（水工结构工程专业论文）岸坡坝段劈裂灌浆机理研究方法的探讨.pdf

摘要 用劈裂灌浆防渗加固技术来改善坝体的渗流稳定性，是堤坝加固领域的一种 非常有效的加固方法。该技术自8 0 年代出现已来，已在工程实践得到了广泛应 用，但主要表现为施工工艺上的发展，而灌浆机理的研究却显得相对不够。理论 研究现状呈现出定性的论述多，实地观测资料多，但定量的计算分析较少的现 状。在应用该项技术处理岸坡坝段时，由于岸坡坝段应力场分布与河槽段有显著 的差异，导致岸坡坝段的灌浆机理与施工工艺有其独特之处。 在收集、整理大量有关该项技术文献的基础上，论文对该项技术的机理和施 工工艺的研究现状进行了较为全面的分析、综合和总结，着重对岸坡坝段的劈裂 灌浆机理进行了探讨，本文主要内容如下： 1 、介绍了劈裂灌浆技术的施工工艺、应用状况、发展趋势和应用前景； 2 、介绍了有限元基本理论和土的本构关系； 3 、采用土体的摩尔一库仑材料模型，利用有限元分析软件对典型岸坡坝段进行 了应力应变分析，通过与河谷坝段比较，反映出岸坡坝段应力应变较为复杂的特点； 4 、在对岸坡坝段分析的基础上，利用有限元分析软件模拟岸坡坝段坝体轴线附近 的应力状态，对岸坡坝段劈裂灌浆的机理进行了探讨。 关键词：土坝；劈裂灌浆；机理分析；有限单元法；应力；位移 a 。b s t r a c t a n t i s e e p a g er e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g yo fs p l i t t i n gg r o u t i n gt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo f d a r n ，i sa l le f e c t i v er e i n f o r c e m e n tm e t h o di nt h ef i e l do fd a mr e i n f o r e e m e n t h et e c h n o l o g y h a sa p p e a r e df r o m8 0 sl a s tc e n t u r ya n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c eb u t i nt h ed e v e l o p m e n ti nt h ec o n s t r u c t i o nc r a f ta n di ss h o r to ft h es t u d yo l lm e c h a n i s mo f s p l i t t i n gg r o u t i n g ，t h e o r e t i c a lr e s e a r c ht a k eo nt h es t a t u so f m o r eq u a l i t a t i v ed i s c u s s i o n ，m o r e o b s e r v a t i o nd a t ao nt h es i t eo fl e s sq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，i nu s i n gt h et e c h n o l o g yt ot r e a tt h e b a n ks l o p ed a mb l o c k , t h en o t a b l ed i f f e r e n c eb e t w e e ns t r e s sf i e l do ft h eb a n ks l o p ed a m b l o c ka n dr i v e rc h a n n e ld a mb l o c kw i l ll e a dt ot h eu n i q u eg r o u t i n gm e c h a n i s ma n d c o n s t r u c t i o nc r a f to f b a n ks l o p eg r o u t i n g o nt h eb a s i so fc o l l e c t i o na n dr e o r g a n i z a t i o no fl i t e r a t u r ec o n c e r n i n gt h es p l i t t i n g g r o u t i n g ，t h et h e s i sp r e s e n t sa l l - a r o u n da n a l y s i s ，s y n t h e s i sa n dc o n c l u s i o no f t h et e c h n o l o g y s m e c h a n i s ma n dc o n s t r u c t i o nc r a f t t h em a i nc o n t e n t so f t h et h e s i sa r el i s t e db e l o w 1 i n t r o d u c et h ec o n s t r u c t i o nc r a f t ，a p p l i c a