淺談劈裂灌漿在水庫土壩中的防滲加固機理

摘要：用劈裂灌漿防滲加固技術來改進壩體的穩定性，是堤壩加固領域的一種非常有效的加固方法，多年來該技術在中小型水庫上壩防滲加固中得到廣泛應用。本文針對土壩劈裂灌漿加固機理進行分析研究，并分析施工過程中注意事項。

關鍵詞：壩體加固 劈裂灌漿 數值模擬分析

0 引言

在世界大多數國家中，土石壩建設在壩工方面一直居于首位。世界土石壩得到迅速發展的同時，也發生過較多的事故，為這種發展付出了代價。可以說每一次土石壩技術的重大進步，都和事故的教訓有關。對于出現老化及異常情況的土石壩，為了防止其產生滲透破壞直至產生潰壩等工程事故，必須根據情況對其進行修補加固。土石壩建成后，經過多年運行，壩體產生老化是普遍存在的問題。當壩的力學穩定性或水力學穩定性受到損害時就要發生事故。據國內外學者統計，由滲透破壞造成事故的，約占全部事故的30%-40%。所以，土石壩的防滲加固，在世界范圍的水庫險壩的處理中占有很重要的位置。近年來，為了水庫的防洪安全，我國政府利用國債資金，在全國范圍內開展大規模的病險水庫處理。本文就劈裂灌漿技術在水庫土壩中的防滲加固機理分析，然后提出運用流固耦合分析方法進行模擬的思路。

1 劈裂灌漿方法研究

堤壩劈裂灌漿技術是在總結了傳統的堤壩灌漿技術的經驗教訓，分析了堤壩裂縫的成因以及泥漿劈裂堤壩規律的基礎上提出來的。美國在1970年即采用灌漿的方法處理了希爾克里格壩，該壩建成后在心墻與山坡接頭處出現漏水；英國60年代初期建成的巴爾德赫德壩，發現心墻裂縫后，60年代末期也采用灌漿的辦法進行處理；還有西班牙的阿爾龐上壩、墨西哥的勒克薩壩都采用過灌漿的方法進行處理，當時由于人們的種種擔心，致使這門技術未能得到發展。

我國解放初期在黃河大堤首次用鋼釬探測隱患，然后進行灌漿，取得了較好的效果。而后在一些中小型水庫上壩上進行充填式灌漿。到了70年代該技術開始用于處理一些大中型水庫的壩體隱患。到了70年代后期，人們總結了充填灌漿的經驗教訓，分析了壩體裂縫成因和灌注泥漿劈裂壩體的規律，提出了土壩壩體劈裂灌漿理論。劈裂灌漿與充填式灌漿有本質的區別。壩體劈裂灌漿是從產生壩體隱患的原因入手，利用壩體小主應力的分布規律進行布孔，利用水力劈裂原理，施加一定的灌漿壓力，有計劃有控制地劈裂壩體，灌注適宜的泥漿，通過漿壩互壓和壩體的濕陷固結等作用，使所有與漿脈連通的裂縫、洞穴、水平疏松層等隱患得到充填擠壓密實，形成豎直連續的漿體防滲帷幕。改善壩體內部的應力狀態，改善壩體的滲透穩定性和變形穩定性。隨著劈裂灌漿加固技術的推廣應用，其理論研究也得到不斷的發展。通過原型觀測、室內試驗、理論分析和工程總結對漿液劈裂壩體的規律、泥漿固結和壩體壓密、漿壩互壓以及壩體內部孔隙水壓力和土壓力的變化規律等方面獲得初步成果。

劈裂灌漿技術不論在施工工藝還是在理論研究方面取得了不少進展。但是，山于該項技術的特殊性及加固對象的多樣性，所以還有很多理論方面的問題沒有解決。例如，灌漿軸線的布置，復灌時間的確定，漿液在壩體中的固結規律，灌漿對壩體應力應變的影響，灌漿效果及持久性問題等。劈裂灌漿的理論研究遠遠落后于實踐需要，甚至制約了該項技術的進一步推廣。

2 土壩劈裂灌漿加固機理

土壩劈裂灌漿防滲加固機理是多方面的，首先是壩體內部應力的分布規律為劈裂灌漿提供了可能性，再就是灌漿過程中的泥漿的劈裂充填作用、漿壩互壓作用、壩體濕陷固結作用、壩體內部應力調整作用等。

2.1 水力劈裂原理，指是在水壓力作用下，使原物體產生裂縫或使原有裂縫擴大的過程。如果無限域中的圓孔受到均勻液體壓力P，要計算介質中的應力，已有經典解答。如果介質初始應力為零，則當P＞σi就會被劈裂，其中σi為介質的抗拉強度。若果介質初始應力為σ，則當P≥σ+σi就會被劈裂，式中如果σ是拉應力，則P+σ≥σi就會被劈裂。

