劈裂灌浆的湿化变形分析

赵丽子,石自堂

(1.武汉大学 水利水电学院,湖北 武汉430072;2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)

我国小型水库大多建于20世纪50～70年代,受当时人力、物力、财力、技术、材料等方面的限制及社会环境的影响,水库大坝坝体填筑质量较差,土质疏松,干容重偏低等现象普遍,后期又由于管理不善,运行至今坝体内部出现裂隙相互贯通等隐患,整体稳定性差,渗漏严重。对此类坝进行除险加固过程中采用较多的处理办法是灌浆和劈裂灌浆。

劈裂灌浆是利用河槽段坝轴线附近的小主应力面一般规律是平行于坝轴线的铅直面,沿坝轴线单排布置相距较远的灌浆孔,利用泥浆压力人为的劈开坝体,灌注泥浆,并使浆坝互压,最后形成一定厚度的连续整体泥墙,起到防渗的作用,同时,泥浆使坝体湿化,产生沉降,增加坝体的密实度。

劈裂灌浆作用机理体现在4个方面:①泥浆对坝体的充填作用;②浆坝互压作用机理;③湿化沉陷作用;④灌浆的固结和压密作用。在湿化沉陷作用方面,通常认为,泥浆进入坝体时,大量的水也随之进入坝体,水除了产生孔隙水压力外,还对坝体产生湿化沉陷作用,湿化沉陷作用的大小与土坝质量和土料性质有关。很显然,对劈裂灌浆湿化变形的认识仅仅停留在其与土坝质量和土料性质有关以及使坝体发生沉陷的阶段。

1 湿化变形机理分析

1.1 湿化变形

土在浸水之前,由于施工质量较差,土体不能密实,浸水后土颗粒受水的润滑在自重作用下,重新调整粒间位置,改变原来结构,使土体压缩下沉,这种现象叫做湿化[1]。

筑坝时坝体在最优含水率附近碾压,但饱和度一般仅达到0.8～0.9[2],即存在10%～20%的孔隙,不密实,灌浆前浸润线以上填料处于非饱和状态。灌浆过程中,大量水进入坝内,原本较为疏松的坝体土,在自重、劈裂灌浆压力及水的润滑作用下,土粒结构得到调整变密,坝体湿化变形。

1.2 机理分析

坝体发生湿化变形的原因主要包括两种:

1.2.1 内部因素

土体本身欠压密性。受施工技术等条件的限制,以前的土石坝碾压质量较差,坝体土密实度普遍达不到要求。

1.2.2 外界因素

外荷载及坝体土含水率变化。劈裂灌浆过程中,坝体受到灌浆压力等作用,浆液固结析水使浆脉周围原土体含水率发生改变。外界因素对坝体的影响主要表现为:

(1)外荷载与坝体应力的关系

坝体内部应力就其对土颗粒是否产生作用可以分为有效应力和孔隙水压力,土粒骨架只有受到有效应力时才会发生变形。一般而言,土中的应力主要有两种:①由于土体本身重量引起的自重应力;②附加应力。除此外,存在水头差时会产生渗透力[3]。

灌浆前,坝体内部应力状态为 σz＞σy＞σx(如图1)所示,局部地区σx＜0,即出现拉应力区。坝体中拉应力区的存在对坝体的稳定极为不利。灌浆过程中,由于小主应力作用面上裂缝发展受阻力小,坝体裂缝的方向首先是沿着小主应力面开始,其次是中主应力面,再次是大主应力面。坝体应力在横断面上垂直分布不一致,劈裂灌浆过程中通过浆坝互压及湿化变形使小主应力得到补充,所形成的浆体厚薄及分布形式沿坝高会出现不同的分布,这是灌浆压力与坝体小主应力自然调整的结果[1]。

图1 坝体应力示意图

在浆压坝的短暂过程中,由于进入坝体内水分不能及时排出,坝体孔隙水压力急剧增大,此时外荷载基本上由孔隙水压力承担,后期在自重、灌浆压力及渗透力作用下,自由水逐渐排出,土粒结构发生变化,孔隙率减小。附加应力逐渐由土骨架承担,孔隙水压力不断减小,土骨架被压缩,有效应力不断增加。在有效应力作用下,内部应力得到调整,土体密实度增加,体积变小。

