劈裂灌浆技术在陡山水库防渗加固中的应用

王爱敏，王进利

（1.临沂市水利工程处，山东 临沂 276000；2.山东临沂水利工程总公司，山东 临沂 276000）

陡山水库位于临沂市莒南县境内，坐落于沐河一级支流浔河中下游，控制流域面积超过430 km2，总库容超过2.92亿m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾发电、水产养殖、旅游等综合功能的大（2）型水库。陡山水库建设于1958年，在2013年9月份，相关部门对其进行了除险加固，核心问题是提高坝体防渗性。陡山水库大坝为黏土心墙砂壳坝，坝顶宽9 m，最大坝高28.6 m，坝顶高程132.1 m。通过现场考察，该水库坝体出现湿陷性裂缝，宽度为10~13 cm，发育长度达25 m，渗漏水流从坝体内带走大量泥砂，严重威胁大坝稳定坚固性。

1　劈裂充填灌浆技术介绍

目前水库坝体防渗加固方案主要有增设防渗心墙、加固水平铺盖、坝体高压灌浆等几类。随着高压灌浆技术的成熟，其施工工艺难度、加固成本等显著降低，为该技术的广泛应用创造了条件。

均质土坝或黏土心墙坝横断面大致对称，因而载荷也基本对称。劈裂灌浆技术本质是在存有渗漏的土坝轴线上钻孔并加注水泥浆，坝内土体会沿着纵断面开裂，若维持注浆压力，则裂缝会不断延伸，相当于在坝体内部劈开一道裂缝。水泥浆液凝固后便可形成一道垂直防渗墙体，且与坝体牢固结合。高压水泥浆可顺着坝体裂缝充填整个渗漏区域，显著提高坝体整体性和内部应力状态。

劈裂灌浆的适用条件包括以下几点：1）大坝结构为均质土坝或黏土心墙坝，且碾压效果较差；2）坝体浸润线过高；3）坝体内外部存在大量裂缝或较大面积弱应力区（或生物洞穴）。

2　施工工艺分析

劈裂灌浆技术主要包括：方案设计、施工、质量检查三部分工序。其中方案设计包括灌浆孔布置、灌浆材料设计、灌浆压力的确定，施工包括钻孔施工和灌浆施工。

2.1　劈裂充填灌浆技术参数设计

1）灌浆孔位置布设。①排孔位置设计。根据具体段位的不同，孔位设计也有区别，具体可分为河槽段、弯曲段、岸坡段和其他特殊段。在河槽段，一般沿着坝轴线稍微偏上游进行布孔，若病害严重可在下游再布设一道副排孔；在弯曲段、岸坡段和其他特殊段，坝体内部应力分布复杂，灌浆孔一般按照“多排梅花形”布设，待前期灌浆凝固后，再沿着坝轴线布孔加强排孔。本项目只需布设一道排孔，距防浪墙4.0 m（见图1）。

②孔深和间距。孔深根据病害发育确定，一般要求大于病害裂隙发育深度的2~3 m；当设计多排孔时，副孔深度一般为主孔的1/3左右。当孔深H＞15 m时，孔间距范围在5~8 m；孔深H＜15 m时，孔间距范围在3~5 m。具体深度由理论计算和现场试验综合确定。本项目根据裂缝发育范围确定钻孔深度H=18~20 m。

图1　灌浆孔位置示意图

2）灌浆材料的确定。劈裂灌浆材料一般选用和坝体内部填土相近的黏性土泥浆，本项目为保证灌注质量及浆液各种力学性能，选择含砂粉质黏土作为注浆材料，并加入一定量的水泥，使混合浆液密度达到1.5 g/cm3，该密度下泥浆的注入性、稳定性、凝固速度均较好，防渗性、弹性模数均符合要求。

3）灌浆压力计算。灌浆压力直接影响施工质量，是最重要的参数之一。本项目通过公式（1）进行理论计算，并结合参考值（见表1）共同确定灌浆压力P，最终确定本项目灌浆压力为0.23 MPa。

式中：h为被劈点以上土层厚度；γ为坝体填土密度；γ浆为浆液密度；σ为坝体土单轴抗压强度，试验值为1.5 N/cm3。

表1　劈裂灌浆压力参考值

2.2　劈裂灌浆施工要点分析

1）钻孔。钻孔施工技术成熟，其垂直度是最重要参数。一般要求：当孔深H＞20 m时，其垂直度误差不得大于±1.5°；当孔深H≤20 m时，垂直度误差不得大于±1°。本项目采用“清水钻进法”代替“干钻法”施工，可根据孔内漏水情况来快速确定出坝体内部的漏水位置，可显著提高工作效率。

2）灌浆施工。本项目采用“分次全孔间隔”灌浆法，灌浆管道下放至距孔底0.5 m处，不设堵浆塞。在最初几次灌注中，尽量不使裂缝延伸到坝顶，为了增加坝体回弹力及加快水泥浆固结速度。当经过数轮灌浆后，注入量很小或帷幕厚度已达到设计数值时应即刻停止，提升注浆管3~4 m后再继续灌注。

在灌浆施工时，应注意以下几个问题：①孔口压力要小于设计最大压力；②单孔注浆量每次不得少于10 m3；③单孔注浆次数应不少于5次，每次不少于2 d；④要求每次灌浆后坝顶水平位移量不超过2 cm，且坝顶裂缝宽度应小于3 cm；⑤灌浆施工遵循的原则是“先稀后稠，少灌多复”。

2.3　劈裂充填灌浆技术常见问题处理分析

1）钻孔漏浆问题处理。钻孔漏浆是灌注施工最常见问题，本项目就有15个钻孔出现漏浆，原因是遇到空洞或裂缝。可通过将钻杆作为注浆管，不再提杆换管；加大浆液稠度，若注入量过大，则是由于附近有冒浆口，找到并堵住后再继续注浆。

2）坝顶冒浆处理。坝顶（坝坡）冒浆是因为内部存在通道，包括洞穴、贯通缝等，遇到该问题时应先找到冒浆口进行堵死，之后及时进行复灌，可适当增加复灌次数及压力，发挥浆液和坝体互相挤压作用，使其结合更加紧密。

3　结语

劈裂充填灌浆技术目前在坝体除险加固中应用广泛，具有施工简单、成本低、设备配套完善等特点。陡山水库大坝经处理后其渗漏量减少了90%以上，坝体稳固性显著增强，加上其他设施的拆除重建，使用寿命至少延长25年，取得了较好的经济社会效益。

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