对劈裂灌浆的几点认识

1对土坝劈裂灌浆的几点认识（1）白永年山东华水水电工程有限公司劈裂灌浆由于具有质量保证，施工设备比较简单，造价便宜等优点得到了广泛应用。但是对该项技术的认识上也存在一些问题，妨碍了推广应用。本文就一些主要技术的认识问题加以阐述。关键词：劈裂灌浆、泥墙的固结硬化、泥墙的抗渗性和持久性。土坝劈裂灌浆能同时解决土坝的渗流稳定和变形稳定问题，造价只及同类功能技术的几分之一，事故率也是最少的。因此在上世纪的七、八年代处在一个大发展时期，据全国统计，已采用该项技术处理病险土坝3000余座，堤防2000余公里，是我国处理病险土坝最多的一项技术。但是后来在设计参数的采用、施工工艺的掌握、理论认识等问题上出现了一些不同看法，如劈裂灌浆的持久性、泥浆墙的硬化固结、泥浆墙厚度的设计计算方法，以及在灌浆施工中出现了大量的裂缝、冒浆、位移等。随着劈裂灌浆技术施工经验的积累和理论的深入研究，认识上的问题逐步得到解决（2）。为适应目前我国病险水库处理的加速进行，结合几个已完成和正在施工工程的调查，对几个理论认识问题，加以解释，以促进该项技术的大面积推广。一、水库高水位时可以进行劈裂灌浆在病险水库的加固技术中，多数情况要求放空库容，以免发生险情。不仅浪费了宝贵的水资源和水能，而且贻误了施工期，增加了施工成本，给工程管理单位和用水用电等单位造成了巨大损失。劈裂灌浆可以在高水位情况下进行施工，只要严格控制一次灌浆量、坝坡的位移、回弹比和裂缝开度，从理论分析和实践经验证明都是允许的。人们担心的是劈裂灌浆期间发生了横向裂缝等不利因素，坝后发生大的管涌等危险，实际上是不存在的。1、劈裂灌浆期间，由泥浆压力劈开裂缝，甚至横向裂缝是很自然的。尤其两坝肩因为土坝的不均匀沉降变形，坝体土沿坝轴线纵向受拉，容易劈开横向裂缝。但是因为劈开的裂缝都是泥浆压力造成的，所以随劈裂泥浆也随之充填，不会出现空的孔隙，更不会出现干缝。在泥浆劈裂坝体的过程中泥浆柱的压力（rh）远大于库水位所产生的水柱压力（rh）。r：泥浆容重（KN/m3）一般为1.4T/m3左右；2h：注浆管顶端至坝体内某一高程的高度（m）；h：浸润以下某高程的水柱高（m）；r：水容重（KN/m3）.如果某水库在高水位情况下，泥墙与水库有相通裂缝或通道，具有比水柱压力大的泥浆柱压力就会把空洞和裂缝中的水推向水库，直至在水库中冒混水。这是在劈裂灌浆过程中常见的现象，不可能使库水穿过泥浆墙从坝后冒出。从灌浆机理上分析，尤其在劈裂灌浆初期，加大灌浆压力，对压实泥墙两侧的土体，补充某些土层的小主应力不足，是有帮助的。水库高水位时，大坝增加了水头压力附加荷载，有利于增加灌浆压力。所以在高水位情况下劈裂灌浆是有利的。2、工程实例1）广东省大亚湾核电站供水水库－岭澳水库，坝高58.5m，劈灌期间坝前水深52m,劈出十几道横向或斜向缝，库水有7处冒混水，大坝未出现任何渗流破坏（3）。2）山东省陈家夼水库（小一型）1974年建成，1975年蓄水，当时水库已超过洪水位，坝后出现多处管涌、流土。为抢险，采用劈裂灌浆技术处理，二天时间沿坝轴线劈开了坝体，形成了防渗泥墙帷幕，坝后管涌，流土逐渐减少，第三天坝后管涌流土全部消失。水库已正常运行33年，未再发生渗流破坏。3）劈裂灌浆在试验坝西卜、黄前水库（大二型）（7）都是在正常水位下进行劈裂灌浆试验，都曾发生过不少横向裂缝，不仅当时未发生任何渗流破坏。至今已正常运行了29年和28年也未有出现渗流破坏。近两年我公司在广东、福建、海南等省用劈裂灌浆技术处理了十几座水库，都未放空库容，有几座还处于高水位，也未发生任何问题。二、灌浆压力对于基岩等灌浆技术，灌浆压力是一个重要的控制指标。过大会破坏建筑物或抬起地层，过小了又达不到目的。但由于劈裂灌浆的功能要求，是围绕着通过灌浆压力调整坝体土的应力方向、补充某些土体的小主应力不足，同时沿坝轴线劈开坝体，营造泥墙防渗帷幕，解决坝体的变形稳定和渗流稳定，两者在意义上是不同的。