t i o ns t a t u s , d e v e l o p m e n tt r e n da n da p p l i c a t i o n f o r e g r o u n do f s p l i t t i n gg r o u t i n g ； 2 p r e s e n tt h eb a s i ct h e o r yo f f i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o n c e r n i n gt h et h e s i s ； 3 a d o p t i n gt h em o h r - c o u l o m bm a t e r i a lm o d e ls u i t a b l ef o rs o i lb o d y , t h et h e s i si m p l e m e n t s s t r e s s - s t r a i na n a l y s i st ot y p i c a lb a n ks l o p ed a mb l o c ka n df i v e rc h a n n e ld a mb l o c kw i 也 t h eac e r t a i nf e as o f t w a r ea n dt h e nc o m p a r et h er e s u l t sb e t w e e nt w oc a s e s ，t h er e s u l t s s h o w t h a td i s t r i b u t i o no f t h eb a n ks l o p ed a mb l o c ki sm o r ec o m p l e x 4 o nt h eb a s i so f a n a l y s i st ot h eb a n ks l o p ed a mb l o c k , t h et h e s i sp r o b ei n t ot h em e c h a n i s m o fb a n ks l o p ed a mb l o c k ss p l i t t i n gg r o u t i n gt h r o u g hf u r t h e rs i m u l a t i q no fs t r e s ss t a t u s n e a rt h ed a ma x i sw i t ht h ef e as o f t w a r e k e y w o r d s ：e a r t hd a r n ；s p l i t t i n gg r o u t i n g ；m e c h a i s ma n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； s t r e s s ；d i s p l a c e m e n t 独立完成与诚信声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的， 学位论文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵 权行为，否则本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法 律后果，特此郑重声明。 学位论文作者签字： 穆易k 加d 6 年舌月乙日 第1 章绪论 1 1 选题背景 1 1 1 土石坝的发展与存在阿愿 第1 章绪论 坝是截断河流或溪谷，用以拦截江河、形成水库或壅高水位的挡水建筑物。 挡水坝按筑坝材料和坝体型式可分为土石坝、拱坝、重力坝三大类”1 。人类自从开 始农业生产以来，就建造了各种类型的石坝。土石坝是指由土、石料等当地材 料建成的坝，是历史最为悠久的一种坝型嘲。在我国已建成的8 6 万座大、中、小 型水利水电工程中，水库大坝9 0 以上为土石坝，其中均质坝约占2 3 ，心墙坝接 近1 3 ，斜墙坝和混合坝较少，不足1 0 ”3 。在大多数国家中，土石坝建设一直居 首位3 。这些水库大坝在防洪、灌溉、发电、城镇供水和水产养殖等方面都发挥 了巨大效益，同时士石坝的安危就成为关系到国民经济发展和人民生命财产安全 的重要课题。 土石坝迅速发展的主要原因是：适用条件面广，能广泛应用于各种不同的 地形、地质和气候条件，许多不能建混凝土坝的不良坝址地基，经处理后都可以 修建土石坝；可就地取材，是一种当地材料坝，能够采用当地材料作为坝身： 经济效益好，造价低；设计手段提高，特别是土力学取得了惊人的发展，形 成较为完整的理论体系；施工速度快，借助于现代化的施工设备，缩短了工期 1 。土石坝的建设大有方兴未艾之势。 近几年来我国水利水电开发迅速发展，据1 9 9 8 年统计，已修建和加固汪河湖 海堤防长度达2 6 x 1 0 5 k m ；已建成水库8 6 万多座，其中病险库约占1 3 1 。我 国的水库大坝、江河大堤绝大部分为土坝、土堤，这些工程多数是中华人民共和 国成立后各个历史时期兴建的，有些工程除了防洪标准低以外，出现的主要问题 是土坝的坝坡稳定和渗透稳定得不到保证，这是影响水利枢纽工程安全运行的主 要因素。