劈裂灌漿技術在土石壩防滲中的應用與發展

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

一、引言

土石壩在壩工建設中應用的十分廣泛，就我國已建成的各類大壩中，土石壩就占95%以上[1]。但是土石壩現今出現了各種病害和問題，尤其滲流問題引起的水庫失事事故最為常見，因此對滲流問題進行深入的研究和控制是十分重要的。當下對于土石壩滲透變形的防治有多種方法，其中劈裂灌漿防滲技術是土壩防滲加固領域十分經濟有效的技術，它以水力劈裂理論為基礎，將泥漿加壓灌注到大壩壩體中，充填壩體中裂縫、空穴的等缺陷，使大壩壩體得到密實，內部應力得到重新分布，從而起到提高土石壩的防滲能力和穩定性的作用[2]。

二、土石壩滲透變形原理

填筑土石壩的材料大多是就地取材，土料和壩基的砂礫都是松散粒體結構，砂礫顆粒之間存在著大量的孔隙，且都具有一定程度的透水性。水庫在蓄水后，整個土石壩的孔隙就會充入水形成水流滲透的通道，當滲流量較小滿足要求時，滲透破壞的狀況就不會發生，而當滲流量較大時，通過壩體的水流會攜帶壩體的土壤雜志顆粒流出，水質渾濁，對大壩土體存在沖刷作用，這時對土石壩就有破壞作用了，流土的沖刷會使壩體發生管涌、流土、接觸沖刷、接觸流土等滲透破壞[3]。

三、劈裂灌漿技術的應用和發展

(一)劈裂灌漿技術的原理

土石壩在軸線劈裂灌漿后，在泥漿自重和漿體、壩體互壓的作用下，排水固結所形成與壩體牢固結合的防滲墻體，堵塞滲漏；與劈裂裂縫貫通的大壩原有裂隙及孔洞在灌漿過程中被泥漿多次充填，使壩體得到擠壓密實，從而起到處理隱患、充填壩體的作用；通過漿體對大壩土體的濕陷作用，增加壩體的密實度，使大壩應力得到重新分布，從而改善大壩的應力狀態，減少弱應力區的范圍；灌漿停止后，灌注的泥漿析水逐漸完成，泥漿固結完成，此時將可發揮泥漿漿體的阻滲作用和截水作用，提高壩體的防滲能力。

(二)劈裂灌漿技術的工藝要點

1.灌漿孔的選擇與設計。灌漿孔的選擇應按照施工規范并結合壩體土料、壩體滲透以及隱患所處位置等情況綜合考慮。壩體劈裂灌漿灌漿孔一般應在壩的河槽段、岸坡段以及彎曲段分別設計。在壩軸線進行布孔時，依據工程經驗通常布置單排孔，孔深應該大于所處隱患深度2-3m。對于大于20m的孔深，孔距采用5m-10m，對于小于20m的孔深，孔距采用3m-5m；當土壩高度較高，壩頂寬度較寬或是壩體內分布著較多的隱患時時，可增加灌漿排數，采用雙排布孔或三排布孔。對于無不良隱患存在且質量較好的副孔位置，其孔深可相應縮短，一般設為主排孔孔深的1/3。在土壩的岸坡段和的彎曲段，應相應的將灌漿孔布置較密，以保證形成防滲墻體的質量[4]。

2.灌漿漿液的制備。漿液的選擇對壩體防滲加固效果起著決定性作用。灌漿前，應該先探明壩體的滲流情況，根據大壩的填料要求，對本地粘性土土料進行抽樣，然后對形成的泥漿進行流動性實驗、自由析水率實驗和穩定實驗等物理力學性能試驗，從而掌握各種漿液的物理力學性質，對比各種材料的性質和特點，根據灌漿漿液性能要求指標來選取合適的泥漿。

3.壩體灌漿壓力的確定。灌漿壓力指灌漿管上方孔口壓力,可直接在注漿管上端壓力表處讀出壓力值,它是劈裂灌漿施工中的一個極為重要的指標，也是控制劈裂灌漿質量的重要因素。其分為三部分：起裂壓力、正常壓力和控制壓力。灌漿孔口壓力設定的標準是：沿壩軸線方向形成連續均勻的防滲墻，但不能產生有害的水平脈狀擴散和變形。因此灌漿壓力一般需要進行現場灌漿試驗來確定，也可通過經驗公式計算得到。

灌漿允許壓力的計算公式為：

△p=kγH-γ'h+σ1

(3.1)

其中，γ壩體土的容量；H計算點以上的壩高；σ1壩身土體的單軸抗拉強度；γ'漿液的容量；h全孔灌漿時的灌注管長度；k側壓力系數，一般取0.4～0.67

4.灌漿過程的控制。灌漿過程中控制灌漿壓力是壩體劈裂灌漿技術的關鍵環節，灌漿壓力與壩體質量、斷面形狀尺寸、泥漿材料和濃度以及灌漿量的多少有關，因此在劈裂灌漿過程中，要隨時觀測和記錄灌漿壓力的變化過程，通過壓力表的讀數變化來判斷壩體質量、灌漿效果以及防止灌漿壓力太大對土石壩造成新的破壞。根據灌漿“少灌多復”的原則，一般兩次或多次灌漿間隔時間不少于5天，較長的時間間隔有利于漿體的固結和所灌注形成防滲帷幕的密實，但較長的時間間隔將使施工工期變長，灌漿進度變慢，并且施工安排和協調也更加困難，所以具體灌漿間隔時間應根據土石壩土料、含水率、所存在的隱患、滲透情況，以及通過現場實驗進行漿液析水固結速率、壩體孔隙水壓力消散速率的測定，來綜合考慮確定[5]。

5.終灌標準。根據灌漿規范規定，灌漿要滿足多次復灌，在結束灌漿時灌漿孔應滿足如下條件：第一，經過反復多次灌漿，從直觀上觀察漿液已灌注至孔口表面，并且連續復灌3次不再吸漿，漿體達到飽滿，平面達到平實；第二，此灌漿孔的灌漿壓力及灌漿量達到設計標準要求。

(三)灌漿質量的檢測

在灌漿過程中，應該對灌漿孔臨近的測壓管和浸潤線進行觀測，并記錄好灌漿期間土石壩滲流量的改變。在灌漿結束后應進行壩面裂縫、壩體浸潤線出逸點及灌漿前后滲流量的檢查,必要時還應該檢查防滲帷幕體的厚度、連續性、均勻性，以及對壩體密實性的改善情況。并且由于灌漿過程中濕化變形不均勻，因此還應檢查壩面是否高低不平，若不平整，還需整平壩頂，并使里高外低，以利于及時排除壩面積水，避免壩面積水和雨水侵入壩體產生水力劈裂。

四、總結

劈裂灌漿技術是我國通過大量試驗和實際施工總結出來的一項灌漿技術，對土壩和地基的防滲加固效果十分顯著。但要想充分發揮出劈裂灌漿技術的效應，就必須把控各個施工環節的要點，嚴格選取和制備漿液，控制灌注壓力，嚴密監察大壩滲流量、裂縫開展等變化，并對大壩出現的病理狀況及時處理，才能提高灌注質量，滿足大壩防滲加固的效果。并且應該繼續開展對灌漿防滲技術優化的探索和研究，提高其施工質量，使它能夠在高土石壩防滲加固、隱患治理方面也能發揮顯著的作用。