坝体土属于弹塑性材料,因而应力—应变关系是非线性,在卸载后,坝体弹性变形能够恢复,因而存在坝体回弹,产生坝压浆现象,这有利于加速浆液的排水固结。

(2)土体性质与含水率的关系

均质坝土料主要为黏性土、壤土、砂壤土;心墙坝防渗料主要由透水性较小的黏性土组成,坝壳体则采用较好的砂石料。对于饱和土体,80%以上的孔隙被水充满,坝体发生湿化变形的本质上是固体土颗粒的移动及孔隙水和气体的排出。

土中细粒越多,水对土的性质影响就越大。随着坝体土含水率的增加,土强度、粘聚力会逐渐减小,土体中的水可以分为以下几类:

当含水率较小时,土中水处于结合水状态,土粒之间摩擦力和粘聚力都较大,土粒相对移动较为困难,因而不易变形。当含水率增加时,土粒周围水膜变厚,土整体变软,进入可塑状态,摩擦力和粒间粘结力变弱,土粒之间彼此容易移动。当土中水处于自由水状态,土颗粒不受吸附作用,可以自由移动,土块强度丧失。

无粘性土(砂石料)颗粒较大,排水性良好,在含水率较低时因受毛细水作用而具备一定的“假粘聚力”,在自然状态下通过自身重力作用可使土粒相互挤密,强度大,压缩性小,但这种力会随着土料含水率的增加而逐渐消失。

黏性土颗粒相对较细,比表面积大,颗粒间联结力较大,当土含水率较低且颗粒周围只有结合水时,粒间粘结力起主导作用,土块整体强度大;当土粒周围存在自由水时,联接力消失,土体进入可塑或流动状态,土强度丧失。

因而对于相同含水率的粘性土与无粘性土会表现出不同的物理特性。对于非均质土石坝,坝体在相同时间内自然沉降也不一致。

1.3 湿化变形产生的现象

劈裂灌浆后发生坝体湿化变形,主要体现在以下方面:

(1)坝体沉降,坝高降低。根据以往工程经验,坝体灌浆后湿化沉陷率(平均沉降量占最大坝高比值)可达0.6%～3%[2]。

(2)产生湿化沉陷缝。在灌浆轴线附近灌浆压力大,坝体湿化沉陷作用明显,离其较远的地方,沉降量较小甚至为零,故存在湿化沉陷差使坝体局部产生拉应变,出现裂缝。

(3)坝体密实度增加,提高坝体的渗透稳定。加固后,整个灌浆期灌—停—灌的过程中,坝体受到浆液反复压缩—回弹—压缩,坝体产生竖向和横向压缩变形,横断面减小,坝体土天然容重增大,密实度增大。

(4)改善坝体内部应力,增强坝体变形稳定性。

(5)产生塌坑与隆起现象。由于坝体填土质量疏松,或者生物洞穴等空洞存在,土体湿化固结后,上部土体会塌陷。同时坝体湿化变形使坝坡面线变短,坡面积减少,由于护坡石与坝体土变形不能协调,造成局部隆起[1]。

福建省诏安县亚湖水库枢纽于2004年进行除险加固,大坝经劈裂灌浆后,产生了27条裂缝,裂缝方向多为沿坝轴线劈裂的纵缝,少量为横缝;前后坝坡出现大量冒浆点,主要有54处,约在坝顶以下2.6 m～0.5 m处[4]。但在实际工程中,灌浆产生裂缝或使坝体局部出现塌坑与隆起等现象时,不能一概而论都归结于坝体湿化变形。

湖北省紫檀冲水库主坝为粘土心墙坝,2010年7月4日在对主坝进行劈裂灌浆施工过程时,发现桩号0+094～0+102段坝顶坝面沿灌浆孔轴线发生沉陷。2010年9月1日进行复灌,9月16日下午发现主坝桩号0+080～0+152段出现双排裂纹,同时桩号0+088～0+118坝面出现塌陷,坍塌宽0.5 m～0.6 m,深度0.4 m～0.6m不等。9月17日下午桩号0+138～0+140处再次出现塌陷[5]。经计算分析,大坝实际沉降量低于完建后大坝理论沉降值,常年运行水位上部土体由于拱效应的存在而无法沉降,造成心墙内出现大的纵向裂缝,灌浆时坝顶塌陷是由于坝体内部拱效应遭到破坏所致。据此,施工单位根据实际情况及时调整施工工艺,顺利完成了大坝的防渗加固。

