李利宁+王君芳
摘 要：劈裂灌浆技术是一种充分利用堤坝内应力分布规律并在一定压力下进行的灌浆技术，对提高堤坝的防渗能力有明显的效果，同时对堤坝及坝基密实度的提高也有很好的加固效果，相比其他的堤坝防渗加固措施，其见效显著而投资很小，值得大力推广。
关键词：劈裂灌浆土坝 应力 压力 浆脉 浆坝互压 排水固接 防渗能力 工程实例
中图分类号：TV698 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（b）-0037-03
1 劈裂灌浆的涵义
劈裂式灌浆就是运用填筑堤坝内土应力分布规律，按土体能承受的最小拉力方向（薄弱面），在一定的灌浆压力下，将堤坝沿其方向（对土坝或者堤防而言，薄弱面一般是纵轴线方向）劈裂，同时灌注适合工程加固要求的泥浆，形成连续的防渗泥墙。由于其灌浆压力较一般充填式灌浆大，从而可以更有效地充填堤坝内的漏洞、裂缝或切断堤坝内的软弱夹层，最终达到提高坝体的防渗能力和坝体填筑的密实度的要求，同时通过浆、坝互压和湿陷，使坝体内部应力重新分布，提高坝体变形稳定性。另外，由于坝体对坝基长期的作用，根据土力学相关知识可以知道，坝基的应力分布也会具备与坝体相似的规律（在一定深度范围内），从而在其应力影响范围内，也可顺利将坝基劈裂，大大提高坝基防渗能力和坝基密实度等作用。
2 劈裂式灌浆机理
2.1 坝体的可灌性及泥浆劈裂的理论分析
在劈裂式灌浆技术运用之前，人们曾一度认为，要通过灌浆充填加固坝体的空隙，其可灌性主要取決于灌浆材料颗粒的大小与空隙大小的比值，这种理论导致当时对灌浆材料的颗粒细度要求越来越细，对充填式灌浆起到了很大的推动作用。可是后来人们发现，粘土心墙这样的细颗粒防渗体防渗性能出现问题的时候，灌浆材料的细度很难满足工程要求，而且由于其机理是靠细颗粒充填，其充填的压力也较低，如果增大灌浆压力，则会因为土体抗拉能力较低而将原本裂缝很少、很小的防渗体主动劈开，不但充填空隙的目的不能很好地达到，而且会因为裂缝的增加而导致渗漏加剧，因此充填灌浆对这类细颗粒防渗土体的加固效果不太理想。后来通过实验证明，在灌浆压力作用下的粘土泥浆，当灌浆压力超过一定值时，以渗透和劈裂两种形式出现，对具有小孔隙的细砂、粘土，只能以劈裂的形式存在。在此实验的基础上，引发了人们对主动劈裂堤坝的探索和分析，经过不断尝试和分析，最终产生了劈裂式灌浆技术，其机理主要是：通过主动的压力灌浆，浆液会自动寻找土体本身的薄弱面，随着压力的增大，会将之劈开，使其应力释放并重新分布，达到新的平衡，同时也就达到加固土体的目的。加固主要表现在两方面：其一，通过灌浆使灌浆材料沿最薄弱的应力面将其劈开，并同时主动充填，形成连续的防渗体；其二，由于灌浆压力较大，可以击穿部分空洞、孔隙及裂缝之间的土体，因此对劈裂土体两侧的空洞、孔隙及裂缝等充填效果更加理想，从而在提高坝体土料或心墙的干密度效果方面，也有显著效果。由上述机理可知，劈裂灌浆不会像充填灌浆一样受到灌浆压力的限制（原则是劈开为止），也没有必要担心由于灌浆而新增裂缝，而是主动地找到堤坝内部本身的薄弱面，在将其劈开的同时对其进行充填加固，达到新的应力平衡和稳定。
