浅谈劈裂灌浆在水库土坝中的防渗加固机理

引言
　　在世界大多数国家中，土石坝建设在坝工方面一直居于首位。世界土石坝得到迅速 发展 的同时，也发生过较多的事故，为这种发展付出了代价。可以说每一次土石坝技术的重大进步，都和事故的教训有关。对于出现老化及异常情况的土石坝，为了防止其产生渗透破坏直至产生溃坝等工程事故，必须根据情况对其进行修补加固。土石坝建成后，经过多年运行，坝体产生老化是普遍存在的问题。当坝的力学稳定性或水力学稳定性受到损害时就要发生事故。据国内外学者统计，由渗透破坏造成事故的，约占全部事故的30%-40%。所以，土石坝的防渗加固，在世界范围的水库险坝的处理中占有很重要的位置。近年来，为了水库的防洪安全，我国政府利用国债资金，在全国范围内开展大规模的病险水库处理。本文就劈裂灌浆技术在水库土坝中的防渗加固机理分析，然后提出运用流固耦合分析方法进行模拟的思路。
　　
　　1 劈裂灌浆方法研究
　　堤坝劈裂灌浆技术是在 总结 了传统的堤坝灌浆技术的经验教训，分析了堤坝裂缝的成因以及泥浆劈裂堤坝 规律 的基础上提出来的。美国在1970年即采用灌浆的方法处理了希尔克里格坝，该坝建成后在心墙与山坡接头处出现漏水；英国60年代初期建成的巴尔德赫德坝，发现心墙裂缝后，60年代末期也采用灌浆的办法进行处理；还有西班牙的阿尔庞上坝、墨西哥的勒克萨坝都采用过灌浆的方法进行处理，当时由于人们的种种担心，致使这门技术未能得到发展。
　
　我国解放初期在黄河大堤首次用钢钎探测隐患，然后进行灌浆，取得了较好的效果。而后在一些中小型水库上坝上进行充填式灌浆。到了70年代该技术开始用于处理一些大中型水库的坝体隐患。到了70年代后期，人们总结了充填灌浆的经验教训，分析了坝体裂缝成因和灌注泥浆劈裂坝体的规律，提出了土坝坝体劈裂灌浆理论。劈裂灌浆与充填式灌浆有本质的区别。坝体劈裂灌浆是从产生坝体隐患的原因入手，利用坝体小主应力的分布规律进行布孔，利用水力劈裂原理，施加一定的灌浆压力，有计划有控制地劈裂坝体，灌注适宜的泥浆，通过浆坝互压和坝体的湿陷固结等作用，使所有与浆脉连通的裂缝、洞穴、水平疏松层等隐患得到充填挤压密实，形成竖直连续的浆体防渗帷幕。改善坝体内部的应力状态，改善坝体的渗透稳定性和变形稳定性。随着劈裂灌浆加固技术的推广应用，其理论研究也得到不断的发展。通过原型观测、室内试验、理论分析和工程总结对浆液劈裂坝体的规律、泥浆固结和坝体压密、浆坝互压以及坝体内部孔隙水压力和土压力的变化规律等方面获得初步成果。
　　
劈裂灌浆技术不论在施工工艺还是在理论研究方面取得了不少进展。但是，山于该项技术的特殊性及加固对象的多样性，所以还有很多理论方面的问题没有解决。例如，灌浆轴线的布置，复灌时间的确定，浆液在坝体中的固结规律，灌浆对坝体应力应变的影响，灌浆效果及持久性问题等。劈裂灌浆的理论研究远远落后于实践需要，甚至制约了该项技术的进一步推广。
　　
　　2 土坝劈裂灌浆加固机理
　　土坝劈裂灌浆防渗加固机理是多方面的，首先是坝体内部应力的分布规律为劈裂灌浆提供了可能性，再就是灌浆过程中的泥浆的劈裂充填作用、浆坝互压作用、坝体湿陷固结作用、坝体内部应力调整作用等。

　　2.1 水力劈裂原理，指是在水压力作用下，使原物体产生裂缝或使原有裂缝扩大的过程。如果无限域中的圆孔受到均匀液体压力p，要 计算 介质中的应力，已有经典解答。如果介质初始应力为零，则当p＞σi就会被劈裂，其中σi为介质的抗拉强度。若果介质初始应力为σ，则当p≥σ+σi就会被劈裂，式中如果σ是拉应力，则p+σ≥σi就会被劈裂。
