劈裂灌浆技术在水库大坝防渗施工中的应用

刘洪德

（贵州省黔东南州水利投资有限责任公司，贵州 黄平 556100）

在水利工程大坝施工中，渗漏是最常见的问题。先进的防渗技术能够有效处理水利工程大坝施工中的渗漏问题，可提高大坝工程的防渗效果或防止施工中大坝渗漏，让水利工程大坝处于良好的运行状态，增加工程的使用年限。劈裂灌浆技术是一种常见的大坝防渗施工技术，能够有效提升大坝的防渗性能[1]。

1 劈裂灌浆技术

劈裂灌浆是利用水力劈裂原理在坝轴线上钻孔和加压灌浆泥浆加固新防渗墙的一种方法。沿坝轴线劈裂灌浆后，在泥浆自重作用下，浆体与坝体共同作用，成为与坝体牢固结合的固体防渗墙。劈裂灌浆主要是利用坝体的应力规律，通过灌浆压力使坝体沿预定方向劈裂，在坝体的轴线方向，同时灌注一定的泥浆进行加固处理，进而形成连续的防渗泥墙。泥浆加固技术由于灌浆压力通常都要大于充填式灌浆，能够更加有效地堵塞孔、裂缝或者切断软层，以有效提升坝体的防渗能力与填筑密度。与此同时，坝体应力会重新进行分布，坝体变形的稳定性将会通过灌浆、坝体间的相互压力而重新分布。除此之外，由于坝基的相互影响，坝基的应力分布与坝体基本相似，因此坝基劈裂可以有效提高坝基的防渗能力与压实度。在压力作用下，浆体克服初始应力与抗拉强度，会直接破坏或扰动岩土结构，使垂直方向小于主应力的平面发生分裂，打开原始裂缝或孔隙，在地层中形成新的裂缝或孔隙，浆料的可灌溉性和扩散距离增大，所用的灌浆压力相对较高。

需要进行劈裂灌浆处理的水利工程通常都会存在裂缝、洞穴以及孔隙等多种质量隐患，这些隐患可归结为大坝土层的变形和能量积聚。为了消除隐患，应充分释放坝体某些土层中的应变能，即坝体的原始应力不平衡被完全破坏，形成新的坝体平衡应力，减小坝体局部的应力，维持坝体安全稳定。劈裂灌浆通常以压力泥浆充当能量的载体，通过对孔位的合理布置，有效控制劈裂坝体，并立即利用泥浆对其填充，有效弥补坝体应力不足的情况，确保坝体安全稳定。

2 劈裂灌浆的应用方式

在劈裂灌浆原理的基础上，只要充分施加一定的灌浆压力，无论是什么坝体都可以灌浆，但通常只有在下述条件下才会考虑使用劈裂灌浆技术：①松堆土坝；②浸润线较高；③坝体存在裂缝或者大范围弱应力区；④土坝分层或者接头处存在软弱带与透水层；⑤土坝内部存在大量生物洞穴等。

劈裂灌浆施工的基本要求是：土坝分段、区别对待；单排布孔，分序钻灌；孔底注浆，全孔灌注；综合控制，少灌多复。

劈裂灌浆不仅适用于具有良好渗透性的砂层，而且可用于粘性差的粘性土层。劈裂灌浆采用高压注浆技术将水泥或化学泥浆注入土层中，以改善土层的性质。在注浆过程中，注浆管出口处的浆液在周围地层施加附加的压应力，使土体发生剪切裂缝，而泥浆从低强度的土体中沿裂缝劈开并进入高强度位置。主体中的浆料形成用于加固土壤的网络或骨架。由于浆体在土层分裂过程中不均匀地与土壤颗粒混合。从土体的微观结构分析来看，除土的压实外，其它物理力学性质的变化并不明显，而应从宏观角度分析加固效果，即考虑土体的骨架效应。实践表明，对于软流塑性粘土地层，由于地层渗透性差，有时难以通过渗透注浆或压密注浆达到理想效果，劈裂灌浆可以利用其水力劈裂。地层中的孔隙，提高地层的吸水性，满足注浆加固的要求。

3 劈裂灌浆技术在水库大坝防渗施工中的应用实例

3.1 工程概况

以正在建设的某水库为研究对象，工程右岸单薄山体在建设期间帷幕固结灌浆揭露的第三系岩层情况，分析原生岩体内部，吃浆量大，溶质过高的原因，对山体进行固结、防渗帷幕灌浆处理，以便达到山体稳定、防渗要求。

