劈裂灌浆在水库土坝中的防渗加固机理探讨

曾 云

（江西省赣西土木工程勘测设计院，江西 宜春 336000）

水库土坝是水利工程中一种常见的坝体结构，其具有成本低廉、施工简便的优势，深受相关领域人员的青睐，但是因为质地问题，土坝的综合质量是无法与混凝土等其他坝体相互比较的，尤其渗漏现象发生的概率位居所有坝体中的首位。为了尽可能减少渗漏情况的发生，现代许多工程单位都开始重视土坝加固技术的应用，其中就包括了劈裂灌浆技术，此项技术作用于土坝的内部，能够彻底改变土坝渗漏点的质量，具有较高的应用价值。

1 现代劈裂灌浆技术水平分析

劈裂灌浆在我国早期水利加固工程中的应用主要是针对黄河大堤的加固，在当时主要采用钢纤探测方法对黄河大堤的原有隐患进行分析，之后人工打开隐患点，并对隐患点进行灌浆作业，这种加固方式就是劈裂灌浆的雏形。实践表明，雏形阶段的劈裂灌浆已经具备良好的加固效果。随着科学技术的不断发展，人们逐渐掌握了灌注泥浆劈裂坝体的规律，总结出了劈裂灌浆与最早期的人工灌浆方法的区别。具体来说，劈裂灌浆会针对坝体渗漏或其他质量问题而发挥作用的，并不是单纯的加强坝体局部或者整体的质量[1]。

就原理来看，主要是结合坝体小主应力分布的规律，按照水利劈裂原理进行开孔，并利用灌浆压力控制设备，有效控制劈裂力度，以更好地完成劈裂空间内部灌浆。当液态的浆液进入劈裂空间后，会延着空间内部下流，直至填满所有孔洞，从而达到增加坝体内部结构的密实度的目的，起到良好的防渗作用[2]。

虽然，劈裂灌浆在坝体防渗加固工程中已经广泛应用，但仍然存在一些不足，主要表现在灌浆轴线布置、复灌时间的不确定；浆液效果计算不精准等方面[3]。

2 水库土坝劈裂灌浆加固机理

劈裂灌浆所产生的作用与土坝之间有密切联系，但在归类上大多都属于力学范畴，其机理也存在不同的表现形式。下文将针对劈裂灌浆作用的不同机理展开讨论。

2.1 水力劈裂

水力劈裂机理是指在强大的水体压力作用下，坝体会产生裂缝并且裂缝不断扩大的力学现象。从理论角度讲，如果产生裂缝的主体是无限大的，水力劈裂机理会使得裂缝无限扩大，但实际中，当裂缝达到一定极限之后，坝体的应力结构将无法对等，从而导致决堤等现象。此时就要求劈裂灌浆产生的机理作用能够抵抗水利劈裂机理的作用形态，保障灌浆结构不会轻易被破坏，而要实现此目的就必须经过严格的计算，具体计算方法如下文所述。

假设水力冲压力给坝体裂缝造成的应力为P，那么在介质初始应力为0 的条件下，当介质抗拉强度ai 大于P，就会导致坝体被劈裂。当介质初始应力的拉应力为a 时，P≥a+ai 坝体就会被劈裂；P+a≥ai 也可以劈裂[4]。图1 为水力劈裂原理示意图。

图1 水力劈裂原理示意图

2.2 泥浆劈裂填充机理

在劈裂灌浆工作中，主要作业部分在于泥浆浆液，如果给泥浆浆液施加较高的冲击力，那么就很容易能够劈裂坝体内部结构，从而使泥浆浆液能够顺利流入裂缝孔隙当中，增强坝体密实度，实现防渗功能。另外，由于在实际施工当中，坝体孔隙较多，单次的泥浆劈裂填充并不能满足整体需要，所以填充需要多次反复进行，这样不仅仅可以使泥浆填充所有裂缝空隙，还能够对已经流入孔隙中的泥浆进行补充，进一步增强劈裂灌浆的能效性。图2 为泥浆劈裂灌浆示意图。

图2 泥浆劈裂灌浆示意图

2.3 湿陷机理

泥浆是一种土与水的混合体，介于水的溶解能力以及配比控制，才能形成液态的泥浆。劈裂灌浆过程中，当液态泥浆进入到坝体内部之后，随之就会将其中的水分也带入其中，此时水在与坝体原土体接触之后，就会造成湿陷作用。所谓的湿陷作用是指土体遇水之后发生的变化，具体包括软化、下陷等，作用程度主要取决于土体的质量与性质。对土坝坝体而言，湿陷作用是有利于的，特别在劈裂灌浆作用下，能够增加土体的密实性、抗变形稳定性，同时还能减少应力不足区域的范围。另外，湿陷现象还可以体现劈裂灌浆工作的进度，在劈裂灌浆的初始阶段，由于土体孔隙率较大，起初的湿陷程度也较大，之后随着劈裂灌浆量的增加，湿陷程度会逐渐变小，当湿陷程度降低到一个微小的程度时，就说明劈裂灌浆已基本完成，这也属于湿陷机理的一种表现。图3 为湿陷例图。

