土坝劈裂灌浆工艺的特殊要求

白永年

（山东华水水电工程有限公司 济南 250013）

1 土坝和地基的差别

地基基础灌浆已有200年以上的历史（1），在理论和工艺上都比较成熟，作为地质和工程技术人员，也都已较普遍接受。对于土坝坝体的灌浆，尤其是劈裂灌浆，虽然自推广以来已有20多年的历史，做了大量的工程，收到了非常好的效果。但是由于至今受地基灌浆理论工艺传统的影响，往往把地基灌浆的工艺参数机械地搬到坝体灌浆工艺上来，达不到应有的效果，甚至产生一些负作用。地基基本上都是由自然沉积、冲积、洪积、坡积等形成的，经过长年的固结变形，从工程角度出发，除大的地震搅乱之外，变形和应力调整阶段早已结束，处于长期的稳定状态，所以两场的分布参数已经固定。与地基相比，土坝有如下的特点：

a.土坝为人工填筑的土工建筑物，存在填土不均匀、压实度不够等问题。我国相当大一部分土坝虽然已存在了几十年，但尚未最终完成固结变形，坝体仍处在变形和应力场的变化调整阶段。当坝体土由于不均匀沉陷而变形的时，倘若第一主应力小于无侧限抗压强度，则在该土区的第二主应力会减小，并可能接近于零或负值时，该土区就可能发生裂缝，产生隐患（4）。只要坝体土有不均匀变形，这种情况就是不可避免的。我国相当大一部分土坝都存在上述隐患（5）。

b.土坝由于上下游水位差，库水通过坝体时，形成具有一定水力梯度的浸润线。由于填土的不均，土体的抗渗强度也不相同，土坝设计时所绘制的流网就会有差异。因此，渗流所形成的浸润线，不会是平滑的均匀流线。在弱抗渗土区较大水力梯度的情况下，会发生渗流破坏。如坝后出现管涌、流土等。

2 土坝的主要破坏形式及劈裂灌浆效果

2.1 土坝变形破坏

由于土坝的不均匀变形，应力场分布很复杂，主要的破坏形式大体包括已经拉开的裂缝和潜在的处于弱应力破坏阶段的有效应力小于浸润线以下水头压力的土区。后一种情况属于可能发生水力劈裂的隐患。

山东省贺庄水库，位于山东省泗水县，为大（2）型水库、土砂组合坝。坝长1043m，最大坝高25.5 m，坝基为第三系沉积砂岩，不透水地基，坝顶高程 156.5 m。1969年兴建，1970年建成。由于坝体填筑质量太差，竣工后于1971～1974年坝体连续出现多条大的裂缝，有的纵向裂缝长80m、缝5～10cm、深5m。坝后坡出现大面积散浸，高度达半坝以上，局部已出现管涌、流土。坝顶、坝坡发生大量沉陷变形和塌坑，从竣工至灌浆前大坝的沉陷量一般为40～120cm，最大点沉陷量达150cm。经对原坝体应力应变的有限元计算（2）（3），坝体表面和内部都发生了严重的变形破坏，验算结果见图1、图2。

图1 贺庄坝沿轴线应力分布

图1、图2说明岸坡段坝顶大部分纵向拉裂，发生横向裂缝，右岸最大拉裂深度达坝顶以下5m，左岸最大拉裂缝深度达坝顶以下7.3m。河槽段桩号0+100～0+550坝顶为横向受拉，发生纵向裂缝深度达坝顶以下5m。裂缝以下的附近为受拉或主应力不足土区，随着土体不均匀变形的发展，还可能要被拉裂。

图2 贺庄坝0+350断面横向应力分布

根据该坝的破坏特点，解决变形稳定问题是关键。经加固设计方案比较，采用劈裂灌浆技术。优点是能解决心墙已经遭到严重破坏的变形稳定，包括已拉开裂缝和主应力不足的土区，恢复心墙的原设计正常应力场和抗渗能力的要求；适应变形；造价便宜；质量稳定可靠。