1、灌浆压力和灌浆效果的关系31）根据实侧，灌浆压力（pprh）从泥墙向坝体土的传递呈线性关系，式中p为注浆管顶端孔口压力（KPa/cm2）。图1为劈裂灌浆第一座试验坝西卜水库的实侧值。斜线1-5为不同的灌浆压力在坝体土中不同距离的传递过程。同时，灌浆压力对坝体的有效压缩变形量，由于坝体变形和小主应力的分布规律，随着不同的坝高是变化的。图2为同一试验坝的实侧值。0204060801001201401601800.20.40.60.81.01.212345P与L关系山东省西卜劈裂灌浆试验坝灌浆期间泥浆压力向两侧坝体土的压力传递实侧值图1L（厘米）灌浆压力P（KPa）4所以，灌浆压力（P）越大，对坝体土的压缩效果越好。在坝体土小主应力不足的地方（变形量大）压缩效果越好，对小主应力的补充也越充分。灌浆压力过大是否会影响大坝安全呢？实践和理论分析，灌浆压力不会太大，因为土坝的小主应力作用面基本上都是竖直的，很容易竖向劈开裂缝，一旦劈开再加大压力就很困难。2）灌浆压力大，可以产生大的泥浆渗透力，使泥浆墙对两边过于疏松（弱抗渗土体）的土体被击穿，甚至于被击穿的土体一直延续到坝坡出现冒浆。弱抗渗土体和击穿洞被泥浆充填、加固，避免了在土坝高水位运行中因水的渗透力再击穿坝体。因为泥浆的渗透力远大于浸润线以下水的渗透力。3）灌浆压力大，对坝体土疏松层充填效果好，尤其对一些水平向土体疏松层如水平沙层等。如福建省亚湖水库，水平疏松砂土层被压力泥浆完全充填，相对应的后坝坡散浸完全消失。三、防渗泥墙的固结硬化威胁土坝安全的主要有两大破坏形式，如滑坡和渗流破坏。前者主要由滑坡弧线附近土体的强度指标决定，后者决定于土体的抗渗强度，尤其是坝体心墙附近土体的抗渗强度。从理论计算分析，劈裂灌浆沿坝轴线劈开坝体所建立的竖向防渗泥墙不承担剪应力，主要功能是防渗。所以既使坝轴线附近土体抗剪强度等于零，也不影响坝体稳定。如劈裂灌浆期间，泥墙尚未固结硬化，泥墙的抗剪强度等于零，也不影响坝体稳定，坝体从未因此出现过险情；砼防渗墙是刚体和软塑土体的结合，在结合面上抗剪强度很低，也未发生过险情；美国人用泥浆槽法筑坝，也很成功等。工程实例：山东贺庄水库（大二型）因已发生严重渗流破坏，原准备废坝，后来进行劈裂灌浆处理，因坝体太疏松，平均吃浆量达0.8m3/m2。终灌之后，坝后沼泽全部消失，浸润线出逸点降至坝后地面高程以下。该坝1976年进行劈裂灌浆处理，1977年竣工，2007年坝顶钻孔在半坝高处钻出泥浆球，仍逞软塑状态，但该坝已正常运行31年，从未发生过稳定问题。一般泥浆墙终灌以后一年才能固结硬化，泥墙的干容重略小于坝体土，但其抗剪和抗拉强度相似于坝体土表1。少数坝体内部有空洞或小主应力特别小的土层，可能形成泥浆球。若干年之后才能固结硬化，但距滑弧线很远，不会影响大坝安全。5山东省贺庄水库劈灌竣工一年后取样试验结果表1四、防渗泥浆墙的设计厚度按一般的设计理论，土坝防渗体的厚度主要由它所承担的抗渗坡降来确定，如粘土心墙等。劈裂灌浆所形成的泥浆墙厚度一般为5-30cm，泥浆墙体前后的水位差一般为5m~10m。泥墙能承担那么大的抗渗坡降，从设计理论上是不允许的，但经计算和实践证明，是稳定的。凡用劈裂灌浆处理过的土坝，还从未发现有被击穿或渗透变形发生破坏的工程实例。劈裂灌浆的抗渗能力主要是靠坝轴线附近造成的竖直连续的防渗泥墙帷幕，以及压力泥浆作用于坝体所产生的抗渗坡降和被压力泥浆挤压充填的受粘性土保护的防渗带（厚度为8m~12m）所承担，所以经劈裂灌浆处理过的土坝，其抗渗强度是足够安全的。但是为了保证防渗泥墙帷幕的连续完整和压力泥浆对两侧坝体土能够得到充分的挤压充填，需要有一定的时间和厚度。据水利部“SD266-88规范”规定（5），防渗泥墙的厚度“5-20cm”是必要的。国内一般采用防渗泥墙的厚度为10m高以下的土坝防渗泥墙的厚度可定为5cm，坝高在10-40m的为20cm，坝高40m以上的为25～30cm。