由于受当时历史条件、经济基础、技术水平的限制，在稳定方面出现的 i 一 葶北才洌水电学院司n e 竟t 文 问题，有的是由于规划设计不合理，有的是因施工质量不好引起的。例如我国有 些均质土坝，填料颗粒粗却无防渗体系，渗透稳定得不到保证；有的砂壳土石 坝，砂壳不碾压或碾压不实，不仅不能抵抗当地一定烈度的地震，而且在正常运 行期间有时也出现滑坡；有的粘土心墙坝，由于碾压不实，大坝出现一些严重的 裂缝，导致渗透破坏，危及大坝安全等等汹。 水利水电工程一般工程浩大，耗资巨大，而且直接关系到人民的生命安全， 因此工程重要性级别较高。目前国内评价水利水电工程的强度、稳定安全度的方 法一般还是基于一些近似的方法，这和地质勘探技术、岩石力学的发展水平有 关。过去建坝只是凭经验行事，其工程质量差，土坝的变形稳定和渗透稳定得不 到保证，给以后的安全运行留下了隐患，造成了大批的病险水库。直到2 0 世纪8 0 年代初，由于大型电子计算机的发明，才借助于有限元技术，对坝体进行系统的 分析。有限元理论的不断发展为评价水工结构的安全度开辟了新的途径。有限元 方法概念明确，模拟坝体及地基力学参数较接近实际，是比较切合实际的有效方 法。 1 1 2 加固方案倚介与比较 目前对土石坝坝体、坝基防渗加固有多种方法，常用的有：高压喷射灌浆、 土工膜、混凝土防渗墙和劈裂灌浆等。以上各种处理方法，都有其适用条件和特 点，现做简要说明和比较。 1 高压喷射灌浆技术最早是由日本于2 0 世纪6 0 年代末期创造出来的一种全 新的施工方法，8 0 代以来，在国外得到迅速发展，尤其是在水利工程的防渗方 面。它是利用钻机造孔，然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置，以高压 把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，士粒从土体上剥落下 来后，一部分细小土粒随着浆液冒出地面，其余部分与灌入的浆液混合掺搅，在 土体中形成凝结体。 高压喷射的基本原理是利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组 成，同时灌入水泥浆或混合浆形成凝结体，借以达到加固地基和防渗的目的。高 喷灌浆的形式目前分为旋喷、摆喷和定喷三种。定喷适应于粉土、砂土；摆喷、 旋喷适应于粉土、砂土、砾石和卵( 碎) 石地层。高压喷射灌浆技术的优势是：可 第1 幸膏论 灌性好、可控性好、连接可靠、机动灵活、适应地层广深度大、施工场地要求不 高、可用于软基加固。 2 土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成的新型建筑 材料，已广泛应用十水利、公路、铁路、港口、建筑等工程的各个领域。目前， 国内外通常采用聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维及聚乙烯醇纤维等原料制造 土工合成材料，形成了八大系列产品，如：土工织物、土工膜、士工网、土工格 栅、土工席垫、土工格室、土工复合材料及相关产品等。其中土工膜是土工合成 材料中应用最早也是最广泛的一种系列产品，土工膜为相对不透水的聚合物薄 片，在岩土和土木中用于防渗和气体的输送；土工复合材料力用两种以上土工合 成材料经人工组合的复合体、用于排水、截水及加筋等。 土工膜与混凝土、粘土、钢板衬砌等几种防水材料相比，有以下缺点：容易 破裂、容易脆裂、老化问题、化学腐蚀等。总之，复合土工膜是一种柔性防渗材 料，它与砾质粘土心墙做组合防渗体时，由于其具有较高的抗拉强度，抑制了土 体的应变从而使土体各部位的应力有所调整。另一方面，复合土工膜的渗透系 数相对较小，可消刹作用水头，使坝体内的自由水面降低甚多，渗流量减小，有 利于下游坝坡的稳定。土工膜在工程中的使用已经很多，但对使用工程经常性检 查维护做得不够，对工作状况进行原位观测更为少见。对使用经验进行总结，提 高到理性的高度，还做得很少，理论大大落后于实践的状况尚未从根本上改变。 3 混凝土防渗墙国际上称为地下连续墙，是一种广泛应用的、十分有效和安 全可靠的防渗措施。它是在松散透水地基或土石坝坝体中连续造孔成槽，以泥浆 固壁，在孔槽内浇筑混凝土而建成的，起防渗作用的地下连续墙，是保证大坝安 全和地基渗透稳定的工程措施。 混凝土防渗墙有如下优点：防渗性能和效果可靠；墙体的渗透和力学性能可 根据地层和结构要求进行设计和控制：施工方便，施工方法成熟，质量易于保 证。检测手段比其他隐蔽工程成熟，可以确保达到预期的目标；可适应于各种地 质条件，尽管施工难易不同，但以目前的技术一般都可建成防渗墙等。存在问题 是有些造孔技术对槽孔之间的接头和墙体下部开叉问题难以彻底解决；相对来 讲，施工速度较慢。 4 劈裂灌浆技术是利用土坝附加应力场，在一定深度范围内，利用灌注泥浆 华北孑q 鼽水电学z 宅司乳士确耙充 的压力，依据沿土坝轴线附近有一铅直小主应力面的规律和水力劈裂原理，沿土 坝轴线进行单排布孔，并深入到坝体的一定深度，对相邻两孔或多孔同时进行压 力灌浆，即可将士坝坝体沿坝轴线实现有控制性的定向劈裂，灌注适宜的浆液， 坝体内部形成一道水泥黏土防渗帷幕，堵塞漏洞、裂缝，切断软弱层，提高坝体 的防渗能力，同时通过浆、坝互压和湿陷作用，使坝体内部应力重新分布，提高 坝体变形稳定性，以达到防渗加固的目的。 