劈裂灌漿技術(shù)在中小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用

摘 要：隨著我省小型水庫(kù)病險(xiǎn)加固工程的實(shí)施，人們對(duì)水庫(kù)的防滲加固技術(shù)提高了重視。為了能夠有效地提高壩體的穩(wěn)定性，我們通常采用劈裂灌漿技術(shù)，這種技術(shù)在堤壩加固工程中被廣泛使用，效果也十分明顯。文章主要對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的分析和研究，并提出了施工中應(yīng)該注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：壩體加固；劈裂灌漿；數(shù)值模擬分析

引言

在世界范圍內(nèi)的水利工程建設(shè)中，土石壩在眾多的壩體工程中占首位，在土石壩快速發(fā)展的過(guò)程中，時(shí)有發(fā)生一些安全事故，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，因此我們必須對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入思考。為減少由于滲漏而產(chǎn)生的事故，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況對(duì)壩體進(jìn)行除險(xiǎn)加固。根據(jù)相關(guān)的調(diào)查顯示，因?yàn)闈B漏而導(dǎo)致的事故占總事故的百分之三十到百分之四十。所以土石壩的防滲加固已經(jīng)成為了水庫(kù)安全的重點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)前，為了提高水庫(kù)的安全使用年限，在全國(guó)范圍內(nèi)大面積鋪開(kāi)了水庫(kù)堤壩除險(xiǎn)加固工作。下面我們就堤壩加固技術(shù)中最為常用的劈裂灌漿技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的分析。

1 劈裂灌漿方法研討

劈裂灌漿就是采用孔底注漿、全孔灌注的方法，有控制地加大灌漿壓力，利用漿壓力（灌漿開(kāi)始用稀漿）將壩身劈裂成縫，再?gòu)?qiáng)制性注入濃漿液，使縱向漿脈在堤內(nèi)部形成垂直的防滲帷幕。這種技術(shù)主要是在傳統(tǒng)的灌漿技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同堤壩裂縫產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，找出相應(yīng)的規(guī)律。美國(guó)在一九七零年就已經(jīng)使用了劈裂灌漿技術(shù)處理了希爾克里格堤壩，但是在該壩建成以后在心墻和山坡的接頭處出現(xiàn)了裂縫，嚴(yán)重地影響了大壩的正常使用。還有一些別的國(guó)家也都使用了這種劈裂技術(shù)，但是正是因?yàn)檫@些裂縫的產(chǎn)生，導(dǎo)致這種技術(shù)沒(méi)有被廣泛的應(yīng)用，限制了劈裂灌漿技術(shù)的發(fā)展。

我國(guó)首次使用灌漿技術(shù)是在解放初期黃河大堤上，取得的效果十分滿意。以后在我國(guó)各地的中小型水庫(kù)推廣使用了填充式灌漿技術(shù)。到二十世紀(jì)七十年代，這種技術(shù)就被應(yīng)用到大中型水庫(kù)防滲加固工程中。到了七十年代后期，人們已經(jīng)對(duì)填充灌漿技術(shù)進(jìn)行了一定的總結(jié)，分析了壩體產(chǎn)生裂縫的原因以及規(guī)律，提出了劈裂灌漿技術(shù)的理論。劈裂灌漿技術(shù)和填充式灌漿技術(shù)有很大的區(qū)別，具體來(lái)說(shuō)，劈裂灌漿技術(shù)主要是從壩體裂縫產(chǎn)生的原因入手，然后對(duì)壩體應(yīng)力情況進(jìn)行分析并按照相關(guān)規(guī)律進(jìn)行布孔，利用水的應(yīng)力來(lái)增強(qiáng)灌漿的壓力，有步驟地劈裂壩體，灌入一定的泥漿，通過(guò)泥漿的壓力作用來(lái)實(shí)現(xiàn)固結(jié)目的，并能夠?qū)崿F(xiàn)裂縫之間相互連通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)填充密實(shí)并形成帷幕。此外，通過(guò)劈裂灌漿技術(shù)還能夠改善壩體自身的穩(wěn)定性以及應(yīng)力狀態(tài)。伴隨著劈裂灌漿技術(shù)在實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的理論知識(shí)也得到了一定的發(fā)展。通過(guò)對(duì)劈裂灌漿技術(shù)的觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)、分析以及總結(jié)，我們可以發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)的規(guī)律、實(shí)際的固結(jié)情況等，這樣能夠幫助我們更好地使用劈裂灌漿技術(shù)。

隨著劈裂灌漿技術(shù)的推廣，該項(xiàng)技術(shù)在理論方面以及施工技術(shù)方面都得到了很大的進(jìn)步，但是這種技術(shù)有其自身的特殊性同時(shí)加固對(duì)象也呈現(xiàn)出多樣化的情況，所以有很多理論方面尚需解決。比如，灌漿的具體布置、漿液在壩體中的固結(jié)時(shí)間和規(guī)律等等。就當(dāng)前情況來(lái)說(shuō)，劈裂灌漿技術(shù)的理論方面遠(yuǎn)落后于相關(guān)實(shí)踐的需要，這就制約了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

