劈裂灌漿技術在水庫大壩防滲施工中的應用

劉洪德

（貴州省黔東南州水利投資有限責任公司，貴州 黃平 556100）

在水利工程大壩施工中，滲漏是最常見的問題。先進的防滲技術能夠有效處理水利工程大壩施工中的滲漏問題，可提高大壩工程的防滲效果或防止施工中大壩滲漏，讓水利工程大壩處于良好的運行狀態，增加工程的使用年限。劈裂灌漿技術是一種常見的大壩防滲施工技術，能夠有效提升大壩的防滲性能[1]。

1 劈裂灌漿技術

劈裂灌漿是利用水力劈裂原理在壩軸線上鉆孔和加壓灌漿泥漿加固新防滲墻的一種方法。沿壩軸線劈裂灌漿后，在泥漿自重作用下，漿體與壩體共同作用，成為與壩體牢固結合的固體防滲墻。劈裂灌漿主要是利用壩體的應力規律，通過灌漿壓力使壩體沿預定方向劈裂，在壩體的軸線方向，同時灌注一定的泥漿進行加固處理，進而形成連續的防滲泥墻。泥漿加固技術由于灌漿壓力通常都要大于充填式灌漿，能夠更加有效地堵塞孔、裂縫或者切斷軟層，以有效提升壩體的防滲能力與填筑密度。與此同時，壩體應力會重新進行分布，壩體變形的穩定性將會通過灌漿、壩體間的相互壓力而重新分布。除此之外，由于壩基的相互影響，壩基的應力分布與壩體基本相似，因此壩基劈裂可以有效提高壩基的防滲能力與壓實度。在壓力作用下，漿體克服初始應力與抗拉強度，會直接破壞或擾動巖土結構，使垂直方向小于主應力的平面發生分裂，打開原始裂縫或孔隙，在地層中形成新的裂縫或孔隙，漿料的可灌溉性和擴散距離增大，所用的灌漿壓力相對較高。

需要進行劈裂灌漿處理的水利工程通常都會存在裂縫、洞穴以及孔隙等多種質量隱患，這些隱患可歸結為大壩土層的變形和能量積聚。為了消除隱患，應充分釋放壩體某些土層中的應變能，即壩體的原始應力不平衡被完全破壞，形成新的壩體平衡應力，減小壩體局部的應力，維持壩體安全穩定。劈裂灌漿通常以壓力泥漿充當能量的載體，通過對孔位的合理布置，有效控制劈裂壩體，并立即利用泥漿對其填充，有效彌補壩體應力不足的情況，確保壩體安全穩定。

2 劈裂灌漿的應用方式

在劈裂灌漿原理的基礎上，只要充分施加一定的灌漿壓力，無論是什么壩體都可以灌漿，但通常只有在下述條件下才會考慮使用劈裂灌漿技術：①松堆土壩；②浸潤線較高；③壩體存在裂縫或者大范圍弱應力區；④土壩分層或者接頭處存在軟弱帶與透水層；⑤土壩內部存在大量生物洞穴等。

劈裂灌漿施工的基本要求是：土壩分段、區別對待；單排布孔，分序鉆灌；孔底注漿，全孔灌注；綜合控制，少灌多復。

劈裂灌漿不僅適用于具有良好滲透性的砂層，而且可用于粘性差的粘性土層。劈裂灌漿采用高壓注漿技術將水泥或化學泥漿注入土層中，以改善土層的性質。在注漿過程中，注漿管出口處的漿液在周圍地層施加附加的壓應力，使土體發生剪切裂縫，而泥漿從低強度的土體中沿裂縫劈開并進入高強度位置。主體中的漿料形成用于加固土壤的網絡或骨架。由于漿體在土層分裂過程中不均勻地與土壤顆粒混合。從土體的微觀結構分析來看，除土的壓實外，其它物理力學性質的變化并不明顯，而應從宏觀角度分析加固效果，即考慮土體的骨架效應。實踐表明，對于軟流塑性粘土地層，由于地層滲透性差，有時難以通過滲透注漿或壓密注漿達到理想效果，劈裂灌漿可以利用其水力劈裂。地層中的孔隙，提高地層的吸水性，滿足注漿加固的要求。

3 劈裂灌漿技術在水庫大壩防滲施工中的應用實例

3.1 工程概況

以正在建設的某水庫為研究對象，工程右岸單薄山體在建設期間帷幕固結灌漿揭露的第三系巖層情況，分析原生巖體內部，吃漿量大，溶質過高的原因，對山體進行固結、防滲帷幕灌漿處理，以便達到山體穩定、防滲要求。