该水库1976年进行坝体劈裂灌浆施工，沿坝轴线布置主排孔，孔深至坝底，终孔距10.0m。主排孔两边各布置一排副排孔，孔深至半坝高，孔距5.0m。采用粘土泥浆，粘粒含量27%，粉粒含量50%，泥浆比重1.3～1.5t/m3。采用孔底注浆、全孔灌注、少灌多复工艺，施工期一年，施工期坝顶又沉降平均40cm。竣工后第一年的坝顶沉降量为10cm，以后基本未再发生沉降变形。竣工一年之后开挖3个探井，深至坝底，坝顶以下3m发现沿坝轴线方向竖直的主浆脉两边各3m以内分布密集的副浆脉，坝体土干容重由灌浆前的1.5t/m3，提高到1.66t/m3。坝顶以下7.5m，同样沿坝轴线方向分布着以主浆脉为主两边为多道副浆脉的加固土层。主浆脉厚平均15cm，两边密布若干条副浆脉。坝顶15m以下泥浆脉厚度 23cm，浆体干容重 1.5～1.7t/m3，渗透系数K=i×10-7cm/s。该坝劈裂灌浆竣工已过了32年，经十几次高水位考验，未再发生变形和渗流破坏，主应力恢复正常，侧压力系由0增加到0.6～0.7，坝后干燥，由废库变成了正常运行的水库（6）。

2.2 土坝渗流破坏

土坝填筑时，填土不均匀是普遍现象，因此几乎所有的病险水库土坝的渗流场都是不规则的，库水通过坝体相连通的弱抗渗土区在坝后出流时，由剩余势头所产生的渗透力会逐步增大，土体中的固体颗粒将越来越不稳定。一旦向上的渗透力大于土粒的浮重度，即大于土粒所允许的水力坡度，土粒将会被渗流挟带向上涌出，发生渗透变形。如坝后出现的管涌、流土等，冲蚀坝体，使土体塌陷，危及大坝安全（2）。

广东省大亚湾核电站供水水库——岭澳水库（见图3）为均质土坝，坝高58.5m。坝体由泥盆纪正长石英质全风化变质岩的残坡积土填筑，大部分土区含砾为46.5%，粘粒含量为17%。地基为强风化，裂隙发育，透水。坝体填筑时碾压不实，而且很不均匀，流线和势线的分布，随土体结构应力场而变化，流网处于紊乱状态。坝后1/3坝高以下几乎为全部散浸明流区，多处出现管涌流土点，局部已出现塌陷。为减少坝后坡面的冲蚀，自坝后角排渗沟向上至坝高的2/3铺设排渗盲沟十几条，仍未解决问题。坝体的渗流量达37L/s。

图3 广东省大亚湾核电站岭澳供水水库劈裂灌浆前大坝后坡渗流破坏情况

该水库大坝严重渗流破坏的主要原因，填筑土料颗粒粗，未设防渗体，碾压一次铺土层太厚，有时达80cm，形成了千层饼，产生了大面积的弱抗渗土区，大坝的安全处于危险状态。项目法人又提出加固施工期间，因核发电供水需要，水库要保证正常供水。根据上述情况，选择劈裂灌浆技术方案。优点是：重造防渗体，以劈裂灌浆所形成的土体加固防渗带，有足够的抗渗强度，弥补了设计上的缺陷；压力泥浆通过挤压、渗透，充填了碾压不实土体的水平疏松层，弥补了施工上的缺陷；劈裂灌浆施工期间水库可以正常蓄水，满足了核电站发电的需要。造价便宜，只及混凝土防渗墙的1/4，施工期短，只及混凝土防渗墙的1/3。根据大坝渗流破坏的险情，为尽快脱险，加大灌浆压力，增设泥浆泵等灌浆设备，加快施工进度。劈裂灌浆于1997年11月5日开工，12月上旬完成第一序孔，形成了竖直连续的以主浆脉泥墙为主的防渗帷幕。12月底，坝后坡散浸、管涌、流土等全部消失，浸润线出逸点降至排水棱体顶高程以下，防渗带前后水位差7.75m。1998年7月自坝顶沿坝轴主浆脉开挖检查探井，发现泥浆脉分布有如下规律：ⓐ坝顶以下1～2m分布多道细小泥浆脉，分布宽度2.5m，坝体土内孔隙、裂缝、空洞都被泥浆充填，砾块石被泥浆包裹，已形成竖直连续的防渗带；ⓑ坝顶以下2～4m形成了主浆脉，厚度5～12cm，两侧同样形成了多道细小泥浆脉；ⓒ坝顶以下7.7m，主浆脉厚度达到14cm，再往下逐步增厚，估计坝高1/2处厚度可以达35～40cm；ⓓ开挖过程中发现坝体内有多层水平疏松土层，有的厚度达30～50cm，多处形成的岩块堆积，孔隙率大，已被泥浆完全充填；ⓔ发现已被压力泥浆击穿的充满泥浆的管涌洞；ⓕ泥墙已完全固结硬化，干密度达到1.65t/m3，渗透系数为K=i×107cm/s。该坝劈裂灌浆施工于1998年5月停工，至今已12年，一般保持正常蓄水深50m左右，坝体未再发生渗流和变形破坏。遗憾的是，该坝劈裂灌浆原设计两道只完成一道，坝体和基岩接触冲刷采用高喷板墙共长500m，只完成了360m，业主阻止施工，理由是“渗流问题已经解决，没有必要再完成余下的工程”。由于该坝加固工程安全度不够，今后会不会再出现反复？

