ΔP+γ′h′對壩體土的劈裂充分釋放拉應變能，對主應力不足的土體部分進行補充，使土體變形穩(wěn)定下來。式中，ΔP為注漿管頂部的孔口壓力（tf/m2）；γ′h′為注漿管孔口至壩體內部某一高程的泥漿柱壓力 tf/m2；γ′泥漿比重（為 1.4t/m3左右）；h′為壩體內某點至壩頂注漿管孔口高度（m）。p在注漿時，對多次壩體土的充分劈裂和對劈裂縫兩側土體的壓縮、充填、滲透、應力調整等起重大作用。隨著復灌次數(shù)的增加，灌漿壓力p多次發(fā)生對漿脈兩側土體的上述效應。同時又經多次停灌發(fā)生壩體土的回彈壓縮泥漿，促使泥漿脈的排水固結硬化。劈裂灌漿的過程，是一個在壩體內部不同應力場土區(qū)的應力調整和應力再分配過程。在某一時段，土區(qū)的某一高程p是一常量，而在同一高程土區(qū)的土體主應力是一變量，壓力泥漿的劈裂、發(fā)展及走向，遵守最少功能原理。凡是某一些土區(qū)已拉開裂縫或主應力不足，就會被壓力泥漿擴寬或劈開，主應力不足的部分由p補充，達到同一高程土區(qū)的應力平衡，可用下述平衡式說明，即p≥kγh。式中，k為壩體內正常的土側壓力系數(shù)，一般為0.55左右；γh為壩體內某高程點的土柱壓力（tf/m2）；γ為壩體土在浸潤線以下為飽和容重（2.0t/m3），浸潤線以上為濕容重（1.8t/m3）；h為壩體內某點土柱高度（m）。對某些已發(fā)生變形破壞了的土壩，側壓力系數(shù)k遠小于0.55，或為負值，或已拉開了裂縫，所以灌漿壓力p對壩體某方向的主應力補充值會更大。上述平衡式顯然是p＞kγh，故凡是被壓力泥漿劈開的土體裂縫及其附近弱應力土區(qū)都會得到p壓力的補充（見圖4）。把不同土區(qū)的應力變量調整為泥漿壓力的常量，恢復壩體內正常的土體側壓力，保證了壩體的變形穩(wěn)定。

3.2 劈裂灌漿的抗?jié)B作用

劈裂灌漿的抗?jié)B作用，主要是靠基本垂直土壩滲流方向沿壩軸線所形成的豎直連續(xù)的防滲泥墻和壓力泥漿通過擠壓、充填、滲透、濕化固結對土體的壓實形成寬約10m左右的防滲帶。該防滲帶所營造的抗?jié)B坡降，有足夠的抗?jié)B強度來消解庫水位在壩體土中所發(fā)生的滲透力。如灌漿壓力p可視為壓力泥漿在壩體內所產生的壓力水頭。

圖4 山東省黃前壩灌漿后20天壩體內小主應力增量分布情況（單位：kgf/cm2）

防滲墻至壩后排水體的水平距離為滲徑L，則壓力泥漿所形成的抗?jié)B坡降為

壩體內浸潤線所形成的水力坡降為：

上二式中H——水庫水位，m；

h——壩后排水體水位，m。

式（1）、式（2）中，顯然 Δp+γ′h′＞（H-h）γ，所以 i1＞i2。一般情況i1大于i2的2倍以上。

防滲帶的抗?jié)B強度不僅決定于灌漿壓力p，還決定于泥墻的連續(xù)性。由于壩體的梯形橫斷面幾何形狀，及沿壩軸線沉降變形量最大、橫向的小主應力最小的特點，壓力泥漿很容易沿壩軸線劈開壩體，營造防滲帶保證了其連續(xù)性（6）；凡通過防滲帶的弱抗?jié)B土體i1＜i2的都會被i1所擊穿，然后被泥漿堵死，保證了i1的抗?jié)B強度。

4 幾個主要的劈裂灌漿工藝參數(shù)

a.灌漿壓力是地基灌漿一個很重要的指標，由于地基應力場的特點，灌漿壓力過大過小都會造成一些不良后果，如抬動地基充盈度不夠等。對于土壩劈裂灌漿，壩體的幾何形狀和變形特點以及灌漿目的，都不同于地基，所以一般情況不需要控制灌漿壓力。?泥漿劈開壩體所需壓力很小。如在易發(fā)生變形破壞的岸坡段、河槽段和壩基地形凸的壩段，壩體的應力狀態(tài)大部分都是水平向的小主應力不足，小主應力作用面是豎直的，土體受拉或拉開豎直裂縫。在河槽段拉開縱向豎直裂縫；在岸坡段拉開豎直橫向裂縫，不會抬動地基或拉開水平縫；?灌漿壓力大可以提高劈裂灌漿效果，因為泥漿可以通過灌漿壓力p對泥墻兩側土體進行擠壓、充填、滲透，提高壓實度與作用范圍；?有利于提高加大抗?jié)B坡降；?提高灌漿壓力的措施有：壩頂加阻漿蓋，水庫高水位時灌漿。

b.劈裂灌漿的主要工藝（6）。?沿壩軸布置灌漿孔，孔深至壩底：以利形成豎直連續(xù)的防滲帶帷幕，解決土體主要部位的變形穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定問題；?孔底注漿，全孔灌注；不加套管，不分段。壓力泥漿自壩底沿注漿管外壁向上流動，在弱應力最小的地方首先劈開壩體，由于尖楔效應，裂縫很快向上下左右發(fā)展。遇弱抗?jié)B土區(qū)或橫穿洞穴等隱患都會被壓力泥漿擊穿，然后被泥漿堵死，隱患消除；?少灌多復，壩體內的漿液面溢至壩頂作為終灌標準，決不準缺漿。一個注漿孔復灌5次以上，間隔時間5天左右；?盡量增大灌漿壓力，嚴控壩坡位移，每次復灌位移點水平向位移不得超過2cm，回彈比超過0.5時，才允許下次復灌；?一些重要的一級土壩工程，應在壩體內部安設土壓力計、孔隙壓力計、固結儀和內部變形觀測設備；?對薄心墻壩，因可能出現(xiàn)的拱效應，壩體內出現(xiàn)豎向的主應力不足，在布置灌漿孔時應照顧到豎向的應力調整。

[1]孫釗.大壩基巖灌漿，北京：中國水利水電出版社，2004.

[2]朱凡.土力學.重慶大學出版社，2005.

[3]顧淦臣.土石壩的裂縫和壓實質量.巖土工程學報.1982（4）.

[4]華東水利學院翻譯.土石壩工程.1978.

[5]白永年.土壩弱應力破壞的驗算.鄭州：人民黃河出版社，1983.

[6]白永年著.土壩壩體和堤防灌漿.北京：水利電力出版社，1985.