堤坝一般为梯形断面，横向高度随两侧坡比逐渐变化，因此在自重作用下，堤坝纵轴线附近（坝顶或心墙顶宽范围内）由于两侧的拉力效应而成为其最小主应力面，或者说，一般情况下，在堤坝顶宽范围或心墙顶宽范围内的土层本身就受有两侧土体向两边的拉力作用，只是在正常情况下，这个拉力不能导致土体的拉裂，但已经将土体本身抗拉能力大大降低（土体的这种被拉而没有拉裂的状态被称为弱应力状态），因此，一旦沿这个方向进行压力灌浆，即给其增加一个外在拉力，将会导致其劈开，因此，均质土坝、心墙粘性土等等都是可灌的，其可灌性决定于压力泥浆对它的劈裂程度和其本身抗拉能力的折减多少。由此可知，灌浆压力对坝体劈开的方向、长短和宽度，与原坝体的应力分布和大小关系密切。在灌浆压力作用下，坝体总会寻找其最薄弱面（最小主应力作用面）劈开。因此，按照堤坝的一般（尤其是梯形基本对称断面）应力分布规律，通过合理的灌浆工艺，就可以实现对坝体有计划的劈裂，以达到消除隐患且稳定坝体的目的。
2.2 防渗浆脉的厚度一般规律
由于堤坝、心墙等一般为两侧带有一定坡比的分层填筑体，在堤坝的深度方向为地球，几乎可以认为是无限远，故该方向应力最大，为第一主应力，沿坝体纵轴线方向比横向要长得多，所以该方向应力为第二主应力，故最小主应力方向一般存在于横向。
一般情况下，堤坝的体型均可简化为基本对称梯形或等腰三角形（坝高较大的或者坡比较缓的），同时堤坝的土体在正常情况下均是分层填筑的，因此在靠近两侧坡体的土柱高度较小，其绝对变形量也相应较小（这里假设填筑标准一致），而位于堤坝中心附近（堤坝顶宽度或心墙顶宽范围）的土柱高度最高，因此其绝对变形量也最大，堤坝坝坡土柱和顶宽土体土柱之间的这种相对的变形导致本来在同一层（水平方向）的土体在重力作用下产生相对位移而逐渐向下弯曲，从而使靠近堤坝轴线附近的土层受到两侧土体对其的拉力，也就使在该位置的土体内部产生了弱应力，当该弱应力大于土体的抗拉强度时，堤坝内就会产生裂缝。因此一般情况下，其最小主应力面存在于堤坝纵轴线附近。由上述分析可知，在横向水平方向上最小主应力面一般在堤坝纵轴线附近，而在这个最小主应力面的高度方向上，什么位置的土体弱应力最明显？即什么位置的土体最容易被劈开呢？从理论上，仍然是在相对变形最大的位置，为寻找该位置，现分析如下：首先，堤坝基础平面在竖直方向的相对沉降变形相对人工填筑的堤坝来说一般较小。其次，在堤坝的顶面，因不受约束，为自由沉降面，在不考虑由于堤坝基础原因造成的不均匀沉降的前提下，不存在竖直方向的相对变形，同时，在两侧边坡为单一坡比的前提下，在高度方向上的相对沉降变形量也是随着高度的线性变化而线性变化。由此可知，坝底和坝顶的相对变形较小或无相对变形，如果忽略坝底相对变形的话，最大相对变形的位置就应该在坝高的中间，即1/2坝高处。我们知道，填筑堤坝的总体绝对沉降量一般在坝高的1%左右，远远未超出堤坝内体的弹性范围，所以在堤坝土体内，相对变形量大的位置，也就是土体弱应力较大的位置，也就是最容易被劈开的位置，当然也是理论上浆脉厚度最大的位置。但实际上堤坝基础必然存在少量的变形，所以浆脉最厚的位置会相应下移，同时，受浆液自重的影响，越向下部，其灌浆压力越大，浆液向四周（在最小主应力面上主要是指向两侧）的推力更大也就更容易劈开堤坝，或者说劈开的裂缝就越大，故浆脉最厚的位置一般在坝高1/2～1/3处，通常不会超过坝高1/3以下。综上，浆脉厚度的一般规律是：在堤坝顶和堤坝底的厚度相对较小，随着深度的增加逐渐增厚，在坝高1/2～1/3范围内达到最大，然后再逐渐减小，直到堤坝建基面以下才能逐渐消失。
对于基础为土基的堤坝，由于其上堤坝自身重力产生的压力，基础内部也会存在弱应力区，由于堤坝自身土柱压力会直接导致堤坝基础应力的水平分布与堤坝本身相似。另外，由于堤坝建基面位置的灌浆压力最大，所以也可以将堤坝基础一定深度范围内劈开，并形成浆脉，从而增加劈裂灌浆的整体防渗效果。
