劈裂灌浆技术在水库加固工程中的应用

摘要：劈裂灌浆技术具有工艺简单合理、能就地取材、见效快等优点,是堤坝加固领域的一种非常有效的加固方法，多年来该技术在水库土坝防渗加固中得到广泛应用。本文针对劈裂灌浆在水库加固工程中的应用进行了分析。

关键词：劈裂灌浆；防渗加固；施工技术

在众多的水库病险土坝中，渗漏破坏占了很大的比例。对于出现老化及异常情况的土石坝，为了防止其产生渗透破坏直至产生溃坝等工程事故，必须根据情况对其进行修补加固。土石坝建成后，经过多年运行，坝体产生老化是普遍存在的问题。当坝的力学稳定性或水力学稳定性受到损害时就要发生事故。据国内外学者统计，由渗透破坏造成事故的，约占全部事故的30%-40%。所以，土石坝的防渗加固，在世界范围的水库险坝的处理中占有很重要的位置。

1、劈裂灌浆机理

劈裂的灌浆是我国在上世纪80年代初独立自主研发的一种灌浆技术。它是利用水力劈裂原理和土石堤坝本身应力分布特点创造出的一种新型灌浆工艺。该理论从产生坝体隐患的原因人手，根据土坝的几何形状和应力分布规律，利用坝体小主应力的分布规律进行布孔，用一定的灌浆压力，将坝体沿坝轴线方向劈裂，同时灌注合适的泥浆，形成铅直连续的防渗帷幕，堵塞与劈裂缝连通的洞穴、裂缝或切断软弱层，以提高坝体的防渗能力；同时，通过浆坝互压和湿陷使坝体内部应力得到调整，提高坝体变形稳定性。

2、设计

2.1 钻孔设计

(1)孔位布置。应按河槽段、岸坡段、弯曲段和其它特殊坝段的不同情况进行布孔。在河槽段，一般沿坝轴线(或稍偏上游)布孔，必要时在灌浆轴线上下游布置副排孔，钻孔排数应根据坝体隐患的范围和程度确定；在岸坡段、弯曲段和其它特殊坝段，由于坝体内部应力复杂，灌浆初期一般采用多排梅花形布孔，并采用“少灌多复”的办法，调整坝体应力，灌浆后期，沿坝轴线布孔，形成连续的帷幕。

(2)孔深及孔距。孔深应大于隐患深度2―3m，如布置双排孔或多排孔时，副排孔处如无隐患，孔深可为主排孔深的1/3；孔距，在河槽段孔深>15m时，可采用5―10m；孔深

(3)孔序。为使浆液在坝体中有充分的析水固结时间，应分序灌浆。根据被灌浆坝段的长短来确定序数，如果坝段过长且灌浆机组少，一般分为两序，如坝段较短则可分为三序或四序。

2.2 确定灌浆压力

土坝劈裂灌浆压力可按下列公式初步计算，并经试验确定。

P=yH+σt+y1h

式中:

P―劈裂灌浆压力，kPa或KN/ m2；

y―为坝体土的重力密度，kN/ m3；

H―为劈裂点以上的坝高，m；

σt―为坝体土的抗拉强度，由试验确定，KN/ m2；)，

y1―为灌注浆液的重力密度，kN/ m3；

h―为注浆管高度,m。

2.3 确定灌浆厚度

厚度应根据坝体土质、碾压质量、隐患性质和坝高等情况综合确定，通常为5―20cm。当坝体(或心墙)的渗透系数≥10～cm/s，或坝体内存在上下游贯通的水平砂层时，应对泥墙的厚度进行渗透稳定计算和专门试验研究。

2.4 灌浆浆液

浆液主要材料是土料和水，有时加少量化学剂。一般遵循以下原则：泥浆粘粒不能过高(影响固结)，也不宜过少(影响防渗)；大的裂缝和孔穴，采用较多的粗粒，反之采用较多的细粒；灌浆过程中应调整泥浆稠度，一般先灌10min比重为1.2～1.3的稀浆，然后用较稠的浆，随着灌浆次数的增多，浆液还可以变稠。不同的浆液直接影响泥浆的固结速率和防渗效果，灌浆前应对本地粘性土料制成的不同稠度的泥浆进行物理力学性能试验，以便掌握各种浆液的物理力学性质，在灌浆施工中选用合适的泥浆。