图3 湿陷例图

2.4 能量调整与转换

部分渗漏现象的形成过程十分漫长，其原因在于土坝土体不断受到水力冲压力侵扰，部分土体结构会发生细微的位移或者形变，长年累月，这种细纹的变化会不断扩大，当达到一个临界点之后，就会出现局部塌陷现象，甚至产生裂缝。这种现象在专业领域当中被称为能量累积转换，而要消除这种现象，从劈裂灌浆角度讲，施工过程中会先将累积的能量全部释放，之后才产生防渗作用。主要原因在于，劈裂灌浆的施工会带来灌浆的压力，再加之土体湿陷作用，会使得一些原本细微的变化扩大，此时瞬间就会将能量释放出来，而虽然这种现象会扩大细微的变化，但是在之后的灌浆填充之下，可以完全弥补这种影响，实现土体的应力结构重塑，达到防渗目的。

2.5 浆液坝体互压机理

浆液与坝体两者都具有应力变换的特质，即浆液在凝固过程当中，会产生向外的应力；坝体在受到破坏之后，其周边土体也会因为应力结构改变而产生向内的应力。由于浆液与坝体之间的应力变换方向是相对的，因此在劈裂灌浆当中，当浆液进入坝体之后，两者会产生互压机理。从而使浆液能够对原本应力不平衡的坝体进行填充，使其应力重新恢复平衡，同时也可以改善因为不均匀变形造成的小主应力较弱的问题，有助于水库土坝的稳定性。

2.6 泥浆与土坝的固结压密机理

水是一种具有溶解特性的物质，而土体是可溶性物质，在两者相遇之后就会产生良好的融合性。劈裂灌浆过程中，当泥浆灌注到土坝中之后，泥浆的水分会带动泥浆中的泥成分与坝体土体进行相互融合，进而完成填充过程，而在融合填充之后，水分会被土体逐渐吸收，此时水分越少土体之间的固结程度就会越高，当水分减少到一定程度之后，就说明土体的应力结构已经趋于完成。另外，坝体土体的压力会随着劈裂工作的进行而不断增加，在此压力作用下，泥浆当中的泥成分会快速的与坝体土体融合，并不断与原有土体连接紧密，形成高密实度的水库土坝，这一过程在理论上被称为压实机理。

3 实例劈裂灌浆机理设定

3.1 实例概况

某水库土坝总面积1368 万m2，蓄水面积13.05 km2，该工程中设立了一道主坝，长度41 m，高度35.60 m，厚度3 m～12 m。实例工程因为工期较长，其坝身产生了许多裂缝现象，存在许多安全隐患。对此，实例工程单位决定采用劈裂灌浆技术对该坝体进行除险加固。施工中严格控制劈裂灌浆压力、灌浆用量等参数，执行灌浆施工要求才能满足实例工程中的防渗要求。

3.2 劈裂灌浆压力计算

作业面强度的测量结果显示，该土坝背水面强度为700 tMPa，触水面强度为800 tMPa，土坝表面两侧的抗压能力良好；具体渗漏点的强度测量结果显示，渗漏点已经渗漏了坝体3/2，剩余面积的抗压强度只有130 tMPa，表层抗压强度为110 MPa；同时，针对防渗点的抗压能力，该工程对劈裂灌浆的压力进行了计算。计算结果如表1 所示。

表1 劈裂灌浆压力计算结果

3.3 灌浆用量计算

灌浆用量计算公式如下

式中：V 代表灌浆用料量；A 代表灌浆帷幕面积；T 代表灌浆帷幕厚度；K1代表充填空隙的系数；K2代表土料筛余系数，计算结果如表2 所示。

表2 灌浆用量计算结果

3.4 灌浆施工要求计算

该工程主要采用42 mm 的钻管以及锥头锤进行凿孔作业，经计算，凿孔深度宜为2.6 m。此外，为了保障施工质量，要求施工人员严格围绕“少灌多复”的原则进行施工，当孔深小于20 m 时，灌注次数不低于5 次，孔深大于20 m 时，灌注次数不低于7 次。

4 结语

土坝坝体劈裂灌浆技术克服了防渗墙存在的常见问题。它的基本原理是利用坝体小主应力面基本沿坝轴线分布的这一规律，利用灌浆压力沿轴线劈裂坝体，灌入泥浆，构造浆体防渗帷幕，解决坝体渗透的稳定问题；同时利用坝体的湿陷固结特性和浆坝互压，改善坝体内部应力，解决坝体的变形稳定问题。劈裂灌浆技术不仅仅在土坝坝体灌浆实践方面是个创新，而且在加快危险土坝的治理方面也发挥了巨大的作用。