2 土壩劈裂灌漿加固機(jī)理

2.1 水力劈裂原理，指是在水壓力作用下，使原物體產(chǎn)生裂縫或使原有裂縫擴(kuò)大的過(guò)程。如果無(wú)限域中的圓孔受到均勻液體壓力P，要計(jì)算介質(zhì)中的應(yīng)力，已有經(jīng)典解答。如果介質(zhì)初始應(yīng)力為零，則當(dāng)P>σi就會(huì)被劈裂，其中σi為介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度。若果介質(zhì)初始應(yīng)力為σ，則當(dāng)P≥σ+σi就會(huì)被劈裂，式中如果σ是拉應(yīng)力，則P+σ≥σi就會(huì)被劈裂。

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

2.3 泥漿對(duì)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(duì)壩體有很大的充填作用。泥漿充填壩體內(nèi)部被劈開(kāi)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(shí)進(jìn)行的。隨灌、隨劈、隨充填，達(dá)到縫開(kāi)、漿到、料滿。隨著復(fù)灌次數(shù)的增加，泥漿多次充填擠壓，使原壩體得到擠壓、密實(shí)，與漿體帷幕一起形成較高的防滲能力，因而達(dá)到充填壩體隱患和構(gòu)造防滲帷幕的目的，提高壩體的穩(wěn)定性及防滲能力。

2.4 濕陷作用

當(dāng)泥漿被灌入壩體，其中很大一部分的水分就會(huì)直接進(jìn)入到壩體中。這些水分產(chǎn)生的壓力不僅對(duì)壩體土產(chǎn)生一定的影響，還會(huì)對(duì)壩體產(chǎn)生濕陷作用。這種濕陷作用的情況和壩體自身的情況有直接關(guān)系。在使用劈裂灌漿技術(shù)過(guò)程中，產(chǎn)生濕陷情況對(duì)增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性以及密實(shí)程度是十分有利的，能夠有效減少弱應(yīng)力的范圍。在這種濕陷作用會(huì)隨著停灌而變得越來(lái)越小。此外，濕陷作用會(huì)導(dǎo)致壩體高度變小，在壩的頂端出現(xiàn)裂縫，這就需要我們對(duì)壩體進(jìn)行多次的復(fù)灌，使這些裂縫被泥漿填滿。

2.5 能量的調(diào)整和轉(zhuǎn)換

根據(jù)物體能量的轉(zhuǎn)換和傳遞規(guī)律，提出了土壩的裂縫破壞是由于壩體內(nèi)部的變形和能量積累轉(zhuǎn)換造成的。要根除這種隱患，就必須使壩體內(nèi)部分土體所積累的應(yīng)變能充分釋放。劈裂灌漿就是通過(guò)灌漿壓力和土體濕陷變形，使原有的土體裂縫充分開(kāi)裂，使已出現(xiàn)的弱應(yīng)力區(qū)和強(qiáng)應(yīng)力區(qū)之間的應(yīng)力應(yīng)變能相互傳遞轉(zhuǎn)換，打破原壩體內(nèi)部應(yīng)力的不平衡，恢復(fù)正常的應(yīng)力狀態(tài)，使壩體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變相對(duì)穩(wěn)定。

2.6 漿壩互壓理論

土壩劈裂灌漿技術(shù)利用了土壩壩體的整體彈性特征，在灌漿過(guò)程中隨著灌漿壓力的反復(fù)增長(zhǎng)和消失，具有彈性的壩體張開(kāi)和回彈，使壩體和漿體反復(fù)擠壓，形成連續(xù)的漿體帷幕和兩側(cè)壓密的壩體聯(lián)合防滲帶。通過(guò)漿壩互壓，可以補(bǔ)救原壩體由于不均勻變形產(chǎn)生的小主應(yīng)力不足，改變壩體內(nèi)部的應(yīng)力不平衡狀態(tài)，從而比較徹底地解決了土壩壩體的變形穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定問(wèn)題。

2.7 泥漿和壩體的固結(jié)和壓密

要保證劈裂灌漿技術(shù)達(dá)到相應(yīng)的效果，我們應(yīng)該關(guān)注壩體內(nèi)泥漿的固結(jié)硬化情況，因?yàn)槲覀冎饕抢媚酀{固結(jié)硬化形成的帷幕來(lái)實(shí)現(xiàn)防滲目的。當(dāng)前來(lái)看，影響泥漿固結(jié)的因素有很多，這其中的關(guān)系是較為復(fù)雜的，例如堤壩自身的土質(zhì)、施工情況、施工材料性質(zhì)等方面就直接影響泥漿的固結(jié)效果，此外還受到施工技術(shù)水平的影響，所以我們應(yīng)該關(guān)注劈裂灌漿過(guò)程中這些主要問(wèn)題，發(fā)揮此技術(shù)的最佳效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

劈裂灌漿技術(shù)能大大提高壩體防滲能力增強(qiáng)壩體穩(wěn)定性，現(xiàn)在隨著這項(xiàng)技術(shù)不斷改進(jìn)發(fā)展，已經(jīng)獲得了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，特別是在中小型水庫(kù)堤壩防滲加固上的廣泛應(yīng)用，取得的效果更好。本文對(duì)劈裂灌漿技術(shù)所進(jìn)行的分析和研討，希望能夠?yàn)樗こ淌聵I(yè)的發(fā)展提供有益的參考。

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