[12-11 16:58:43] 来源：http://www.tmgc8.com 水利水电 阅读：3779次
摘要：文章从介绍劈裂式灌浆的机理出发，进而提出土坝上采用孔口封闭灌浆法的优缺点，通过白水塘水库北坝及北坡水库副坝的生产性灌浆试验得出该方法是行之有效的，且能保证灌浆质量。
关建词：机理 劈裂式 孔口封闭灌浆法
劈裂式孔口封闭灌浆法防渗技术作为一种灌浆施工工艺主要是针对土石坝而言的。其不仅能保证防渗帷幕的质量，而且施工简便、易行、施工工艺简单，目前运用广泛，已成为土石坝防渗加固的主要工程措施之一。
1.土坝劈裂灌浆作用机理分析
实践证明，在土坝坝体灌浆过程中，灌浆压力的取值一般是根据坝土的密实度及灌段的埋深等从小至大的顺序进行的，但当灌浆压力达到某一数值后，坝体就会出现劈裂、且其裂缝的开度及延伸长度随灌浆压力的增大和时间的延续呈增大、增加，直至浆液形成充填状态或冒出表面压力才会降低。
1.1浆液劈裂土坝的应力分析
浆液在灌浆泵的作用下，通过输浆管道进入灌浆段。由此浆液在灌段内产生一数值为P0+hγ（P0为孔口表压，h为浆液高度，γ为浆液密度）的张性力，当张力大于坝土的拉应力时，坝土就出现新的裂缝，形成劈裂缝，至此浆液除继续形成劈裂外就呈现充填形式进行灌注；而在劈裂缝被充填满后，新灌入的浆液在灌浆泵压力作用下再次产生新的劈裂，如此反复，最终通过劈裂、充填，再劈裂、再充填的灌浆机理形成连续的帷幕体，达到防渗之目的。众所周知，土坝体分布有三个主应力，其中小主应力是平行坝轴线方向分布的。在灌浆中，首先形成劈裂的是沿小主应力方向，这就为土坝采用劈裂式灌浆提供了较好的前提条件，由此，沿坝轴线方向布置帷幕灌浆孔是非常有利的、且能达到目的。
1.2浆液劈裂土坝的压力取用分析
土坝灌浆中，为使坝体土能在允许的灌浆压力下充分地进行劈裂并充填浆液，力争做到使用内劈外不劈的灌浆压力，一般情况下，在进行正式灌浆施工前应进行生产性灌浆试验。土坝的灌浆压力来自灌浆泵及浆液本身，通常情况下根据理论公式计算后再确定或控制施工时的实际灌浆压力，一般是采用公式P=KγD/100或P=P0+MD计算灌浆压力。式中：P----灌浆压力（Mpa），D----孔段埋深(m)，γ----土体容重(1.72～1.75g/cm3)，K----1.3～1.5，P0——0.05Mpa，M——0.02～0.03MPa。
灌浆中，根据公式计算若取小值不能很好的进行灌浆或达到劈裂，则需加大灌浆压力，此时可采用大值进行灌浆。若取大值还不能达到劈裂灌浆之目的，这时可考滤采用坝前2倍水头压力的方法进行灌浆施工。实践证明，大多数土坝，尤其是病险土石坝的坝体其灌浆压力无需达到2倍坝前水头压力就可形成劈裂式灌浆之目的；有的则只需要浆液的自重压力就可形成劈裂压力，从而达到劈裂式灌浆之目的。
1.3浆液劈裂土坝前后的浆坝互压分析
浆液劈裂坝土后首先进行的是浆液充填及继续劈裂，在浆液充填中，由于灌段内压力减小，坝体产生应力回弹，从而形成坝体挤压浆液，迫使浆液析水、回浓、固结等程序。在同一灌段内经过灌浆压力反复的增大减小，在短时间内坝土大量湿陷或塌陷，从而达到坝体应力重分配，稳定坝体之功效。浆坝互压作用后，势必沿劈裂缝形成一道连续的帷幕体，其中既有浆液张力劈裂坝体形成充填，又有充填中坝体回弹挤压浆液的机理，这是一对相辅相成、互为依存的劈裂式灌浆实体。由于土坝劈裂式灌浆的任务之一就是在坝体允许的范围内尽量增大灌浆压力，使原来较为疏松的土体在某个范围之内得到一定程度的压实；当停灌以后，由于孔口压力的取消和泥浆的浓缩固结，泥浆压力逐渐减小，坝体则回弹压缩泥浆。实际操作中，采用孔口封闭，孔底注（压）浆，通过多次复灌可充分发挥浆、坝互压作用，对提高坝体的密实度并保证灌浆质量是有效的。此外，通过灌浆压力和土的湿陷变形，使坝体内部的应力再分配，由应力的不均衡趋向均衡，从而使坝体达到变形稳定的目的。
