摘要：水利工程是利国利民的基础工程，对于一个国家来说，优质的水利工程为国家建设、经济建设提供了基础动力。而在水 利工程中水坝起到了关键作用，作为水坝中最为常见的形式，土坝展现了巨大的优势。但随着使用年限的增加，大部分土坝都需 要进行加固施工，土坝加固技术多种多样，而其中最为简单的施工方式便是劈裂灌浆法。该种方式施工周期相对较短，且施工成 本相对低廉，加固效果差强人意，因此得到了广泛的推广应用。文章主要针对劈裂灌浆法的应用机理进行了详细的分析，以供各 位同仁借鉴参考。
关键词：土坝；加固；劈裂灌浆
随着水利工程在我国基础设施建设中的不断完善，在国家的建 设以及社会的进步中水利工程都起到了积极的推动作用，不但在农 业灌溉中发挥了重要的作用，还有效调节了水资源的利用，对生活 用水、工业用水等进行了合理的分配，因此国家对于水利工程施工 力度也给予了调整，逐年加大施工力度。而在水利工程中，堤坝起到 了基础性的作用，目前我国使用的堤坝形式主要分为两种，即石坝 和土坝。在目前运行中的水利工程中，土坝应用相对广泛，但其稳定 性以及强度相比石坝要差一些，因此如何有效加固土坝成为了水利 工程建设施工中的重点。而在土坝加固施工中，劈裂灌浆法得到了 广泛的认可，成为了目前最常用的施工方式。
1 劈裂灌浆技术理论分析
劈裂式灌浆是一种运用坝体内自身应 力分布规律，用一定的灌浆压力，将坝体沿 某一特定方向（对土坝或者堤防而言，一般 是坝轴线方向）劈裂，同时灌注适合工程加 固要求的泥浆，形成铅直连续的防渗泥墙 的坝体（主要用于防渗）加固技术。由于其 灌浆压力较一般充填式灌浆大，从而可以 更有效的堵塞漏洞、裂缝或切断软弱层，以 提高坝体的防渗能力和坝体填筑的密实 度，同时通过浆、坝互压和湿陷，使坝体内 部应力重新分布，提高坝体变形稳定性。另 外，由于坝体对坝基的作用，坝基的应力分布也会具备与坝体相似的规律（当然是在 一定深度范围内），从而在其应力影响范围 内，也可达到将坝基劈裂，提高坝基防渗能 力和坝基密实度等作用。
1.1 劈裂灌浆技术可灌性的初步分析
对于土坝，一般为梯形断面，在自重作 用下，在横向由于其高度不同，导致沿其纵 轴线附近（坝顶或心墙顶宽范围内）一般是 最小主应力面。或者说，一般情况下，在坝 顶宽度范围或心墙顶宽范围内的土层本身 就受有两侧土体向两边的拉力（具体见下 述“浆脉厚度一般规律”分析），一般这个拉 力不能导致土体的拉裂（土体的这种状态 被称为弱应力状态），一旦沿这个方向进行压力灌浆，将会导致其劈开。因此，均质土 坝、心墙粘性土等等都是可灌的，其可灌性 决定于压力泥浆对它的劈裂程度和心墙粘 土被压缩变形的大小。灌浆压力对坝体劈 开的方向、长短和宽度，决定于原坝体的应 力分布和大小。在灌浆压力作用下，坝体总 是沿其最薄弱面（最小主应力作用面）劈 开。因此，按照坝体的一般应力分布规律，通过合理的灌浆工艺，就可以实现对坝体 有计划的劈裂，以达到消除隐患、稳定坝体 的目的。
1.2 防渗浆脉厚度的一般规律