这个工程为以后劈裂灌浆加固工程提供了实际经验并充实了原有理论基础。

2 对劈裂灌浆副作用的指标控制

劈裂灌浆不仅可以增加坝体的密实度,还增加坝体稳定性,减少弱应力范围。但若不能对湿化产生的变形及内部应力改变加以控制,坝体劈裂灌浆会产生副作用。根据相关资料[1],由以下指标进行控制。

2.1 位移比控制

灌浆期,对于坝体疏松,或隐患严重部位,因为土结构中孔隙率较大,土粒结构疏松,坝体变形空间较大,会产生较大的沉降。由湿化变形机理分析可知,坝体土质也会影响湿化变形效果,根据土的压缩系数a1-2可将其分为以下3类:

对于高压缩性的土,如粉质土、黄土、类黄土、碾压不好的粘质土等,土骨架容易发生较大的压缩变形。为使变形不至于过大,影响坝体回弹,破坏坝体结构,对于高压缩性土及中等压缩性土,灌浆期多用位移比来控制,用公式表示为[1]:

式中:η为灌浆期间位移比;V为灌浆期横向水平位移量(mm);W为灌浆期沉陷量(mm);m为被灌坝边坡比。

对于低压缩性土,因为灌浆期沉陷量 W很小,横向水平位移V却往往较大,所以式(2)不适用,位移η比值应放宽,略大于m值也是很容许的,但位移后必须有相当的回弹量,否则是绝对不允许的。

对亚湖水库枢纽主副坝进行劈裂灌浆时每隔20 m布设一组观测点,主坝坡比为1∶1.2～1∶1.28,灌浆施工历时57 d。观测最终数据如表1所示。

表1 劈裂灌浆大坝沉降位移量

据观测数据可知,灌浆期间主河槽段坝顶最大沉降量48 mm,最大位移量13 mm。位移比 ηmax=0.4,小于坡比1.2～1.8,表明灌浆期坝断面变小,即灌浆液在坝体内所占的体积,不是坝体扩大变为位移量,而是大部分变为对坝体的压密和沉陷,使干容重增加,孔隙比减少,劈裂灌浆安全且有利于增强大坝稳定。

2.2 孔隙压力比控制

坝体湿化变形过程,实际上是坝体内孔隙水压力传递和消逝,有效应力不断增加的过程。劈裂灌浆时孔隙水压力上升和灌浆压力上升几乎同步,灌浆压力大,坝体短时间内孔压高。随着坝体排水固结,湿化变形,孔隙水压力会逐渐减小到灌浆前的状态,故为了使坝体不因灌浆压力过大而产生负面影响,可用孔隙压力比来控制,为保证灌浆期坝体安全,一般情况下,要求B ＜40%～50%[1]。孔隙比可用式(3)表示[1]:

灌浆压力过高,坝体土发生较大的塑性变形,弹性变形产生的回弹效果差,尤其在高水位进行劈裂灌浆时,坝体内部水分不易排出,稳定更加受到威胁。故在实际工程中,应控制劈裂灌浆时水库处于低水位运行状态,加强灌浆过程中双向排水。

3 结 论

(1)湿化变形是影响劈裂灌浆效果的重要因素之一。湿化变形的产生是由于坝体土在水作用下,内摩擦角减小,粘聚力降低甚至消失,使得土易发生湿化变形。在灌浆压力、自重等作用力下,坝体土在较长时间内完成一个排水固结的过程,坝体土密实,弱应力区得到弥补,利于坝体稳定。

(2)当灌浆施工质量控制不当时,湿化变形会产生副作用,如局部沉降过大,产生湿陷裂缝,孔压不能及时消散威胁大坝稳定等。因此,灌浆时应严格控制位移比及灌浆压力,及时观察并做好记录,确保施工质量和安全。

[1]白永年.中国堤坝防渗加固新技术[M].北京:中国水利水电出版社,2011:171,129,132.

[2]王洪恩,卢超.堤坝劈裂灌浆防渗加固技术[M].北京:中国水利水电出版社,2006:19.

[3]侍倩.土力学[M].武汉:武汉水利电力大学出版社,2004:56.

[4]林铭德,林金盛,郭永生.诏安县亚湖水库大坝劈裂灌浆效果分析[J].水利技术,2004,(3):41-43.

[5]王磊,石自堂,龙起华.紫檀冲大坝坝顶塌陷分析与处理[J].水利水电技术,2011,42(3):41-43,70-72.