劈裂灌浆方法的明显优势是施工速度快，甚至在十几天内就能初步解决坝体 的渗透稳定，使大坝转危为安，成本只及混凝土连续墙的十几分之一3 。劈裂灌 浆技术近年来已取得了很大进展，很多病险土石坝经过劈裂灌浆处理，重新焕发 了青春；在江河湖海的土堤加固上应用也非常广泛。 通过对以上几种常用的加固方法对比分析不难发现，各种方法都有其各自的 优缺点和不同的适用条件。劈裂灌浆与高压喷射、混凝土防渗墙相比，有工程造 价低、施工速度的特点；与土工膜相比，有防渗体结构较稳定的特点。但长期以 来，劈裂灌浆技术的设计和施工，因专业性、实践性和对经验的依赖性很强，关 于它的著作特别是专著又比较稀少，一般采用半经验半理论的方法，没有比较规 范、简单、易操作的理论来指导设计或施工。因此，作者认为有必要对劈裂灌浆 技术的设计理论、影响因素和适用条件做简单的对比分析和归纳总结，并重点对 岸坡坝段劈裂灌浆机理进行探讨，以期对土石坝坝病险库加固及其他采用劈裂灌 浆进行加固处理的工程起参考作用。 1 2 劈裂灌浆技术的广泛应用 几十年来，随着我国水利事业的迅速发展，劈裂灌浆技术也得到了广泛的推 广。由于劈裂灌浆技术具有机理明确、工艺合理、效果好、工期短、经济效益显 著等优点，所以很快在全国2 0 多个省( 自治区、直辖市) 进行了推广应用，并取得 了较好效果。目前，用该项技术已经处理病险水库土坝2 0 0 0 余座，险堤2 0 0 0 多 公里，为国家节约了大量投资，取得了显著的经济效益和社会效益啪1 。 通过实践总结出来的经验，土坝劈裂灌浆对解决以下六种隐患有较明显效果：坝 体碾压不实，密实度普遍较差的松堆土坝；坝体有渗漏通道，软弱层，坝体浸润线 过高，坝坡发生湿润区或“牛皮胀”或渗透破坏( 管涌、流土) 现象；坝体由于不均 一4 一 第1 鬻 匀沉陷而产生的裂缝( 不包括滑坡裂缝) ；分期施工的土坝，分层和接头有软弱带和 透水层；坝体和其他建筑物( 如放水涵管、闸墙等) 接合不好，存在空隙和接触冲 刷；坝体内存在生物洞穴和腐烂树根等隐患。 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，劈裂灌浆技术有了一些新的发展，主要有以下几个 方面： 1 较高土坝坝体的劈裂灌浆并在较高水位时进行施工。蛉奥水库坝高5 8 5 ，在 接近设计水位进行劈裂灌浆施工，突破了规范中要求的在低水位条件下可对坝高5 0 m 以下的土坝进行劈裂灌浆的限制。 2 窄心墙士坝坝体劈裂灌浆。在土坝坝体灌浆技术规范中规定，劈裂灌浆技术适 用与坝高5 0 m 以下的均质坝和宽心墙坝，对于窄心墙坝和坝高超过5 0 m 的均质坝和宽 心墙坝，应通过试验慎重进行。随着劈裂灌浆技术的发展，窄心墙坝体的劈裂灌浆技 术得到迅速发展。 3 湿陷性黄土宽顶坝劈裂灌浆技术。湿陷性黄土宽顶坝在灌浆中遇到的问题是： 湿陷性黄土遇水产生湿陷，出现缩孑l 抱管现象，造成提拔管困难：由于坝顶宽，坝体 内小主应力面不明显，灌浆不易实现定向劈裂。近年来，采用了不分序和在同一灌浆 轴线上相邻数孔同时灌浆的施上工艺，解决了上述难题。 4 砂坝劈裂灌浆。随着劈裂灌浆技术的发展，河北、江西、山东、湖南等省已开 始将该技术应用于砂坝的防渗处理、也取得较好效果。 5 劈裂灌浆加固软土地基。随着劈裂灌浆技术的发展，目前该项技术已开始用于 软土地基的加固和楼房的纠偏。劈裂灌浆加固软土地基的机理，是通过钻孔和灌浆， 在地基中产生大置以水平浆脉为主的网络使软土地基受到挤压而变得密实、浆液中 的水泥和其他化学材料与软土中的矿物成分进行一系列物理和化学作用，改善了软土 的性质使其变得致密而坚硬，提高了地基承载力。另外，对已建建筑物因不均匀沉 降而引起的倾斜，也可以利用劈裂灌浆技术，使己沉降的基础往上抬动，恢复到原来 的位置。目前，该项技术已在我国南方一些城市和地区迅速发展，如上海、广州、武 汉等地都巳用于实际工程并取得了较好的效果啪。 1 3 国内外研究璃状及存在闷囊 土石坝虽有最悠久的历史，但直2 0 世纪中叶，工程设计中人们关心和研究的 5 华j 七水利水电学院硬1 i 啼e 文 问题仍然只集中在坝体、坝基渗流控制以及坝坡稳定等方面；对坝体的应力和变 形则只做些近似估算，例如按单向压缩分层总和法预估沉降等。上世纪6 0 年代以 来，随着高土石坝工程的迅猛增多以及一些以坝体裂缝为起始表象的病害工程负 面经验的积累，土石坝的应力和变形计算才日益受到水工设计人员的重视，得以 研究和发展。 堤坝劈裂灌浆技术是在总结了传统的堤坝灌浆技术的经验教训，分析了堤坝 裂缝的成因以及泥浆劈裂堤坝规律的基础上提出来的。 据有关资料，英国6 0 年代初期建成的巴尔德赫德坝，发现心墙裂缝后，6 0 年 代宋期采用了灌浆的办法进行处理；美国在1 9 7 0 年即采用灌浆的方法处理了希尔 克里格坝，该坝建成后在心墙与山坡接头处出现漏水；西班牙的阿尔庞土坝、墨 西哥的勒克萨坝都采用过灌浆的方法进行处理汹1 。由于当时的理论和经验限制以 及设计、施工人员的种种担心，制约了这门技术的发展。 新中国成立初期。在黄河大堤首次用钢钎探测隐患，然后进行灌浆，取得了 较好的效果。而后在一些中小型水库上坝上进行充填式灌浆。到了7 0 年代该技术 开始用于处理一些大中型水库的坝体隐患。