右岸单薄山脊是由于流水的侧向侵蚀作用，受岩性差异和区域性节理的影响条件下侵蚀作用形成；单薄山脊出露的地层主要有寒武系高台组和第三系第一段（Ea），根据Ea的岩性组合进一步细分为3个亚段，即Ea-1、Ea-2、Ea-3。3个亚段的岩体质量存在差异，其中Ea-3岩体质量较好、Ea-1次之、Ea-2岩体质量差。单薄山脊总体属单斜构造，Ea岩体属块状构造，无明显的具有剥离性状的岩层面。岩体结构面主要为节理裂隙面和不整合面；单薄山脊主要发育L1、L22组节理裂隙面，线密度较小，贯通性长度大。受岩性条件的控制，岩溶主要发育于浅表层，在深部沿节理裂隙面存在溶蚀现象。单薄山脊的主要物理地质现象为岩体风化和岩体卸荷，岩体风化程度主要受岩性、节理构造和地形的控制，不同的岩性、节理构造组合和地形条件，风化程度差异很大；岩体质量受岩性、风化程度、结构面的影响，在单薄山脊上具有较大的差异。采取防渗和固结帷幕灌浆，对山脊进行固结灌浆，通过防渗处理，改变岩体结构面的力学性质，提高岩体质量，增强稳定性。由于Ea-2岩体胶结物为泥质，胶结物遇水易于软化，遭受渗透破坏的影响极大，建议强化该组岩体的固结处理，结合工程实际情况以及施工技术条件，选用劈裂灌浆施工技术。

3.2 灌浆施工

劈裂注浆施工技术要求钻孔直径通常在f80 mm～100 mm范围内,钻孔垂直误差不超过1%，施工过程一般分为四个步骤。

（1）孔套管材料,也称为封闭泥浆。将密封件倒入孔内,其作用是关闭单向阀管与井壁之间的间隙,迫使灌浆孔中的孔打开。

（2）将单向阀管(劈裂灌浆管)插入密闭泥浆填充的孔中。

（3）将直径为楔形的塑料管插入密闭泥浆填充的孔中。每隔33～50 cm设一组灌浆孔(2～3米每米)被外包到橡胶套管。封闭的泥浆充满水。

（4）达到一定程度的封闭泥浆。将双向密封灌浆芯插入单向阀管进行分层注浆,沿裂缝扩展。扩散范围受灌浆压力、灌浆时间、浆液比、土层特性等因素的影响。将剩余的泥浆置于第二次重复灌浆(单向阀塑料管中,留置在注浆土层)。

3.3 灌浆施工质量控制

为了有效提升灌浆效果，确保坝体能够在灌浆期间安全稳定，在施工工艺与技术指标方面按照如下标准进行控制：

（1）灌浆的坝坡测点水平位移不可大于2 cm，坝体回弹后才可以进行复灌。

（2）采用孔底注浆工艺，尽量推迟坝顶劈开的时间，一般第二次复灌以后才允许劈开坝顶。一次劈开坝顶裂缝的宽度不超过2.0 cm，停灌后坝体开始回弹才允许复灌。

（3）灌浆压力（通常是指注浆管孔口的压力）：起劈的压力可以不受限制，运行压力尽量保持在零左右，当出现负压力时，可以适当增加泥浆的比重。

（4）终灌标准：坝顶横向和斜向缝不再出现，注浆管孔口零压力维持5天不再出现负压力，泥浆脉厚度完全符合设计要求。

（5）封孔：坝顶纵向劈裂缝泥浆脉相互连通，待泥浆硬化后再填入干土并迅速夯实。

3.4 灌浆施工分析

利用劈裂灌浆技术对该工程展开施工，其坝体轴线位置已经劈开形成的连续封闭泥浆墙帷幕，并且与漏水通道相互连通。由于泥浆柱的压力远大于高水位水柱的正常压力，因此在漏水通道中，部分坝体土非常疏松，在抗渗坡降较低的坝体土区域，泥浆柱压力所造成的抗渗坡降远远大于最高水位水力坡降。通过对灌浆施工效果的观察分析，可以确定该坝体稳定性较高，抗渗性能较强。

4 结语

在水库大坝施工中，大坝防渗施工是重中之重，通过对劈裂灌浆施工技术进行详细探究可知，不仅适用于具有良好渗透性的砂层,还可用于粘性差的粘性土层。在劈裂灌浆施工中，注意灌浆施工步骤，施工细节等，大量浆液注入裂缝后，可见加固效果。结合工程实例，快速灌注稠浆是保证产生压密型灌浆的有效办法，但中途经常转化为劈裂灌浆，劈裂灌浆的施工简单，费用低，不可转化为压密灌浆。通过采用劈裂灌浆施工技术对大坝防渗，能够有效改善大坝的防渗性能，加固大坝稳定安全，避免坝体渗漏对于工程运行产生影响。在满足工程施工背景的条件下，劈裂灌浆技术值得推广和应用。