2.3 浆、坝互压的作用机理
堤坝劈裂式灌浆的任务之一，就是在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；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，堤坝则因其弹性恢复，与浆液形成互压，在压力下浆液会自然地向两侧渗透，从而在连续的防渗层的两侧形成一定厚度的渗透层，不但提高了防渗厚度和防渗能力，也提高了浆液渗透层的密实度，从而对土体进行了有效的加固。此外，通过灌浆压力和土的湿化变形，使堤坝内部的应力再分配，由应力的不均衡趋向均衡，从而使堤坝达到变形稳定的目的。
需要注意的是，不能因为要增加浆脉厚度而将灌浆压力一味提高，否则将可能导致堤坝超出其弹性范围而无法恢复，从而导致巨大风险。所以增大灌浆压力必须在堤坝横向变形的弹性范围内进行，具体堤坝的横向弹性范围的大小取值，与横向宽度的大小、土体的压缩试验参数等相关，可以根据这些相关的土体物理力学指标进行初步匡算，在一定安全裕度下，对设计的灌浆压力进行指导取值。
2.4 泥浆的排水固结
泥浆本身的防渗性能很高，一般其渗透系数在10-5～10-8 cm/s间，导致其泥浆的固结时间相当长，尤其是在堤坝下部的浆脉，不过在其固结过程中并不影响其防渗效果。同时，当停止灌浆之后，孔口压力下降到零时，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。因下部泥浆受的压力较大，泥浆的固结硬化顺序在竖直方向上是自上而下的；另外，在水平方向上，由于泥浆水分是排向堤坝内的，所以在浆体的水平截面上其固结顺序是自外向内的，即靠近堤坝的浆体部分先固结，然后向里固结，浆体的中心部分最后固结。这样的固结顺序非常有利于浆脉尽早发挥防渗作用。
2.5 劈裂灌浆所用泥浆的浓度
为使主浆脉两侧形成一定厚度的防渗层，最大限度地扩大泥浆向浆脉两侧的渗透范围，初始灌浆浓度宜较小，一般在1.3～1.6 g/cm3左右，随着主浆脉两侧土体空隙、密度逐步被泥浆充填而逐步增大灌浆浓度，一般在1.6 g/cm3左右。
3 对土坝坝肩进行劈裂灌浆时需要注意的问题
根据以上劈裂灌浆的机理可知，其核心是利用了堤坝内部的弱应力面，在灌浆压力的作用下，将其劈开。一般情况下，尤其对堤防或“U”型河谷的坝体，其最小主应力面为沿坝体纵轴线方向，宽度范围在坝顶宽度以内，但需要注意的是，在“U”型河谷上的土坝，由于在两坝肩处，在纵向的填土厚度差异也很大，导致该位置附近坝体的应力状态相对复杂。首先，由于坝体横断面方向填土厚度因两侧坡比存在变化，使得沿坝体横断面方向（沿河道方向）纵轴线附近的土体处于受拉状态，因此其抗拉应力值较小，即沿纵轴线方向为较小主应力面；同理，在纵向上，由于坝基地形高程的变化，使得两侧坝肩附近的坝体内部出现沿纵轴线方向也存在拉力，使土体的抗拉应力值也很小，导致在垂直坝体纵轴线（沿河道方向）方向的应力面也可能成为最小主应力面。所以，在两侧坝肩附近，坝内土体在横向和纵向的平面二维应力状态下，理论上其最小主应力面既不是坝体纵轴线方向，也不是沿河道方向的横断面方向，而是介于其间的一个不确定的方向，受横向和纵向应力状态的共同作用效果而定，在假设填土密实度一致的前提下，如果纵向填土厚度的变化大，则其最小主应力面与河道方向的夹角会更小，如果横断面两侧坡比的厚度变化大，则其最小主应力面与坝体纵轴线方向的夹角会更小，所以，在劈裂灌浆设计时应特别注意坝肩的布孔设计。