2.5 灌浆参数的确定

(1)灌浆历时。影响历时的因素较多，如泥浆的固结速率、一次允许的灌浆量、灌浆设备的效率、工程量的大小等，很难定量分级确定时间，只能大体确定。例如，排水条件较好的土坝，帷幕面积约2×104 m2，厚度1520cm，泥浆泵的输浆率约80L/min，历时约1.5a；同样的情况，帷幕面积为1×104 m2时，历时1a，条件相同的其它帷幕面积可根据上面酌情确定。

(2)复灌次数及复灌间隔时间。一般复灌5-10次；前次灌入的浆液基本固结后，再进行复灌，因此，应以理论计算确定不同泥浆缝厚度固结时间为每次复灌时间，一般≥5―10d。

(3)开灌和停灌时间。开灌时间以大汛过后的秋季为宜，大冻前最好能灌完第一序孔。翌年春天最好灌完第二序孔，尽量在大汛到来前30d停灌，汛后完成扫尾工作。

3、施工技术

3.1 施工准备

准备充足的粘土等灌浆材料，粘土料场的储量应不少于需要量的2～3倍；灌浆所用水、土料和浆液都应进行试验；并备足水泥、水玻璃、膨润土及化学药物等。根据实际情况，选择钻孔和灌浆机具。主要灌浆机具应有备用。灌浆压力表精度应不低于10kPa；灌浆所用的电源或其它动力应有充分保证，必要时应有备用动力。场地布置，应根据地形、料场、水源位置和灌浆泵容量的大小、扬程高低、输浆距离的远近等因素确定；确定好对土坝变形观测点位置，埋设好必要的观测设施，准备好观测和试验仪器以及观测记录表和成果表。

进行灌浆试验。选有代表性的坝段，按照灌浆设计进行布孔、钻孔、制浆、灌浆。试验时应跟踪观测裂缝开展情况和坝移等。试验孔≥3个。试验结束后应分析资料，修正浆液密度、灌浆压力和吸浆量等施工参数，完善灌浆工艺，然后全面施工。

3.2 钻孔

坝高在25 m以内的坝体，采用冲击式钻机，25m以上用回转式钻机；钻孔方法优先采用泥浆循环钻进。钻孔的孔径取决于所采用的钻具，一般在25～130mm，孔径小，劈裂坝体所需的灌浆压力大，反之则小。

3.3 制 浆

浆液采用粘土泥浆，制浆方法有干法和湿法两种。干法制浆：将选用的土料从料场运回晒干后，储存在工棚里，用粉碎机加工成土粉，储存备用。湿法制浆：用天然料场中的湿土(经勘探取样试验后认为宜于用来灌浆的合格土料)直接倒人搅拌机中搅拌制浆。常用的泥浆密度在1.2～1.6g/cm3之间。

3.4 灌浆

采用孔底注浆全孔灌注法，灌浆机以一定压力将浆液压入注浆管，浆液从管底流出，顺注浆管壁外侧向上流动，在施加较大压力和灌入较多浆料的情况下，外部变形缓慢，容易控制，基本实现“内劈外不劈”。在坝顶钻孔周围设阻浆管，浆液受到阻挡后，灌浆压力增高，当浆液压力大于坝体内某些土区的小主应力加单轴抗拉强度时，该土区沿小主应力作用面劈开。

理论和实际证明，坝体内约1/2坝高处的小主应力最小，因此浆液首先在112坝高附近劈裂坝体，然后劈裂裂缝向坝体上部、下部及沿坝轴线方向发展。

坝顶裂缝最大宽度≤25cm，长度不超过一序孔间距，以停灌后24h内裂缝闭和为宜，坝肩位移≤2～3cm。如果一个孔灌浆历时较长，复灌次数多，每次复灌的时间递减，而最后一二次复灌时间很短，坝顶即冒浆，以致不能施灌，则可认为灌浆结束。拔出注浆管，向孔内注满重度>16．7 kN／m3的泥浆，浆体收缩后再灌几次，保持孔满，也可倒入粘土球或混合土(用砂、粘土、膨润土和水混合)，保持孔满。

灌浆后土坝顶可能有残存裂缝、坝面不平及泥浆脉上部体缩等，需要处理：用3―5cm埘的钻具在坝体梅花形布孔，排距3～5m，或沿裂缝布孔，孔深2―3m，进行重力充填灌浆，灌至冒浆，坝面填土夯实，使坝顶平整并达到设计高程。

4、结束语

综上所述，劈裂灌浆技术土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，已经被广泛的运用。但在具体操作中应注意施工工艺，保证灌浆的质量，才能达到预期的效果。