劈裂灌浆的作用机理

1、劈裂灌浆的作用机理孙晓范 梁娟 白永年（山东华水水电工程有限公司 邮编：250013）摘要：土坝设计，一些计算参数的选择，都是以填筑的土体为均质作为假设条件。但实际的土坝施工和以后的运行表现证明绝大部分土坝的变形和渗流都不是均质的图1，因此，发生了一些局部的破坏。土坝坝体劈裂灌浆是目前解决这一问题的最好办法。关键词：土坝劈裂灌浆、应力场、渗流场我国的土坝大部分都是分段（或分区）施工，分层碾压，由于掌握施工规范不严格，出现了施工接头多，未处理好；一次铺土层太厚，碾压不均等问题。加之人工上土，土性不一等，在以后的土坝管理运行中，出现了诸多土体应力场和渗流场的表现异常，甚至发生各种变形破坏和渗透破坏

2、。一、土坝的主要破坏形式1、土坝的变形破坏：分为整体变形差的变形破坏，如因填土普遍疏松，在土坝各部位不同土柱高因总变形量不同而出现的应变差，使一些土体受拉，甚至张开裂缝图2为山东省贺庄水库土坝应力分布（3）；各土区的不均匀变形破坏，如施工时填土质量不均一，碾压不实，施工接头，不同单元施工质量掌握质量上的差异等，出现的不均匀变形。如塌坑、裂缝、局部土体被渗透力击穿等如图1为广东省岭澳水库坝后渗流和灌浆期间管涌冒浆点。因此，同一座土坝，其内部应变应力的分布情况是很复杂的，即使用近代最科学的计算方法和仪器的测试，都很难准确的反映土体各部位应力场的全部真实情况。从应力破坏的形式分类，大体可分为强压应力

3、破坏土区可能出现剪切破坏。弱应力破坏土区可能产生水力劈裂。已破坏的土区已剪切开的裂缝或已张拉开的裂缝上述破坏土区在一些病险土坝是较普遍存在的。广东省岭澳水库劈裂灌浆前大坝后坡渗流破坏图1坝顶 劈裂灌浆前山东省贺庄土坝沿轴线应力分布图251015202530（米）（一）0+1000+2000+6000+3000+4000+500（一）（）1.156.44（）（一）（）1.690.90+700（一）2、土坝的渗流破坏产生的原因，是由于坝体内土体存在的弱抗渗土区抗渗强度太低，即某些土体的抗渗坡降小于渗流的渗透坡降。如坝后留有过高的剩余水头，浸润线出逸点过高，浸蚀坝体，坝后坡出现散浸、管涌、流土等。由

4、于土坝填土不均匀，上述破坏形式在坝后局部表现出来，虽然各土坝表现的破坏形式和轻重程度不同，但对大坝都会形成一定程度的威胁。对一些有几十年的历史的土坝，由于先天不足，老化速度加快，尤其有些至今仍然存在变形稳定问题，有的坝虽然近年每年的变形量只有几毫米，但由于多年的不均匀变形累积量已相当大，内部的应力场和渗流场的分布已相当复杂，突发事件的可能性是存在的。二、劈裂灌浆的作用劈裂灌浆基本沿坝轴线小主应力作用面劈开坝体，形成垂直连续的以主浆脉为主体的防渗泥墙帷幕。在压力泥浆的劈裂运行和静止期间有如下的作用：（一）应力调整功能。1、劈裂挤压作用：泥浆对土体劈开的面，大部分为小主应力不足的作用面，泥浆压力可

5、以补充小主应力的不足，避免了以后由于不均匀变形再出现小主应力不足拉开裂缝。2、充填作用：泥浆对坝体的劈裂过程是一个随劈裂随充填的过程，尤其是沿坝轴线全线劈开坝体形成了竖直连续的防渗泥墙帷幕，凡横穿坝体的空洞、水平疏松土层、裂缝等，都会被泥浆充填，不会再留下隐患（图3）。福建省亚湖水库土坝劈裂灌浆竣工后泥浆浸入水平疏松土层探井照片图33、渗透作用：在泥浆的渗透力作用下，对泥浆劈裂通过的两侧疏松土体，发生强力渗透。如果坝体内有连续的疏松土体，渗透力就会连续渗透击穿土体，直至从坝坡冒浆。尤其是在筑坝施工中形成的水平沙层等，泥浆也可以水平向充分渗透充填，堵住漏水通道。4、坝体的回弹压缩作用灌浆期间泥浆