综上，在两侧坝肩进行劈裂灌浆施工一般遵照下列原则：先按纵轴线方向在坝轴线上下游各布置1排1序孔，并进行劈裂灌浆，灌浆过程中，为了使坝体顺利被劈开，一般布孔的孔距较小，在灌浆压力作用下，使浆液按布孔方向进行劈裂（如果未按布孔方向进行劈裂也没有关系），并进行充填，使该部位坝体的应力状态得到调整，然后，继续施工中间坝段的灌浆，最后再在两侧坝肩处进行二次劈裂，此时就能保证浆脉的连续，以达到连续防渗的目的。因此，在两侧坝肩处一般布置3排灌浆孔，在坝轴线上下游侧各布置1排，作为调整和1序孔，坝轴线附近布置1排，作为主孔，按上述原则进行施工。
4 工程实例效果
4.1 陕西鱼岭水库
鱼岭水库位于陕西省丹凤县，坝高50 m，坝顶长210 m，总库容1 037万m3，是一座以供水、灌溉为主，兼有发电、养殖功能的中型水库。大坝为粘土心墙土石坝，心墙高53.4 m，顶宽3 m，底宽20 m，两侧边坡比1∶0.16。该水库于20世纪70年代建成，曾多次出险，丹凤县水利局在1975—1988年对大坝心墙进行多次充填式灌浆处理，共计灌土约400 m3，虽有一定效果，但大坝心墙的病险依然存在，未从根本上解除险情。后于1997年7月，对鱼岭水库大坝实施劈裂灌浆。劈裂灌浆总灌土量1 569.4 m3（自然方），心墙中形成的帷幕面积9 120.7 m2，浆脉计算平均厚度10.7 cm，达到了对心墙全面补强加固的目标。2004年元月陕西院水电地质总队在大坝心墙不同高程取土样测验干密度，其最小值分别为1.56、1.50、1.57 g/cm3，平均值分别为1.64、1.62、1.62 g/cm3。3个地质单位测验的心墙土渗透系数均在10-5～10-6 cm/s之间，说明加固后的心墙有较好的密实性。经过汛期考验，坝后渗水量明显减少，防渗效果达到了预期目的。
4.2 广东佛冈放牛洞水库
放牛洞水库位于广东省佛冈县城北部5 km，坝高41 m，坝顶长136 m，总库容1 740万m3，是一座以防洪、灌溉、发电兼有县城供水任务的综合性中型水库。大坝为均质土坝，顶宽6 m，底宽280 m，该水库于1977年建成，施工质量较差，大坝渗漏严重，被鉴定为三类坝。经过劈裂灌浆后，总灌土量500余m3，坝轴线浆脉厚度达15.9 cm，防渗效果达到了设计目的，完成了病险库的加固处理。
4.3 山西忻州神山水库
神山水库位于忻州原平市神山村西，坝高34 m，坝顶长689 m，总库容1 070万m3，是一座以灌溉为主的中型水库。大坝为碾压均质土坝，该水库于1974年建成，施工质量较差，曾出现坝体裂缝沉陷、局部范围的强渗透带和坝体背水坡局部浸湿等坝体渗漏问题，于1999年经过劈裂灌浆后，渗漏量减少75%，坝轴线浆脉厚度达27 cm，经过2000—2002年连续3年的高水位运行检验，坝体渗漏量显著减少，防渗效果显著。
5 结语
以笔者经验，大多“問题”土坝为20世纪70年代的三边工程，因施工质量差而导致比较严重的渗漏问题，迫使水库不能高水位运行，甚至出现严重病险，经过劈裂灌浆处理后，防渗效果明显增强，恢复了其原有功能，而且与其他防渗加固方式相比，劈裂灌浆投资较小。另外，在黄河大堤、渭河大堤也实施过大量的劈裂灌浆，而且效果显著，所以劈裂灌浆对于堤坝工程的渗漏问题及密实度提高是一种很好的处理技术措施，值得大力推广。
参考文献
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