劈裂式灌漿技術在均質土壩加固中的應用

信陽市水利勘測設計院聶守洋

劈裂式灌漿技術在均質土壩加固中的應用

信陽市水利勘測設計院聶守洋

按照1998年中央15號文件精神，依據《水庫大壩安全鑒定方法》，《全國病險水庫除險加固專項規劃》篩選出30413座需要優先除險加固的三類水庫。隨著全國病險水庫加固工程的順利進行，灌漿技術在土壩加固中的作用舉足輕重。灌漿可分為充填式灌漿和劈裂式灌漿，充填式灌漿是利用漿液自重使其注入土體隱患處，以堵塞洞、隙，因其灌漿方式應用于水庫大壩效果不佳，不能有效解決壩體滲漏等病險，沒有得到具體運用。劈裂式灌漿是運用壩體應力分布規律，用一定的灌漿壓力，使壩體沿壩軸線方向劈裂，同時灌注泥漿，形成豎直連續的防滲墻，堵塞漏洞、裂縫或切斷軟弱層，以提高壩體的抗滲能力，同時通過漿壩互壓、濕陷，使壩體內部應力重新再分布，進而提高壩體的變形穩定性。該防滲加固技術已在信陽市中型水庫均質壩型中得到廣泛的應用，如洪山水庫、紅石嘴水庫、王堂水庫、鐵佛寺水庫、老鴉河水庫、老龍埂水庫等，大部分已實施完畢，防滲效果良好。

一、灌漿原理

1.可灌性和作用應力分析。實驗證明，在灌漿壓力作用下的黏土泥漿，在具有大孔隙的卵石和粗砂層中，當灌漿壓力超過一定值時，以滲透和劈裂兩種形式出現，對具有小孔隙的細砂、黏土，只能以劈裂的形式存在。因此，土壩黏性土是可灌的，其可灌性決定于壓力泥漿對它的劈裂程度和黏土防滲體被壓縮變形的大小。灌漿壓力對壩體劈開的方向、長短及寬度，決定于原壩體的應力分布和大小。在灌漿壓力作用下，壩體總是沿其最小主應力作用面劈開，即沿壩體縱向劈裂。因此，按照壩體的一般應力分布規律，通過合理的灌漿工藝，就可以實現對壩體有計劃地劈裂，以達到消除隱患且穩定壩體的目的。

2.作用原理。土壩壩體劈裂灌漿的任務之一就是在允許的范圍內盡量增大灌漿壓力，使原來較為疏松的土體在某個范圍內得到一定程度的充實；停灌以后，由于孔口壓力的取消和泥漿的濃縮固結，泥漿壓力逐漸減小，壩體則回彈壓縮泥漿。實際操作中，通過多次復灌可充分發揮漿、壩互壓作用，對提高壩體的密實度并保證灌漿質量是有效的。此外，通過灌漿壓力和土的濕化變形，使壩體內部的應力再分配，由應力的不均衡趨向均衡，從而使壩體達到變形穩定的目的。

3.泥漿的排水固結。停止灌漿后，孔口壓力在漿縫中下降到零時，泥漿中孔隙壓力等于泥漿柱壓力。當泥漿的析水完成后，漿體的孔隙壓力將逐漸小于泥柱壓力，此時，漿體由析水濃縮階段進入排水固結階段。因下部泥漿受到的壓力較大、且滲徑短，泥漿的固結硬化順序是自上而下的，這有利于盡早發揮漿體的截滲作用。

由于泥漿水分排向壩體內而固結，在漿體的水平截面上其固結順序是自外向內的，即靠近壩體的漿體部分先固結，然后向內固結，漿體的中心部分最后固結。這對于盡早發揮漿體的阻水作用、提高漿體的防滲能力是非常有益的。

二、工程實例

1.老鴉河水庫壩體劈裂灌漿。老鴉河水庫位于淮河左岸一級支流老鴉河上游，壩址位于信陽市平橋區平昌關鎮古城村，控制流域面積84km2，流域多年平均徑流量3444萬m3，總庫容4581萬m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養殖等綜合利用的中型水庫，主體工程屬Ⅲ級建筑物，主體工程包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪閘、灌溉閘等。壩型為均質土壩，最大壩高20.5m，壩長880m，壩頂高程108.5m。

自1969年建庫以來，大壩數次出現下游壩坡滲水、漏水等現象，雖經小規模的修修補補，治標不治本，而且有愈演愈烈的趨勢，亟待徹底根治。2006年年底對該水庫進行了安全鑒定，2008年淮委對初步設計進行了批復，批復方案中對壩體采用劈裂灌漿技術進行防滲處理，壩體劈裂灌漿范圍位于樁號0＋000～0＋850，采用單排布孔，沿壩軸線布設，分兩序孔施灌，設計最終孔距為4.0m，黏土漿灌注。根據基礎情況，鉆孔深入壩基1.5m。目前，依據施工設計方案，工程已順利完工，防滲效果良好。

2.老龍埂水庫壩體劈裂灌漿。老龍埂水庫位于信陽市潢川縣城郊，屬中型水庫，主壩壩型為均質土壩，最大壩高4.5m，壩長720m，壩頂高程53.5m，最大庫容1117萬m3，流域面積20.0km2。水庫興建時，正值10年浩劫時期，工程在無任何勘測設計資料的情況下倉促上馬，屬“三邊”工程；由于當時建筑材料缺乏，建筑物結構簡陋，施工質量低劣，加上近40年的運行，目前工程存在著諸多問題，其中主要問題是：現狀壩頂存在裂縫、凹陷現象，下游壩腳多處滲水、散浸，局部呈沼澤狀。

2004年年底對該水庫進行了安全鑒定，2007年淮委對初步設計進行了批復，批文對壩體嚴重滲漏的主河槽壩段進行壩體劈裂灌漿，灌漿處理范圍從樁號0+100～0+600，在壩體軸線布1排孔，分兩次序施灌，一序孔距為6m，最終孔距3m，黏土漿灌注，根據基礎情況，鉆孔深入低液限黏土層3.0m。漿液先稀后稠，比重12.4kN/m3～13.4kN/m3。灌漿孔口壓力，以始灌的啟開峰值為根據。要求在時間允許的情況下，盡量增加復灌次數。

施灌一序孔打67孔，進尺1005m、注干土量46.18萬kg，最大注入漿量發生于樁號0+400處。在一序施灌中均采用了復灌、輸灌，復灌次數一般在2～4次。二序打66孔，進尺990m、注入干土量45.49萬kg。二序孔施灌與一序孔相隔半個月以上。此次灌漿河槽段漿脈厚度理論計算可達到30cm，處理段兩側沉降量達6cm左右，灌漿效果較好