1.4灌浆后泥浆的排水固结分析
当灌段达到结束标准停止灌浆之后，孔口压力逐渐下降直至回到零时，浆液在浆缝中的压力仅为泥浆中的孔隙压力，这时泥浆中孔隙压力等于泥浆柱压力。当泥浆的析水完成后，浆体的孔隙压力将逐渐小于泥浆柱压力，此时，浆体由析水浓缩阶段进入排水固结阶段。因下部泥浆所受的压力较大、渗径短、排水固结快，从而引起泥浆的固结硬化顺序是自下而上的，这有利于尽早发挥浆体的截渗作用，这在降低土石坝坝体浸润线方面是非常有利的；同时由于坝体灌浆顺序是自上而下进行，故上部灌段土体逐步形成强度较高的似盖板，这对提高下部灌段质量将起到有利的促进作用，这一现象在孔口第一灌段结束后表现最为明显。www.tmgc8.com
由于泥浆水份是在孔口压力减小或消除后，浆液流动速度减慢，致使浆液回浓、析水，再经坝体回弹挤压逐渐排向坝体内的，最终形成泥浆固结，形成浆结石。在浆体的水平截面上其固结顺序是自外向内的，即靠近坝体的浆体部分先固结，然后向里固结，浆体的中心部分最后固结。这对于尽早发挥浆体的阻水作用，提高浆体的防渗能力是有益的；同时也是浆液与坝土胶结的关键部分，对尽快适应坝体变形稳定是有利的。
2.土坝孔口封闭灌浆法的优缺点
土坝上采用劈裂式孔口封闭灌浆法的优点主要表现在灌段能重复灌浆，对灌段以上的已灌段有进一步补强或增强之功能，已灌段能多次进行浆坝互压，促使坝体变形趋向稳定，操作简便、工艺简单、易于保证灌浆质量。缺点主要表现在孔口管不易固牢，易造成沿孔口管脚冒浆，施工中管口易被破坏或扰动。
3.工程实例
3.1泸西白水塘水库工程北坝生产性灌浆试验
泸西县白水塘水库位于县城东北部，属珠江流域南盘江水系小江河流域，属利用天然洼塘引洪蓄水的中型水利工程，总库容3550万M3，设计灌溉面积3.95万亩。由于水库防洪标准低，坝体、坝基与两岸坡结合部位渗漏严重，造成坝体浸润线升高、坝坡大面积渗水。白水塘水库由北、西、南三坝组成，现以北坝生产性灌浆试验进行简述。
北坝在库内高水位（1790.54m），外坝坡面潮湿浸水；尤其是正常蓄水位（1792.01m）时，坝体浸润线溢出点较高（1791.50m），潮湿面积较大（1204M2），坝脚以外地面大都呈沼泽，总浸水量14.4L/s。从前期钻探和试验资料可得，坝体土K=2.2×10-3～1.31×10-4cm/s，K垂直=4.68×10-3～1.4×10-5cm/s、K水平=4.69×10-3～5.68×10-4cm/s，透水性偏大且水平渗透大于垂直渗透；坝基土K=1.23×10-4～6.39×10-4cm/s；基岩q=11.13～72.92Lu；属于中等透水岩土体。
北坝灌浆轴线布置在新坝轴线上，靠下游距原坝轴线0.5m，单排孔布置，试验期间选择三个试区采用孔距1.5m、2.0m及1.0m并分三序进行试验。目的是验证坝体及坝基的可灌性及灌浆效果；要求是坝体坝基土采用1:3水泥粘土混合浆液施灌、基岩用纯水泥浆施灌；最终提出孔排距、最大灌浆压力及浆液扩散半径等技术参数。