所谓防渗浆脉即劈裂后，沿劈裂面形 成的起防渗作用的浆脉厚度。要找到防渗浆脉厚度的一般规律，首先应从理论上分析 土坝坝体体型的最小主应力面。由于土坝、心 墙等均为两侧带有一定坡比的分层填筑体，取一般的坝体作为模型。在坝体的深度方向 为地球时，几乎可以认为是无限远，故该方向 应力最大，为第一主应力；沿坝体纵轴线方向 比横向要长的多，所以该方向应力为第二主 应力，故最小主应力方向一般存在于横向。土坝基础一般为土基，由于其上坝身的 压力，其自身内部也会存在弱应力区，且水平 分布与坝身相似（因为是坝身土柱压力直接 引起的）。另外，由于坝基的灌浆压力最大，所 以也可以将坝基一定深度范围内劈开，形成 浆脉，从而增加劈裂灌浆的整体防渗效果。
1.3 浆、坝互压的作用机理
土坝坝体劈裂式灌浆的任务之一，就是 在允许的范围内尽量增大灌浆压力，使原来 较为疏松的土体在某个范围之内得到一定程 度的压实。停灌以后，由于孔口压力的取消、泥浆的浓缩固结和泥浆压力逐渐减小，坝体 则因其弹性恢复，与浆液形成互压，在压力下 浆液会自然的向两侧渗透，从而在连续的防 渗层的两侧形成一定厚度的渗透层，不但提 高了防渗厚度和防渗能力，也提高了浆液渗 透层的密实度。此外，通过灌浆压力和土的湿 化变形，使坝体内部的应力再分配，由应力的 不均衡趋向均衡，从而使坝体达到变形稳定 的目的。
1.4 泥浆的排水固结
泥浆本身的防渗性能在 10- 5cm/s～10- 8 cm/s 间，所以虽然泥浆的固结时间很长（尤 其是坝体下部的浆脉），但并不影响其防渗 效果。同时，当停止灌浆之后，孔口压力下降到 零时，泥浆中孔隙压力等于泥浆柱压力。当泥 浆的析水完成后，浆体的孔隙压力将逐渐小 于泥柱压力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此时，浆体由析水浓缩阶段进入 排水固结阶段。因下部泥浆受的压力较大，泥 浆的固结硬化顺序是自上而下的，这也有利 于尽早发挥浆体的截渗作用。另外，在浆体的水平截面上，由于泥浆水 分的排向坝体内而固结，因此其固结顺序是 自外向内的，即靠近坝体的浆体部分先固结，然后向里固结，浆体的中心部分最后固结。这 对于尽早发挥浆体的阻水作用，提高浆体的 防渗能力也是有益的。
2 工程实例分析
某水库属小型水库为土心墙，土坝上下游边坡均为 1：3。最大坝 高 18.7m，总库容 256 万立方，库容 192 万立方，灌浆设计是在坝体 轴线布 1 排孔，分两次序施灌厂序孔距为 6m，最终孔距 3m。根据坝 体隐患和表现病定态，河槽段孔深最大为 20m，即达到坝体高 1304.0m。岸坡段打至冲击不进为止。河槽段浆体厚度为 20cm，岸坡 段以孔口压力控制浆液先稀后稠，比重 12.4-13.4kN/立方。灌浆孔口 压力，以始灌的启开峰值为根据要求在时间允许的情况下尽量增加 复灌次数。通过对观测记录进行分析和总结，在施工之中孔间劈裂缝灌浆 的搭接率在 80%以上，局部段位能够达到 100%以上，在灌浆的时候 平均水泥浆的灌注量约为 2.15 立方，最大单孔吃浆量为 31.8 立方，吃浆量大的灌浆孔说明其周围存在较大洞穴。灌浆结束后随机挖深 3m、长 3m、宽 1.5m 的深坑 5 个，深坑中劈裂缝由灌浆孔底部贯通到 了堤顶裂缝最宽处，达到了 30mm，浆脉清楚，浆液固结体密实。
2.1 具体劈裂灌浆设计