到了7 0 年代后期，人们总结了充填灌 浆的经验教训，分析了坝体裂缝成因和灌注泥浆劈裂坝体的规律，提出了土坝坝 体劈裂灌浆理论。劈裂灌浆与充填式灌浆有本质的区别。坝体劈裂灌浆是从产生 坝体隐患的原因入手，利用坝体小主应力的分布规律进行布孔，利用水力劈裂原 理，施加一定的灌浆压力，有计划有控制地劈裂坝体，灌注适宜的泥浆，通过浆 坝互压和坝体的湿陷固结等作用，使所有与浆脉连通的裂缝、洞穴、水平疏松层 等隐患得到充填挤压密实，形成竖直连续的浆体防渗帷幕。改善坝体内部的应力 状态，解决坝体的渗透稳定问题和变形稳定问题。 “土坝坝体劈裂灌浆防渗技术的研究”课题是原水电部1 9 8 l 1 9 8 4 年的攻关 课题，由山东省水科所承担。在1 9 7 8 年和1 9 8 1 年对西埠和黄前两座水库土坝进行 了大型原体劈裂灌浆试验，并在坝体内埋设了大量的土压力盒、孔隙水压力计、 测斜仪、位移计和沉降位移观测点等。通过灌浆试验，取得了大量宝贵的现场试 验资料。该项技术于1 9 8 3 年通过部级鉴定，认为该项技术在“土坝灌浆技术上是 个创造性的发展，对我国病险土坝的防渗补强有重要价值”。该项技术1 9 8 4 年获水 电部优秀科技成果二等奖，1 9 8 5 年获国家科学进步二等奖。以后又进行了堤坝地 第1 章培论 基的劈裂灌浆技术的研究，并获得成功，于1 9 8 8 年底通过了专家技术鉴定，1 9 9 3 年获国家发明三等奖，并列为国家9 5 期间科技成果重点推广项目1 。由于劈裂灌 浆技术具有机理明确、工艺合理、效果好、工期短、经济效益显著等优点，所以 很快在全国2 0 多个省、市自治区进行了推广应用，取得了较好效果。随着劈裂灌 浆加固技术的推广应用，其理论研究也得到不断的发展。 从国内外许多已有的工程运行情况来看，劈裂灌浆技术确实是一种较为理想 的加固坝体、控制渗流的措施。坝体进行劈裂灌浆以后，坝体的渗漏得到了有效 的控制、密实度增加、稳定性提高。 随着劈裂灌浆加固技术的推广应用，其理论研究也得到不断的发展。通过原 型观测、室内试验、理论分析和工程总结对浆液劈裂坝体的规律、泥浆固结和坝 体压密、浆坝互压以及坝体内部孔隙水压力和土压力的变化规律等方面获得初步 成果。 劈裂灌浆技术的创始人之一自永年教授，在不断实践及研究、总结的基础 上，完善了劈裂灌浆加固机理，提出土坝弱应力破坏的概念及判断标准。傅文 询、白永年的对劈裂灌浆两个问题的分析和黄春华的关于土坝劈裂灌浆若 干问题的思考，提出了劈裂灌浆的持久性问题，劈裂灌浆浆脉在坝体内固结硬化 的问题，设计参数及其取值范围等问题。 水科院陈愈炯在土坝灌浆对坝体应力的影响一文中，采用半坝分析方 法，在灌浆轴线上施加一定的作用力来代替泥浆的灌浆压力，取得了许多有益的 结论。 河海大学朱晟等在劈裂灌浆改善土坝坝体应力状态研究一文中，根据黄 前水库劈裂灌浆技术加固工程实例，应用b l o t 固结理论，利用有限元方法对坝体 的变形和应力状态及坝轴线附近劈裂缝的变形进行了计算分析，并与现场实测资 料比较。计算中对坝体土料的应力应变关系采用椭圆一抛物双屈服面弹塑性模 型，以反映坝体劈裂灌浆中加荷的复杂性。 合肥工业大学曹茂森在他的论文黄前水库土坝劈裂灌浆机理分析中，从 灌浆压力产生附加应力场并导致应力重分布这一观点出发，对其机理进行了探 讨。用有限元法，坝体采用摩尔一库仑材料模型，对劈裂灌浆进行了仿真模拟。 分析计算结果，得出结论：劈裂灌浆引起坝体中上部水平位移比下部大，水平 j 龇水章懈宅学废每扛e 矗墩 位移主要表现为内部压缩变形：劈裂灌浆引起坝体大小主应力增加，灌浆轴线 附近小主应力增量大于大主应力增量，远离灌浆轴线处则相反；增大孔口压 力，大小主应力增加明显，但水平位移增大，在位移允许范围内，增大孔口压 力，可提高灌浆效果；在位移允许范围内，高水位下灌浆是可行的：劈裂灌 浆后，坝体的安全系数得到较大提高。 河海大学吕洪予、方开泽在土坝坝体劈裂灌浆浆液固结分析一文中分别 建立了灌浆期和回弹期浆体固结的数学模型，得出了一些具有普遍意义的结论。 华北水利水电学院孙明权教授在劈裂灌浆技术的理论分析及研究方面也做了 很多工作，尤其对堤坝地基劈裂深度问题进行了深入研究。 通过大量的设计及施工部门的科技工作者在实践当中不断地总结经验，推动 了劈裂灌浆的理论、工艺、应用等方面的发展。 综上所述，劈裂灌浆技术不论在施工工艺还是在理论研究方面取得了不少进 展。但是，由于该项技术的特殊性及加固对象的多样性，所以还有很多理论方面 的问题没有很好的解决。如用基础灌浆的渗透理论来控制坝体灌浆压力或解释坝 体的可灌性问题；用泥浆的渗透半径来确定钻孔距离，与实际中的劈裂半径并不 相符；一些土坝坝体应力应变分析采用线弹性模型，与土体的本构关系不符；岸 坡坝段的特殊性在灌浆机理上没有得到充分的体现等。 1 4 本文完成的主要工作 用劈裂灌浆防渗加固技术来加固坝体，是堤坝加固领域的一种有效的加固方 法，多年来该技术在中小型水库上坝防渗加固中得到广泛应用。但是实践中还存 在许多问题，而这些问题的解决暂时没有理论依据，因此有必要对劈裂灌浆加固 技术的机理进行理论研究。 