整个灌浆试验期间，共计完成灌浆孔钻孔进尺341.5m，灌浆进尺318m，注入水泥130189.4Kg、粘土54084.2Kg。坝体土单位注入量274.4～351.4Kg/m、坝基土单位注入量322.3～398.4Kg/m、基岩单位注入量315.4～783.5Kg/m。在坝体土的的劈裂缝中，主劈缝有一条，沿灌浆轴线分布，延伸最长约8m，一般有3～5m；其余为与灌浆轴线呈小角度（在100以内）相交的副劈缝，一般延伸较短，在1～2m。
效果检查在灌浆试验结束14d后进行，通过钻检查孔检查，除一试区孔距为1.5m的检查孔压（注）水试验透水性满足要求外，其余均未达到透水性满足规范100%的要求。从检查孔浆结石分布及胶结情况来看，水泥粘土浆结石多呈脉片状分布、很少呈团块状分布，水泥浆结石呈脉片状、团块状均有分布，胶结均为紧密状态。为此，在灌浆试验报告中提出采用单排孔布置、孔距1.5m的施灌方案。通过全面的灌浆施工后，已证实了单排孔布置、孔距1.5m是能满足或达到要求的。水库除险加固竣工后，已运行3年多，坝面干燥，坝脚以外沼泽消失，状态良好，正发挥着积极的灌溉及防洪效益，达到预期的目的。
3.2个旧北坡水库工程副坝生产性灌浆试验
北坡水库位于个旧市鸡街镇东北边缘的丘陵地带，是一座以农业灌溉为主、兼顾乡镇供水的中型水利工程，总库容1298.4万M3，灌溉面积1.6万亩，年供水量500余万M3。水库由主、副坝构成，由于地理位置重要、工程效益显著，再加坝体、坝基及其接解带渗漏，观测设施不配套，严重影响水库的安全运行。为此，对水库大坝进行除险加固处理，主坝体采用混凝土防渗墙防渗，副坝体采用帷幕灌浆防渗。
副坝据前期勘探结果显示：坝体土K=4.2×10-4～2.38×10-3cm/s，坝基土K=2.8×10-4～2.3×10-5cm/s，基岩q=16～133Lu，岩土体透水性属弱～强透水，以中等透水为主；外坝脚渗漏点一处（q=0.079L/s）。
副坝最大坝高15.3m、坝顶长528.4m、坝顶宽6m。灌浆试验期间设五个试区两排孔布置，排距为1.5m，孔距为1.5m、1.75m、2.0m、2.5m并分三序进行试验。目的是验证坝体及坝基的可灌性及灌浆效果；要求是坝体坝基土采用1:3水泥粘土混合浆液施灌、基岩用纯水泥浆施灌；最终提出孔排距、最大灌浆压力及浆液扩散半径等技术参数。www.tmgc8.com
整个副坝灌浆试验期间共计完成钻灌浆孔进尺730.6m、灌浆进尺603.2m，注入水泥70046.4Kg、粘土130067Kg，坝体土单位注入量307.7～382.7Kg/m、坝基土单位注入量368.7～444.1Kg/m。在坝体土的的劈裂缝中，主劈缝有一条，沿灌浆轴线分布，延伸最长约12m，一般有3～5m；其余为与灌浆轴线呈小角度（在100以内）相交的副劈缝，一般延伸较短，在1～2m。
效果检查在灌浆试验结束14d后进行，通过钻检查孔检查，除一、五试区排距为1.5m、孔距为2.0m的检查孔压（注）水试验透水性不能满足100%要求外，其余均达到透水性满足规范或设计要求。从检查孔浆结石分布及胶结情况来看，水泥粘土浆结石呈脉片状分布，水泥浆结石呈脉片状分布，胶结均为紧密状态。为此，在灌浆试验报告中提出采用双排孔布置、排距为1.5m、孔距2.0m的施灌方案。2009年水库除险加固竣工后正准备投入运行，时逢干旱，水库处于低水位下，没能得到检验，预计其也能达到预期的目的并发挥积极的灌溉及供水效益。
4.结语
劈裂式孔口封闭灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，目前已经被广泛的运用。但在具体操作中应注意施工工艺，灌浆压力的控制及尽量做到少灌多复或内劈外不劈用以保证灌浆的质量，才能达到预期的效果。