3 土坝劈裂灌浆的主要作用

土坝的破坏，除滑坡等危害之外，主要是由于土坝的不均匀变形，产生的某方向主应力不足，甚至拉开裂缝；某些连续的弱抗渗土区，使出流末端有超过设计要求的剩余水头，发生管涌、流土等破坏，危及大坝安全。劈裂灌浆的机理和土坝的破坏机理相耦合，能完好地解决土坝的变形和渗流破坏，使之恢复土坝的原设计功能。

3.1 劈裂灌浆的应力调整作用

土坝变形破坏的原因是由于土坝某些土区的不均匀变形，拉应变能长期发展积累的结果。因为劈裂灌浆可以通过灌浆压力P=ΔP+γ′h′对坝体土的劈裂充分释放拉应变能，对主应力不足的土体部分进行补充，使土体变形稳定下来。式中，ΔP为注浆管顶部的孔口压力（tf/m2）；γ′h′为注浆管孔口至坝体内部某一高程的泥浆柱压力 tf/m2；γ′泥浆比重（为 1.4t/m3左右）；h′为坝体内某点至坝顶注浆管孔口高度（m）。p在注浆时，对多次坝体土的充分劈裂和对劈裂缝两侧土体的压缩、充填、渗透、应力调整等起重大作用。随着复灌次数的增加，灌浆压力p多次发生对浆脉两侧土体的上述效应。同时又经多次停灌发生坝体土的回弹压缩泥浆，促使泥浆脉的排水固结硬化。劈裂灌浆的过程，是一个在坝体内部不同应力场土区的应力调整和应力再分配过程。在某一时段，土区的某一高程p是一常量，而在同一高程土区的土体主应力是一变量，压力泥浆的劈裂、发展及走向，遵守最少功能原理。凡是某一些土区已拉开裂缝或主应力不足，就会被压力泥浆扩宽或劈开，主应力不足的部分由p补充，达到同一高程土区的应力平衡，可用下述平衡式说明，即p≥kγh。式中，k为坝体内正常的土侧压力系数，一般为0.55左右；γh为坝体内某高程点的土柱压力（tf/m2）；γ为坝体土在浸润线以下为饱和容重（2.0t/m3），浸润线以上为湿容重（1.8t/m3）；h为坝体内某点土柱高度（m）。对某些已发生变形破坏了的土坝，侧压力系数k远小于0.55，或为负值，或已拉开了裂缝，所以灌浆压力p对坝体某方向的主应力补充值会更大。上述平衡式显然是p＞kγh，故凡是被压力泥浆劈开的土体裂缝及其附近弱应力土区都会得到p压力的补充（见图4）。把不同土区的应力变量调整为泥浆压力的常量，恢复坝体内正常的土体侧压力，保证了坝体的变形稳定。