在收集、整理大量有关该项技术文献的基础上，论文对该项技术的机理和施 工工艺的研究现状进行了较为全面的分析、综合和总结，着重对岸坡坝段的劈裂 灌浆机理进行了探讨，本文主要研究内容如下： 1 、介绍了劈裂灌浆技术的施工工艺、应用状况、发展趋势和应用前景； 2 、介绍了有限元基本理论和土的本构关系； 3 、采用土体的摩尔一库仑材料模型，利用有限元分析软件对典型岸坡坝段进行 r 一 第1 章墙论 了应力应变分析，通过与河槽坝段比较，反映出岸坡坝段应力应变的特点； 4 、在对岸坡坝段分析的基础上，利用有限元分析软件模拟岸坡坝段坝体轴线附近 的应力状态，对岸坡坝段劈裂灌浆的机理和坝体劈裂变化过程进行了探讨。 牟讹爿q 咻电学臃司已七翔：定 第2 章劈裂灌浆机理及施工工艺 2 1 埂体劈褒灌浆机理简介 土坝劈裂灌浆是解决土坝隐患并加固的一项技术。它利用土坝附加应力场， 在一定深度范围内，利用灌注泥浆的压力，依据沿坝轴线附近有一铅赢小主应 力面的规律和水力劈裂原理，沿土坝轴线进行单排布孔，并深入到坝体的一定深 度，对相邻两孔或多孔同时进行压力灌浆，即可将土坝坝体沿坝轴线实现有控制 性的定向劈裂，灌注适宜的浆液，坝体内部形成一道水泥黏土防渗帷幕，堵塞漏 洞、裂缝，切断软弱层，提高坝体的防渗能力，同时通过浆、坝互压和湿陷作 用，使坝体内部应力重新分布，提高坝体变形稳定性，以达到防渗加固的目的。 在最近几十年，用劈裂灌浆的方法来对病险土坝进行防渗补强加固已得到广泛的 应用，并取得了良好的效果。 土坝劈裂灌浆防渗加固机理是多方面的，首先坝体内部应力的分布规律为劈 裂灌浆提供了可能性，再就是灌浆过程中的泥浆的劈裂充填作用、浆坝互压作 用、坝体湿陷固结作用、坝体内部应力调整作用等。 2 1 1 土体的可淮性理论 灌浆是通过渗透和挤压劈裂两种形式或其中一种形式来实现的。实践证明， 通过提高灌浆压力，在施工中使上述两种形式都出现，效果会更好一些。 通过实验得出如下结论。1 ： 1 、在灌浆压力作用下的粘土泥浆，在具有孔隙的卵石和粗砂层中，当灌浆压 力超过一定数值时，以渗透和劈裂两种形式出现。但对具有细小孔隙的细砂不会 以渗透形式存在； 2 、只有在地层土壤可能变形的情况下，才能更好地发挥粘土泥浆的可灌性。 如果企图减小或消除这种地层的变形，而采用降低灌浆压力的方法，其可灌性就 一1 0 一 第2j i m 嚣鬟灌浆$ u l 技施工z 艺 会变差，甚至劈裂、渗透两种形式都不会出现，达不到灌浆的目的： 3 、理想的灌浆不仅通过渗透，劈裂也是有效的形式。劈裂是从很多不同的钻 孔的位置上垂直于小主应力方向劈开的，尤其是在填筑土中，它可以弥补由于填 筑土的不均匀变形而产生的某些方向上的小主应力不足。而且由于裂缝的互相交 错分隔土层，更能达到对土层的加固和防渗的目的。 2 1 2 水力劈裂鬣理 早在3 0 多年前，水力劈裂( 水压致裂) 在石油开采、地应力测定方面就已成为 一种新技术。而提出水压力劈裂坝体还是最近几年的事。开始人们认为对于土坝 坝体面言，水力劈裂是一种绝对应该避免的现象，这对土坝设计和施工无疑是正 确的，但对土坝坝体灌浆施工确是难免的。山东水利科学研究所从1 9 7 0 年以来对 生花庵( 小型) 、石店( 中型) 、贺庄( 大型) 水库进行试验性灌浆，经开挖探井检 查，上述几座土坝均发现在坝轴线附近形成一条或几条垂直连续的浆体帷幕。浆 脉的厚度一般为2 0 3 0 c m ，最厚达8 6 c m ，这些现象用渗透和充填机理是不能解释 的。许多土坝灌浆的实践表明，这些土坝坝体是被泥浆劈裂的。为进一步认识压 力泥浆劈裂士规坝体的机理，1 9 7 8 年在山东省西埠土坝进行了原体试验并获得成 功。总结出利用高压泥浆劈开坝体的机理，提出劈裂灌浆的理论和工艺。 所谓水力劈裂就是在水压力作用下，使原物体产生裂缝或使原有裂缝扩大的 过程。如果无限域中的圆孔受到均匀液体压力p ，要计算介质中的应力，已有经典 解答。如图2 一l 所示，圆孔半径为，n ，质点的极坐标为r ，口。 图2 - 1 无限域巾嚣孔示意图 2 一l r o u n dh o l ei ni n f i n i t ef i e l d 举北水利水电学崩! 研士矗h 文 质点r ，口的应力为： o r ：一p ( 鱼) ： ， 盯。= p ( r o ) 2 r 此式一为压应力，+ 为拉应力。应力状态是轴对称的，即f 。= 0 在孔壁处r = r o ，所以孔壁应力为： o r p l 口j2 + 驯 式中盯，一径向应力；一切向应力；一孔半径 均匀水压力。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) r 一计算点半径；p 如果介质初始应力为零，则当p 盯，就会被劈裂，其中q 为介质的抗拉强 度。如果介质初始应力为盯，且为压应力，则当p 毋+ 盯时就会被劈裂；如果初始 应力盯是拉应力，n 当p + ao t 时就会被劈裂。 2 1 3 土坝坝体的应力分布撬律 土坝是具有梯形断面的条形建筑物，通过对土坝坝体的原形观测及有限元分 析，如果坝体的填土是近似均质的，则在河槽段的横断面上坝体内部应力分布规 律一般为：在坝轴线附近，土坝的竖向应力盯。略小于土柱的自重应力，土坝横剖 面的水平应力比竖向应力。比竖向应力盯。为小，约等于( 0 3 o 5 ) 仃，( 即侧压力 系数为0 3 o 5 ) 。土坝填筑质量愈差，则侧压力系数愈小，坝顶部一定高度盯，还 会出现拉应力。土坝纵剖面的水平应力盯：介于盯，、1 3 。之间。大量有限元计算和原 型观测证明了坝体轴线附近的对称轴上三个主应力近似相互正交。