6、对泥浆脉两侧土体，每平方米有几十吨的压力，推动坝体向浆脉两侧位移同时泥浆压缩浆脉两侧的疏松土体。每次停灌以后，原作用在两侧土体的泥浆压力的反作用力，回弹压缩泥浆，加速泥浆排水固结硬化。5、湿化沉陷变形作用：劈裂灌浆所用泥浆都是含大量重力水的超饱和浆液，这些重力水排入泥浆两侧的坝体土，使其湿化和压缩沉陷变形，一般变形量可达坝高的0.01-0.005。促进了土体内密度的增加和应力调整。通过上述压力泥浆的作用，使坝体内泥浆脉两侧土体的应力得到充分调整，沿主浆脉两侧单侧4m以内应力水平可以降到零。对泥浆脉两侧弱应力补充逞线性关系，影响范围可达单侧10m左右，对大坝灌浆后的变形稳定得到了充分保证图4。（

7、二）泥浆脉的抗渗功能（4）。 劈裂灌浆所形成的泥浆脉，尤其是沿坝轴线的主浆脉，抗渗能力，足可以抗拒水库在任何水位时所形成的渗透坡降。我国最早用劈裂灌浆技术处理的一批土坝，已超过30年，至今非常稳定，未再出现有任何渗透破坏的现象。灌浆时泥浆对浆脉两侧土体的渗透压力为: 1转换成抗渗坡降为 2式中:为注浆管顶端的孔口压力KPa;：为注浆管顶端至坝体内某一高程的泥浆柱压力KPa;：泥浆容重KN;:水容重KN;：主浆脉至坝后排水棱体的水平距离m。水库任一高水位时，浸润线以下某点高程土体的水柱压力为： 3转换成渗透坡降为 4式中：h为浸润线以下某点距浸润线的距离m。式1和式3比较，加孔口压力，所以；式2

8、和式4比较，同理。劈裂灌浆主浆脉防渗泥墙帷幕所形成的抗渗坡降远远大于任何高库水位情况下浸润线所形成的渗透坡降，保证了坝体的渗透安全。劈裂灌浆期间所发生的一些现象也说明了以上论述的正确。1、坝前后坡的冒浆：劈裂灌浆施工期间几乎所有的土坝前后坡都出现冒浆现象，初灌时冒浆点最多，第三次复灌以后，不再出现冒浆点，说明漏水通道和松土层都被加固。产生冒浆的原因，是坝体内原来就有的漏水通道或泥浆脉两侧疏松的坝体土的抗渗坡降小于压力泥浆压力所形成的渗透坡降，被压力泥浆所击穿，泥浆从坝前后坡冒出。经处理以后，被击穿的泥浆管涌洞被堵实，隐患被消除。土坝质量越差，坝前后坡冒浆点越多，有的坝出现上百处或几百处的冒浆点

9、。劈裂灌浆处理过的土坝，其抗渗坡降都能达到式2中所表示的的要求，所以在以后水库高水位时浸润线所形成的渗透坡降，就不会再击穿坝体土，隐患彻底消除。2、病坝经劈裂灌浆处理后，坝后浸润线大大降低，如图5所示。一般都降至排水棱体底高程以下（指不透水地基）（5），坝后地下水位降至地面以下3-5m。原因是泥浆脉的渗透系数很小，一般k=i10-8_-9cm/s。若主浆脉两侧经压力泥浆的挤压、充填、渗透，湿化固结等所形成的防渗带以10m计算，渗流透过防渗带需若干年，在这之前，坝体的后半部分都是属于无源渗流的非正常渗流土区。所以坝后地下水位的降低是由于泥浆脉所形成的防渗带渗透系数很小形成的。 如果说，土坝坝后的渗透破坏主要表现形式是管涌流土，产生这种破坏的机理就是土体被渗透压力所击穿或渗透变形，通过上述劈裂灌浆期间的冒浆现象和竣工后的渗流表现，劈裂灌浆处理过的坝，渗透破坏产生的可能性都会被消除。 参考资料：1、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；2、