五、劈裂灌浆的持久性（4）土坝的渗流破坏，分为击穿和渗透变形，粘土中主要破坏形式是击穿。压力泥浆作用于两侧土体所产生的抗渗坡降，1i远远大于库水位所产生的水力坡降i，（1prhrhiirlrl）（6）式中：样品名称取土深度（米）含水量（％）容重（克/厘米3）孔隙比土的分类内摩擦角粘聚力（公斤/厘米2）抗剪强度（三轴饱和快剪）（公斤/厘米3）干湿总应力法有效应力法总应力法有效应力法总应力法有效应力法坝体723.11.591.960.71重粉质壤土25.729.70.250.160.730.72坝体1321.31.692.050.6224.20.230.58浆体7301.461.90.8813.50.250.47浆体1320.81.631.970.6717.331.30.280.050.60.65浸入体71435.70.250.50.71浸入体1316.719.30.410.380.710.73结合面7结合面1317.430.10.20.060.510.586l:沿坝轴线防渗泥墙至坝后排水棱体的距离（m）；其余符号意义同前。据上述算式可以看出，劈灌处理后所形成的抗渗强度很大的防渗泥墙再被库水头所形成的浸润线相对较小的水力坡降所击穿是不可能的7）。同时因为防渗泥墙的渗透系数810/kicms，所以也不可能发生渗透变形，因此它的持久性是可靠的。保证防渗泥墙的连续性是关键。由于坝体的梯形几何断面、坝体内应力场的分布规律、加之灌浆期间的应力调整保证了沿坝轴线的小主应力作用面是连续完整的。所以沿坝轴线布置的灌浆孔能够劈开竖直连续的裂缝并形成竖直连续的防渗泥墙帷幕。山东、安徽、湖北等省上世纪70年代最早施工的一批劈裂灌浆水库，大部分正常运行都超过了20年，少数的超过30年，至今没有再发生渗流破坏的迹象。如山东省的贺庄水库、陈家夼水库都超过30年，山东省的黄前水库（中型）、湖北省的白莲河水库（大二型）、浙江省的金兰水库（大二型）也都超过了20年。所以从理论分析和大量的工程实践都证明劈裂灌浆的持久性问题，已不存在。六、澄清劈灌中间出现的两个问题1）裂缝：是由土坝不同部位的变形差引起的。一是不均匀变形，是由于局部填土不均匀引起的，会出现局部塌坑，凹陷等；二是不同长土条的变形，由于总变形量差会引起裂缝。如图3、图4、图5。图3：总变形量土条2大于土条1,当倾度1/100E时，岸坡段土体受拉超过土体单轴抗拉强度时会出现横向缝；图4：同理土条2大于土条1,沿坝轴线附近发生的横向拉应力会产生纵向裂缝。虚线（1）、（2）、（3）、(4)为沉降示意线。对于至今裂缝塌坑不断出现的土坝。劈裂灌浆通过压力泥浆的劈裂、挤压、7充填、渗透和湿化变形，在防渗帷幕泥墙两侧约8-12m范围之内土体应力得到充分调整，应力水平等于或接近于零。使今后多年才能完成的变形稳定在劈灌期间几个月就能完成，避免了今后再发生裂缝。泥浆压力劈开的纵向裂缝构造成沿坝轴线的泥墙防渗帷幕，又释放了横向拉应力；劈开的岸坡横向缝，充分释放了纵向拉应力；变形稳定得到了保证。压力泥浆所劈开的裂缝，基本上都是小应力作用面，主应力不足问题得到了泥浆压力补充。但由于灌浆工艺不当产生的干裂缝是不允许的。2）冒浆：劈灌期间，坝坡冒浆是经常发生的，坝体土质量越差冒浆点越多。坝坡冒浆的原因一是坝体内有漏水通道，二是坝体内有连续的弱抗渗土区，被泥浆的渗透力所击穿。上述两种情况，最终都被压力泥浆所堵塞，避免了库水位所产生的水的渗透力再击穿坝体发生大的事故。参考资料：（1）白永年，土坝坝体和堤防灌浆，水利电力出版社，1985.12。（2）顾淦臣，劈裂灌浆的理论根据和实践创新，水利建设与管理，2000.5。（3）潘维宗，土坝劈裂灌浆在岭澳水库的应用，水利水电技术。（4）傅文洵，对土坝劈裂灌浆两个问题的分析，水利水电技术，2003.3。（5）水利部，PSD266-88规范，1989.4。（6）段祥宝等，土工渗流研究与应用进展，黄河水利出版社，2006.10。（7）白永年，土坝坝体劈裂灌浆机理的初步分析，