3.2 劈裂灌浆的抗渗作用

劈裂灌浆的抗渗作用，主要是靠基本垂直土坝渗流方向沿坝轴线所形成的竖直连续的防渗泥墙和压力泥浆通过挤压、充填、渗透、湿化固结对土体的压实形成宽约10m左右的防渗带。该防渗带所营造的抗渗坡降，有足够的抗渗强度来消解库水位在坝体土中所发生的渗透力。如灌浆压力p可视为压力泥浆在坝体内所产生的压力水头。

图4 山东省黄前坝灌浆后20天坝体内小主应力增量分布情况（单位：kgf/cm2）

防渗墙至坝后排水体的水平距离为渗径L，则压力泥浆所形成的抗渗坡降为

坝体内浸润线所形成的水力坡降为：

上二式中H——水库水位，m；

h——坝后排水体水位，m。

式（1）、式（2）中，显然 Δp+γ′h′＞（H-h）γ，所以 i1＞i2。一般情况i1大于i2的2倍以上。

防渗带的抗渗强度不仅决定于灌浆压力p，还决定于泥墙的连续性。由于坝体的梯形横断面几何形状，及沿坝轴线沉降变形量最大、横向的小主应力最小的特点，压力泥浆很容易沿坝轴线劈开坝体，营造防渗带保证了其连续性（6）；凡通过防渗带的弱抗渗土体i1＜i2的都会被i1所击穿，然后被泥浆堵死，保证了i1的抗渗强度。

4 几个主要的劈裂灌浆工艺参数

a.灌浆压力是地基灌浆一个很重要的指标，由于地基应力场的特点，灌浆压力过大过小都会造成一些不良后果，如抬动地基充盈度不够等。对于土坝劈裂灌浆，坝体的几何形状和变形特点以及灌浆目的，都不同于地基，所以一般情况不需要控制灌浆压力。ⓐ泥浆劈开坝体所需压力很小。如在易发生变形破坏的岸坡段、河槽段和坝基地形凸的坝段，坝体的应力状态大部分都是水平向的小主应力不足，小主应力作用面是竖直的，土体受拉或拉开竖直裂缝。在河槽段拉开纵向竖直裂缝；在岸坡段拉开竖直横向裂缝，不会抬动地基或拉开水平缝；ⓑ灌浆压力大可以提高劈裂灌浆效果，因为泥浆可以通过灌浆压力p对泥墙两侧土体进行挤压、充填、渗透，提高压实度与作用范围；ⓒ有利于提高加大抗渗坡降；ⓓ提高灌浆压力的措施有：坝顶加阻浆盖，水库高水位时灌浆。

b.劈裂灌浆的主要工艺（6）。ⓐ沿坝轴布置灌浆孔，孔深至坝底：以利形成竖直连续的防渗带帷幕，解决土体主要部位的变形稳定和渗流稳定问题；ⓑ孔底注浆，全孔灌注；不加套管，不分段。压力泥浆自坝底沿注浆管外壁向上流动，在弱应力最小的地方首先劈开坝体，由于尖楔效应，裂缝很快向上下左右发展。遇弱抗渗土区或横穿洞穴等隐患都会被压力泥浆击穿，然后被泥浆堵死，隐患消除；ⓒ少灌多复，坝体内的浆液面溢至坝顶作为终灌标准，决不准缺浆。一个注浆孔复灌5次以上，间隔时间5天左右；ⓓ尽量增大灌浆压力，严控坝坡位移，每次复灌位移点水平向位移不得超过2cm，回弹比超过0.5时，才允许下次复灌；ⓔ一些重要的一级土坝工程，应在坝体内部安设土压力计、孔隙压力计、固结仪和内部变形观测设备；ⓕ对薄心墙坝，因可能出现的拱效应，坝体内出现竖向的主应力不足，在布置灌浆孔时应照顾到竖向的应力调整。

[1]孙钊.大坝基岩灌浆，北京：中国水利水电出版社，2004.

[2]朱凡.土力学.重庆大学出版社，2005.

[3]顾淦臣.土石坝的裂缝和压实质量.岩土工程学报.1982（4）.

[4]华东水利学院翻译.土石坝工程.1978.

[5]白永年.土坝弱应力破坏的验算.郑州：人民黄河出版社，1983.

[6]白永年著.土坝坝体和堤防灌浆.北京：水利电力出版社，1985.