蓄水后，应力 轴发生偏转，但坝轴线附近的偏转角不大，沿坝轴线附近盯形成对称应力面，即 小主应力作用面。坝体大部分区域接近单向压缩状态，小主应力面形成弱应力 面，同时o ，在坝体的中上部较小，有时会出现负值，即拉应力，因此沿小主应力 面比较容易劈开坝体。在坝轴线附近，盯，“q 、盯：* 盯，、盯。* 吼，因此在坝轴线 附近土坝坝体三个主应力方向如图2 2 所示。根据士坝坝体的应力分布情况，利 第2 掌 劈裂灌浆机理覆拖i z 艺 用水力劈裂原理，在坝轴线附近小主应力面布置灌浆孔，泥浆就容易沿这个面将 坝体劈开。 2 01 圈2 2 土坝三向应力示意图 聱趣2 2t h r e e - d i m l o u ls t r e s s e a r t h d a m 由于不同坝高土柱的总变形量不同，如图2 3 。土柱a 的总变形量大于土柱b 的总变形量。在不同的坝高上就会出现总变形量差，表现在水平土条上由水平的 直线变为曲线，总变形量最大的部分在坝轴线附近，越往坝坡的边缘交形量越 小，形成了由低土柱到高土柱越来越大的应变差。相应的在土柱最高的坝轴线附 近也形成最大的应力差，容易出现弱应力破坏。因此，沿坝轴线布置灌浆孔灌浆 时，泥浆便能沿这个弱应力面劈开。坝体填筑质量越差，坝体变形量越大，弱应 力破坏越严重，坝体劈裂越容易。 7 j 7 3 c r 3 一盯2 时，o e 3 0 3 一仃2 + 盯r ( 0 z 为土体的 抗拉强度) 时，孔壁将被拉裂，泥浆进入裂缝内。则p 。= 3 a ，一仃，+ q 为孔口的起 裂压力。 2 灌浆压力p 当采用“孔底注浆、全孔灌浆”时，注浆管出口的灌浆压力p 为： p = 印+ 强矗+ 咖 ( 2 5 ) 式中：a p 为孔口压力表读数； ，。为泥浆容重； h 为灌浆管长度； 玎为阻力系数。 当液体压力p a ，劈裂就会发生。孔壁开始劈裂以后，裂缝前端应力集中， 产生尖端效应。由断裂力学理论，裂缝的扩展压力满足下面的关系式： p ：= 再匿k 孺i c 式中：易为垂直于裂缝两面的压应力；置，c 为l 临界应力因子；a 为孔壁边缘向内部裂缝的深度。当液体压力p p 2 ，尖端裂缝就迅速向前发展，其 速度接近声速。由于劈裂灌浆是以浆液为能量载体，高压泥浆对坝体有很大的充 填作用。泥浆充填坝体内部被劈开的灌浆通道，以及与通道相连的各种原有裂 缝、洞穴等，充填作用与劈裂灌浆作用是同时进行的，随灌、随劈、随充填，达 到缝开、浆到、料满。随着复灌次数的增加泥浆多次充填挤压。使原坝体得到 挤压、密实，与浆体帷幕一起形成较高的防渗能力因而达到充填坝体隐患和构造 防渗帷幕的目的。 2 1 5 浸陷作用 泥浆灌进坝体，其中大量水分随之进入坝体。水除了产生孔隙水压力和对土 的性质产生影响外，还对坝体产生湿陷作用。湿陷作用的大小与土坝质量和料 性质有关。沉陷作用对坝体是有利的，可以增加坝体的密实度和变形的稳定性。 j 吼震t 水电掌崩啊霄蕾咕e ：文 减少弱应力区范围。停灌以后湿陷作用逐渐变缓，每次复灌都有湿陷，但湿陷率 越来越小。湿陷使坝体高度有所降低，坝体体积缩小，在坝顶出现变形裂缝。这 些裂缝经过多次复灌后都会被泥浆充填。 2 1 6 能量的调整和转换 根据物体能量的转换和传递规律，提出了土坝的裂缝破坏是由于坝体内部的 变形和能量积累转换造成的。要根除这种隐患，就必须使坝体内的部分士体所积 累的应变能充分释放。劈裂灌浆就是通过灌浆压力和土体湿陷变形，使原有的土 体裂缝充分开裂，使已出现的弱应力区和强应力区之间的应力应变能互相传递转 换，打破原来坝体内部应力的不平衡，恢复正常的内力状态，保持坝体内部的应 力应变相对稳定。 2 1 7 浆坝互压理论 土坝劈裂灌浆技术利用了土坝坝体的整体弹性特征，在灌浆过程中随着浆液 压力的反复增长和消失，具有弹性的坝体张开和回弹，使坝体和浆体反复挤压， 形成连续的浆体帷幕和两侧压密的坝体联合防渗带。通过浆坝互压，可以补救原 坝体由于不均匀变形产生的小主应力不足，改变坝体内部的应力不平衡状态，从 而比较彻底地解决了士坝坝体的变形稳定和渗透稳定问题。 泥浆和坝体的固结和压密。劈裂灌浆加固坝体的主要作用是利用泥浆在坝体 中固结硬化后形成的帷幕进行防渗。因此泥浆在坝体内能否固结硬化，就成为土 坝劈裂灌浆中最关键的问题。影响浆液固结的因素是十分复杂的，浆液固结速率 和效果不但与坝体土质、施工质量、坝体应力状态、浆体土料性质、浆体厚度等 因素有关，而且还受坝前水位、施工工艺的影响。 2 2 坝体劈夏灌浆麓工工艺筒介 2 2 1 劈裂灌浆适用范围 1 坝体浸润线较高，坝后坡存在大面积湿润，或有管涌、流土破坏现象： 2 坝体铺土过厚，分层分段施工，碾压不实，土质疏松，存在架空现象； 一1 6 第? ，爨群麓或机曩厦施工工艺 3 坝体出现不均匀沉陷的横向裂缝、软弱带、透水沙层或较多的蚁穴或兽 洞等隐患。 2 2 2 淮浆方法 1 “孔底注浆、全孔灌注” 注浆管下到孔底以上0 5 m 左右，在坝顶钻孔周围设阻浆塞，泥浆从注浆管流 出，在孔中自下而上返浆，坝体中下部先被劈开，坝顶最后被劈开。如果坝体上 部质量较差或存在拉应力区或者注浆管下得较浅，坝体上部也会先被劈开，浆脉 达不到设计深度或上宽下窄而尖灭，影响防渗加固的效果。该法旌工简单、操作 方便，在工程中应用较多。 