右岸單薄山脊是由于流水的側向侵蝕作用，受巖性差異和區域性節理的影響條件下侵蝕作用形成；單薄山脊出露的地層主要有寒武系高臺組和第三系第一段（Ea），根據Ea的巖性組合進一步細分為3個亞段，即Ea-1、Ea-2、Ea-3。3個亞段的巖體質量存在差異，其中Ea-3巖體質量較好、Ea-1次之、Ea-2巖體質量差。單薄山脊總體屬單斜構造，Ea巖體屬塊狀構造，無明顯的具有剝離性狀的巖層面。巖體結構面主要為節理裂隙面和不整合面；單薄山脊主要發育L1、L22組節理裂隙面，線密度較小，貫通性長度大。受巖性條件的控制，巖溶主要發育于淺表層，在深部沿節理裂隙面存在溶蝕現象。單薄山脊的主要物理地質現象為巖體風化和巖體卸荷，巖體風化程度主要受巖性、節理構造和地形的控制，不同的巖性、節理構造組合和地形條件，風化程度差異很大；巖體質量受巖性、風化程度、結構面的影響，在單薄山脊上具有較大的差異。采取防滲和固結帷幕灌漿，對山脊進行固結灌漿，通過防滲處理，改變巖體結構面的力學性質，提高巖體質量，增強穩定性。由于Ea-2巖體膠結物為泥質，膠結物遇水易于軟化，遭受滲透破壞的影響極大，建議強化該組巖體的固結處理，結合工程實際情況以及施工技術條件，選用劈裂灌漿施工技術。

3.2 灌漿施工

劈裂注漿施工技術要求鉆孔直徑通常在f80 mm～100 mm范圍內,鉆孔垂直誤差不超過1%，施工過程一般分為四個步驟。

（1）孔套管材料,也稱為封閉泥漿。將密封件倒入孔內,其作用是關閉單向閥管與井壁之間的間隙,迫使灌漿孔中的孔打開。

（2）將單向閥管(劈裂灌漿管)插入密閉泥漿填充的孔中。

（3）將直徑為楔形的塑料管插入密閉泥漿填充的孔中。每隔33～50 cm設一組灌漿孔(2～3米每米)被外包到橡膠套管。封閉的泥漿充滿水。

（4）達到一定程度的封閉泥漿。將雙向密封灌漿芯插入單向閥管進行分層注漿,沿裂縫擴展。擴散范圍受灌漿壓力、灌漿時間、漿液比、土層特性等因素的影響。將剩余的泥漿置于第二次重復灌漿(單向閥塑料管中,留置在注漿土層)。

3.3 灌漿施工質量控制

為了有效提升灌漿效果，確保壩體能夠在灌漿期間安全穩定，在施工工藝與技術指標方面按照如下標準進行控制：

（1）灌漿的壩坡測點水平位移不可大于2 cm，壩體回彈后才可以進行復灌。

（2）采用孔底注漿工藝，盡量推遲壩頂劈開的時間，一般第二次復灌以后才允許劈開壩頂。一次劈開壩頂裂縫的寬度不超過2.0 cm，停灌后壩體開始回彈才允許復灌。

（3）灌漿壓力（通常是指注漿管孔口的壓力）：起劈的壓力可以不受限制，運行壓力盡量保持在零左右，當出現負壓力時，可以適當增加泥漿的比重。

（4）終灌標準：壩頂橫向和斜向縫不再出現，注漿管孔口零壓力維持5天不再出現負壓力，泥漿脈厚度完全符合設計要求。

（5）封孔：壩頂縱向劈裂縫泥漿脈相互連通，待泥漿硬化后再填入干土并迅速夯實。

3.4 灌漿施工分析

利用劈裂灌漿技術對該工程展開施工，其壩體軸線位置已經劈開形成的連續封閉泥漿墻帷幕，并且與漏水通道相互連通。由于泥漿柱的壓力遠大于高水位水柱的正常壓力，因此在漏水通道中，部分壩體土非常疏松，在抗滲坡降較低的壩體土區域，泥漿柱壓力所造成的抗滲坡降遠遠大于最高水位水力坡降。通過對灌漿施工效果的觀察分析，可以確定該壩體穩定性較高，抗滲性能較強。

4 結語

在水庫大壩施工中，大壩防滲施工是重中之重，通過對劈裂灌漿施工技術進行詳細探究可知，不僅適用于具有良好滲透性的砂層,還可用于粘性差的粘性土層。在劈裂灌漿施工中，注意灌漿施工步驟，施工細節等，大量漿液注入裂縫后，可見加固效果。結合工程實例，快速灌注稠漿是保證產生壓密型灌漿的有效辦法，但中途經常轉化為劈裂灌漿，劈裂灌漿的施工簡單，費用低，不可轉化為壓密灌漿。通過采用劈裂灌漿施工技術對大壩防滲，能夠有效改善大壩的防滲性能，加固大壩穩定安全，避免壩體滲漏對于工程運行產生影響。在滿足工程施工背景的條件下，劈裂灌漿技術值得推廣和應用。