经确定由宝鸡市水管站对鱼岭水库大坝 实施劈裂灌浆试验，具体设计与施工主要有以 下内容。灌浆设计的主要内容（1）布孔。灌浆孔沿心墙轴线上游 1.1m 处 单排布置，两序施工。河槽段孔距 7.5m，岸坡 段孔距为 5m，孔深达坝底基岩（主要原因是考 虑心墙顶宽较窄，在岸坡段没有布置多排孔的 条件，于是减小孔距，以利形成连续浆脉。对 有条件在岸坡段进行应力调整的，进行 3 排或 多排布孔更趋合理）。（2）浆体帷幕厚度。参照一般经验和设计 水头，考虑其带有一定的试验性质，最后选定 心墙的设计帷幕厚度为 7.5cm。
（3）灌浆控制压力。根据“ 规范”附录公式 计算，最大瞬时孔口灌浆压力严格控制在 0.25MPa 以内（否则可能由于孔下部压力太大 而推开坝体，有失稳危险）。（4）灌浆期坝体稳定。对在泥浆压力作用 下的坝体稳定性按规范进行了复核。2.2.2.灌浆效果 鱼岭水库坝高大于 50m，又是窄心墙，实 施劈裂式灌浆带有试验性和探索性，但从灌浆 效果来看基本是成功的。劈裂灌浆总灌土量 1569.4m3（自然方），心墙中形成的帷幕面积 9120.7m2，浆脉计算平均厚度 10.7cm。反复多 次的灌浆工艺，不但加速了心墙的湿陷固结，充填了心墙的孔洞裂缝，而且通过多次浆坝互 压，使幕墙两侧土体和心墙上游侧的“次土区”（风化岩土、粘性土掺合填筑区）得到充分挤 密，形成一道宽 5m～6m的浆液渗透区（对防渗 能力的提高也有相当作用），达到了对心墙全面 补强加固的目标。与前述理论分析非常吻合。根据陕西省水电设计院在其 2004 年 12 月编制的《鱼岭水库大坝设计方案变更说明》，作了“大坝粘土心墙质量较好”的结论性描述，具体如下。
（1）裂缝情况。除在高程 699.0m处发现局部 细小裂缝外（注：地质报告压水试验值为 2.9Lu，呈弱透水性），其它部位未发现新的裂缝。（2）粘土心墙干密度和渗透性指标均 较好。大坝心墙不同高程取土样测验的干 密度最小值分别为 1.56 g/cm、1.50 g/cm、1.57 g/cm，平 均 值 分 别 为 1.64 g/cm、1.62 g/cm、1.62g/cm。测验的心墙土渗透系数均在 10- 5cm/s～10- 6 cm/s 之间，说明加固后的心墙 有较好的密实性。（3）坝后渗水量明显减少，渗水坑范围缩 小，水位降低，大坝运行正常。灌浆实践证明，劈裂灌浆具有在心墙形成垂直幕墙，堵塞心墙 孔洞、裂隙，切断松散夹层渗水通道，提高心墙 防渗抗渗能力和变形稳定性等特点，可以达到 对心墙全面补强加固的目的。由于鱼岭水库大 坝心墙原施工质量太差，劈裂灌浆中出现过大 的深陷、水平位移，这是坝体心墙湿陷固结、挤 压过程中出现的正常现象，表面看起来是坏 事，实际正是劈裂灌浆比普通充填灌浆工艺明 显优势的具体表现。
结论
劈裂式灌浆技术在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，虽然是较新的技术，但已经被广 泛的运用于堤防和病险水库的加固。而在实 施过程中，除应按照劈裂灌浆的理论因地制 宜地进行设计外，还应注意施工工艺，最好请 专业的队伍进行施工，以保证灌浆的质量，进 而达到设计预期的效果。
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论文作者:方耿俊
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/27
标签：土坝论文; 压力论文; 应力论文; 泥浆论文; 防渗论文; 坝基论文; 作用论文; 《基层建设》2017年第10期论文;