2 “孔底注浆、全孔护壁” 为保证浆脉厚度上下分布均匀，灌浆前先打套管到设计深度，设置阻浆塞， 泥浆从注浆管流出，首先作用在注浆管出口附近的土体上，待劈开后，再提升套 管和阻浆塞，分段注浆、分段劈裂坝体。该法可以延缓坝体中上部开裂时间，可 以施加较大的灌浆压力，浆坝互压效果好，浆脉分布较均匀，但施工较复杂。 2 2 3 浆液 土坝劈裂灌浆用的浆液一般有纯粘士浆和粘土水泥浆两个系列。纯粘土浆在 坝内固结时间长，浆体与坝体物理力学性能基本接近，变形比较协调。泥浆固结 后不会产生浓缩缝。粘土水泥浆可以加快浆体析水固结，早期强度大，但有可能 出现浓缩缝，所需费用也较高。坝体含水量低的干燥土区一般用纯粘土浆，坝体 含水量高的湿润土区可以采用粘土水泥浆。 2 2 4 灌浆时间与和终灌标准 灌浆时间一般选在枯水季节或低水位期。复灌间隔时间主要以灌入坝体裂缝 中浆体的固结状态来确定，应待前次灌入的泥浆基本固结以后，再进行复灌，一 般可参考表2 1 中的经验数据 2 6 。经过分序、分次轮灌以后，浆体厚度或灌浆 压力达到设计要求，就可终灌。终灌后，注浆孔用稠浆灌满，然后设浆盖( 即人工 开挖后，再回填夯实) 。 1 1 华北爿。袍f 水电掌茂司扛e 赢墩 表2 1 复灌间隔时间参考表 t a b l e2 1 r e g r e u t i n gi n t e r v a lt i m er e f e r e n c ec h a r t 浆体厚度( c m ) 361 22 43 6 间隔时间( 天) 351 02 03 0 2 2 5 河槽段的澹浆工艺 1 灌浆孔的布置 由于土坝轴线的小主应力作用面基本上是铅直的，所以灌浆孔一般沿坝轴线 或在坝轴线附近单排布置，如图2 5 所示。一般认为偏向坝轴线上游是安全的。 因上、下游坝坡处的小主应力的作用面方向基本上是平行于坝坡方向，浆脉可能 倾斜，放一般不在坝坡上布置灌浆孔。 2 分序钻孔 分序钻孔是一排孔分成几次成孔灌浆，这样可以使灌入的浆液平衡均匀分布 于坝体，有利于泥浆排水固结，避免产生不均匀沉陷和位移，而出现新的不利裂 缝。同时，后序孔灌注的浆液对前序孔起到补充作用，一般按由疏到密的原则布 孔。第一序孔的间距一般采用坝高的2 3 或设计孔深的2 3 。先钻孔第一序孔，后 在第一序孔中间等分插钻第二序孔。孔序数一般分为2 - 3 序，如图2 5 。最终孔 距一般在1 0 m 左右。一般第一序孔吸浆量占总数的6 0 以上，灌浆次数也相应多 些，可为8 1 0 次；第二、三序孔主要起使浆体帷幕厚度均匀的作用，灌浆次数 少些，般为5 6 次。 3 孔深、孔径和钻孑l 一序孔 。二序孔 圉2 5 灌浆孔布置示意圈 r i g2 5 l o t i o uo f g r o u t i n gh o l e 第? ，舅裂藏撤职窟a 施工工艺 孔深一般要达到隐患以下2 m 处，如坝体质量普遍较差，可将孔打到坝底部， 并且钻孔尽量铅直，斜率控制在1 5 以内，以保证相邻两灌浆孔问的防渗浆体帷 幕能够很好地衔接。孔径采用5 l o c m 为宜，孔径过小则阻力大，容易堵塞。 4 弯曲坝段的灌浆工艺：弯曲坝段的小主应力面，可能与坝轴线相切，故劈 裂灌浆工艺与一般坝段不同，才能获得沿坝轴线形成的连续的浆体防渗帷幕。具 体灌浆工艺有两种： a 随机钻灌法，即钻一孔灌一孔，孔距较小。当灌浆孔口出现细小裂缝，并 开始偏离坝轴线时则停灌。然后在偏离坝轴线较近处的轴线上钻孔灌浆，使其劈 裂重薪回到坝轴线的位置，这样循序渐进钻灌，引导裂缝发展，最终沿坝轴线方 向形成竖直连续的浆体防渗帷幕。坝轴线曲率越大，钻孔应越密。 b 一次成孔轮灌法，在弯曲坝段轴线上，将设计的灌浆孔连续钻完，然后逐 孔轮流灌浆。单孔每次灌浆量要少，力争在短时间内循环一遍。发现孔口有小裂 缝时就停灌，改灌另孔。当每个钻孔都形成小的裂缝，而且互相交接，灌浆量才 可以互相增加，直至灌完。若弯曲坝段不太长，钻孔不多，也可同时灌浆，亦能 获得较理想的效果。 无论采取上述哪种灌浆浆方法，当坝顶沿坝轴线出现贯通的细小裂缝后， 要及时做阻浆盖，一般应控制坝顶表面再次劈裂。弯曲坝段的钻孔越密，最后形 成的浆体防渗帷幕就越接近坝轴线，连续性越好。 2 2 6 岸坡坝段的藏浆工艺 岸坡坝段的灌浆工艺：土坝岸坡段的应力条件较复杂，加之岸坡的坡度和坡 面不同，应力状态更是千差万别。岸坡段的小主应力面一般不沿坝轴线分布，可 能与坝轴线斜交，也可能与坝轴线垂直，因此有其特殊的灌浆工艺。 1 首先调整小主应力面。由于不均匀变形等原因，岸坡段可能出现横向裂 缝，说明小主应力面基本垂直于坝轴线，需用灌浆的方法补足应力。为将小主应 力调整为垂直坝轴线方向，采用在缝顶做阻浆盖，缝内打孔灌注1 4 1 6 9 c m 3 的 浓浆，可采用较大的灌浆压力( 1 0 0 2 0 0 k p a 左右) ，使坝体土在高压泥浆作用下充 分地横向劈裂、挤压、湿陷，最后实现应力再分配，充分补充纵向小主应力的不 足，恢复三个主应力方向的正常秩序。 9 一竺型兰竺竺堡壁兰 2 岸坡段出现斜缝时，先对斜缝进行充填灌浆处理，灌浆压力采用5 0 k p a 左 右为宜。 3 沿坝轴线布孔，孔距5 m ，不分序，由坝肩向河槽段推进，灌浆浆压力采用 5 0 l o o k p a ，最后形成沿坝轴线分布的与河槽段连接的灌浆帷幕驯。 2 2 7 灌浆期问特殊闷蔗的处理 1 裂缝： f 1 纵向裂缝。灌浆期间，为了避免劈裂缝过早地延伸