[科普中国]-劈裂灌浆

简介

劈裂灌浆是一种运用坝体内自身应力分布规律， 用一定的灌浆压力，将坝体沿某一特定方向（对土坝或者堤防而言， 一般是坝轴线方向）劈裂，同时灌注适合工程加固要求的泥浆，形成铅直连续的防渗泥墙的坝体 （主要用于防渗 ） 加固技术。由于其灌浆压力较一般充填式灌浆大，从而可以更有效的堵塞漏洞、 裂缝或切断软层， 以提高坝体的防渗能力和坝体填筑的密实度，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，由于坝体对坝基的作用，坝基的应力分布也会具备与坝体相似的规律（当然是在一定深度范围内），从而在其应力影响范围内，也可达到将坝基劈裂，提高坝基防渗能力和坝基密实度等作用2。或指在压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石和土体结构的破坏和扰动，使其沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂，使地层中原有的裂陈或孔腺张开，形成新的裂队或孔隙，浆液的可灌性和扩散距离增大，而所用的灌浆压力相对较高。

作用劈裂坝体，调整坝体应力。需要采用劈裂灌浆处理的水库大坝一般都存在裂缝、孔隙、洞穴等一种或多种隐患，这些隐患的产生主要可以归结为坝体土层变形和能量积累所致，要根除隐患就需要将坝体某些土体所积累的应变能充分释放，即彻底打破坝体原有的应力不平衡，建立新的应力平衡，降低坝体局部土区的应力水平，保持坝体的稳定和安全。劈裂灌浆以压力泥浆为能量载体，通过合理的孔位布置，有控制地劈开坝体，并迅速用泥浆进行填充，有效弥补坝体局部土区的应力不足的现象，降低应力水平，提高坝体稳定性。

形成垂直连续防渗帷幕， 充填各种裂缝、 孔隙和洞穴。用压力泥浆在坝体内劈开一条灌浆通道后，这个通道又可能将坝体内的各种隐患联通起来，压入更多更稠的泥浆，达到处理隐患、充填坝体和构造防渗帷幕的目的。这种充填作用与劈裂作用是同时进行的，随灌随劈随填充，达到缝开浆到料满的程度。所形成的主浆脉渗透系数 K= ～cm/s，加之劈裂灌浆使原来坝体防渗体的裂缝和洞穴得到充填和挤压，提高了坝体密度，形成了浆脉和处理后的坝体共同防渗的联合防渗体系，大大加强了土坝的防渗能力，有效解决渗漏问题。

浆—坝互压作用，提高坝体密实度。规范（SD266-88）要求劈裂灌浆施工中必须贯彻“少灌多复”并且要求复灌次数不少于 5 次，这是保证灌浆效果的重要步骤。劈裂式灌浆是一个灌→停→灌的反复过程，随着灌浆压力的升高和降低，坝体产生相应的劈裂和回弹响应，压力高时，浆压坝，坝体被劈裂，浆液大量灌入，有效填充裂缝和孔隙；压力降低时，坝体回弹，坝压浆，加速浆液的固结，尽早发挥防渗效果。这是劈裂式灌浆的特色，也是灌浆施工过程的难点，是保证灌浆效果的重点。在不劈开坝体或控制坝体劈裂程度的情况下，尽量提高灌浆压力，以灌注更多的泥浆充填挤压坝体，并充分利用坝体回弹加速泥浆固结，是灌浆工程的设计要点。

湿陷固结作用。泥浆进入坝体，大量的水也随之进入坝体。水除了产生孔隙水压力外，还对坝体产生湿陷作用。浸润线以上坝体填料总是非饱和的，尽管在最优含水量附近碾压，饱和度一般仅达到 0.8～0.9，当浸水后，颗粒间受水的湿润，在自重作用下重新调整其位置，改变了原来的结构，使土体产生湿化变形。坝体情况不同，湿陷作用的重要性也有所不同，但对于一般需要灌浆处理的土坝，都存在填筑质量差、干容重较低等问题，湿陷作用对于坝体密实度的提高和稳定性的增强是有利的，因为能够减少了弱应力区的范围。

劈裂灌浆不仅具有机理明确、设备简便、工艺合理、操作方便、浆料能够就地取材、无环境污染以及造价低、效果好等优点，更重要的是适用范围广，能够在不释放坝体应力的条件下构造垂直连续防渗帷幕，而且浆脉厚度和条数可以随坝体质量的好坏自行调整，坝体质量好，浆脉就少，厚度也薄；坝体质量差，浆脉就更厚，条数也会有所增加。在坝体构造防渗帷幕的同时，还能恢复坝体的防渗能力，并且能够对坝体内部进行应力调整，降低应力水平，解决坝体的渗流和变形稳定问题，这是劈裂灌浆的技术优势3。

劈裂灌浆在土坝加固中的应用对于土坝，一般为梯形断面， 在自重作用下，在横向由于其高度不同， 导致沿其纵轴线附近（坝顶或心墙顶宽范围内）一般是最小主应力面。或者说，一般情况下，在坝顶宽度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，一般这个拉力不能导致土体的拉裂（土体的这种状态被称为弱应力状态 ），一旦沿这个方向进行压力灌浆，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，其可灌性定于压力泥浆对它的劈裂程度和心墙粘土被压缩变形的大小。灌浆压力对坝体劈开的方向、长短和宽度，决定于原坝体的应力分布和大小。在灌浆压力作用下，坝体总是沿其最薄弱面（最小主应力作用面） 劈开。因此，按照坝体的一般应力分布规律，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、稳定坝体的目的。劈裂灌浆裂缝的扩展是多次灌浆形成的，因此浆脉也是逐次加厚的。一般单孔灌浆次数不少于5次，有时多达10次，每次劈裂宽度较小，可以确保坝体安全。1

基于劈裂灌浆的原理，只要施加足够的灌浆压力，任何土坝都是可灌的，单只在下列情况下才考虑采用劈裂灌浆：①松堆土坝；②坝体浸润线过高；③坝体外部、内部有裂缝或大面积的弱应力区；④分期施工土坝的分层和接头处有软弱带和透水层；⑤土坝内有较多生物洞穴等。1

劈裂灌浆施工工艺流程如图：

劈裂灌浆施工的基本要求是：土坝分段、区别对待；单排布孔，分序钻灌；孔底注浆，全孔灌注；综合控制，少灌多复。1