2.2 土壩壩體的應力分布規律，土壩具有梯形斷面的條形建筑物，通過對土壩壩體的原形觀測及有限元分析，壩體內部應力分布規律一般如下：在壩軸線附近，土壩的豎向應力σi略小于土柱的自重壓力，土壩橫剖面的水平應力σx，比豎向應力σy小，約等于(0.3-0.5)σy，(即側壓力系數為0.3-0.5)。土壩填筑質量愈差，則側壓力系數愈小，壩頂部一定高度σx:還會出現拉應力。土壩的縱剖面的水平應力為σz二介于σx和σy之間。一般情況，土壩壩體壓應力符合σy>σz>σx的規律。根據土壩壩體的應力分布情況，利用水力劈裂原理，在壩軸線附近沿小主應力面布置灌漿孔。泥漿就容易沿這個平面將壩體劈開。

2.3 泥漿對壩體的劈裂充填作用。由于劈裂灌漿是以漿液為能量載體，高壓泥漿對壩體有很大的充填作用。泥漿充填壩體內部被劈開的灌漿通道，以及與通道相連的各種原有裂縫、洞穴等，充填作用與劈裂灌漿作用是同時進行的。隨灌、隨劈、隨充填，達到縫開、漿到、料滿。隨著復灌次數的增加，泥漿多次充填擠壓，使原壩體得到擠壓、密實，與漿體帷幕一起形成較高的防滲能力，因而達到充填壩體隱患和構造防滲帷幕的目的。

2.4 濕陷作用。泥漿灌進壩體，其中大量水分隨之進入壩體。水除了產生孔隙水壓力和對土的性質產生影響外，還對壩體產生濕陷作用。濕陷作用的大小與土壩質量和土料性質有關。濕陷作用對壩體是有利的，可以增加壩體的密實度和變形的穩定性，減少弱應力區范圍。停灌以后濕陷作用逐漸變緩，每次復灌都有濕陷，但濕陷率越來越小。濕陷使壩高有所降低，壩體體積縮小，在壩頂出現變形裂縫。這些裂縫經過多次復灌后都會被泥漿充填。

2.5 能量的調整和轉換。根據物體能量的轉換和傳遞規律，提出了土壩的裂縫破壞是由于壩體內部的變形和能量積累轉換造成的。要根除這種隱患，就必須使壩體內部分土體所積累的應變能充分釋放。劈裂灌漿就是通過灌漿壓力和土體濕陷變形，使原有的土體裂縫充分開裂，使己出現的弱應力區和強應力區之間的應力應變能相互傳遞轉換，打破原壩體內部應力的不平衡，恢復正常的應力狀態，使壩體內部的應力應變相對穩定。

2.6 漿壩互壓理論。土壩劈裂灌漿技術利用了上壩壩體的整體彈性特征，在灌漿過程中隨著灌漿壓力的反復增長和消失，具有彈性的壩體張開和回彈，使壩體和漿體反復擠壓，形成連續的漿體帷幕和兩側壓密的壩體聯合防滲帶。通過漿壩互壓，可以補救原壩體由于不均勻變形產生的小主應力不足，改變壩體內部的應力不平衡狀態，從而比較徹底地解決了土壩壩體的變形穩定和滲透穩定問題。

2.7 泥漿和壩體的固結和壓密。劈裂灌漿加固壩體的主要作用是利用泥漿在壩體中固結硬化后形成的帷幕進行防滲。因此泥漿在壩體內能否固結硬化，就成為土壩劈裂灌漿中最關鍵的問題。影響漿液固結的因素是十分復雜的，漿液固結速率和效果不但與壩體土質、施工質量、壩體應力狀態、漿體土料性質、漿體厚度等因素有關，而且還受壩前水位、施工工藝的影響。

3 結語

運用流固耦合分析方法進行模擬，用劈裂灌漿防滲加固技術來改進壩體的穩定性，是堤壩加固領域的一種非常有效的加固方法，多年來該技術在中小型水庫土壩防滲加固中得到廣泛應用。本文通過水庫土壩防滲加固機理分析，為進一步開展劈裂灌漿防滲加固技術提供理論支持與保證。

參考文獻：

[1]王洪恩，盧超.堤壩劈裂灌漿防滲加固技術[M].北京：中國水利水電出版社.2006.

[2]唐宇陽.土壩劈裂灌漿技術在風田水庫主壩加固中的應用[J].廣東水利水電.2004.6.