　　2.2 土坝坝体的应力分布 规律 ，土坝具有梯形断面的条形建筑物，通过对土坝坝体的原形观测及有限元分析，坝体内部应力分布规律一般如下：在坝轴线附近，土坝的竖向应力σi略小于土柱的自重压力，土坝横剖面的水平应力σx，比竖向应力σy小，约等于(0.3-0.5)σy，(即侧压力系数为0.3-0.5)。土坝填筑质量愈差，则侧压力系数愈小，坝顶部一定高度σx:还会出现拉应力。土坝的纵剖面的水平应力为σz二介于σx和σy之间。一般情况，土坝坝体压应力符合σy>σz>σx的规律。根据土坝坝体的应力分布情况，利用水力劈裂原理，在坝轴线附近沿小主应力面布置灌浆孔。泥浆就容易沿这个平面将坝体劈开。
　　2.3 泥浆对坝体的劈裂充填作用。由于劈裂灌浆是以浆液为能量载体，高压泥浆对坝体有很大的充填作用。泥浆充填坝体内部被劈开的灌浆通道，以及与通道相连的各种原有裂缝、洞穴等，充填作用与劈裂灌浆作用是同时进行的。随灌、随劈、随充填，达到缝开、浆到、料满。随着复灌次数的增加，泥浆多次充填挤压，使原坝体得到挤压、密实，与浆体帷幕一起形成较高的防渗能力，因而达到充填坝体隐患和构造防渗帷幕的目的。
　　2.4 湿陷作用。泥浆灌进坝体，其中大量水分随之进入坝体。水除了产生孔隙水压力和对土的性质产生影响外，还对坝体产生湿陷作用。湿陷作用的大小与土坝质量和土料性质有关。湿陷作用对坝体是有利的，可以增加坝体的密实度和变形的稳定性，减少弱应力区范围。停灌以后湿陷作用逐渐变缓，每次复灌都有湿陷，但湿陷率越来越小。湿陷使坝高有所降低，坝体体积缩小，在坝顶出现变形裂缝。这些裂缝经过多次复灌后都会被泥浆充填。
　　2.5 能量的调整和转换。根据物体能量的转换和传递规律，提出了土坝的裂缝破坏是由于坝体内部的变形和能量积累转换造成的。要根除这种隐患，就必须使坝体内部分土体所积累的应变能充分释放。劈裂灌浆就是通过灌浆压力和土体湿陷变形，使原有的土体裂缝充分开裂，使己出现的弱应力区和强应力区之间的应力应变能相互传递转换，打破原坝体内部应力的不平衡，恢复正常的应力状态，使坝体内部的应力应变相对稳定。
　　2.6 浆坝互压理论。土坝劈裂灌浆技术利用了上坝坝体的整体弹性特征，在灌浆过程中随着灌浆压力的反复增长和消失，具有弹性的坝体张开和回弹，使坝体和浆体反复挤压，形成连续的浆体帷幕和两侧压密的坝体联合防渗带。通过浆坝互压，可以补救原坝体由于不均匀变形产生的小主应力不足，改变坝体内部的应力不平衡状态，从而比较彻底地解决了土坝坝体的变形稳定和渗透稳定问题。
　　2.7 泥浆和坝体的固结和压密。劈裂灌浆加固坝体的主要作用是利用泥浆在坝体中固结硬化后形成的帷幕进行防渗。因此泥浆在坝体内能否固结硬化，就成为土坝劈裂灌浆中最关键的问题。影响浆液固结的因素是十分复杂的，浆液固结速率和效果不但与坝体土质、施工质量、坝体应力状态、浆体土料性质、浆体厚度等因素有关，而且还受坝前水位、施工工艺的影响。
　　
　　
3 结语
　　运用流固耦合分析方法进行模拟，用劈裂灌浆防渗加固技术来改进坝体的稳定性，是堤坝加固领域的一种非常有效的加固方法，多年来该技术在中小型水库土坝防渗加固中得到广泛应用。本文通过水库土坝防渗加固机理分析，为进一步开展劈裂灌浆防渗加固技术提供理论支持与保证。