劈裂灌浆在老虎店水库大坝防渗工程中的应用

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摘要：土坝坝体灌浆是加固土坝（堤）的一项重要措施，从70年代中期起发展了劈裂灌浆新技术，在国内上千座水库土坝坝体防渗加固中收到良好效果，文章通过该技术施工在信阳市老虎店水库除险加固过程中的应用实例，介绍了劈裂灌浆的方案设计。

关键词：土坝，劈裂灌浆，防渗加固；

1工程概况

老虎店水库位于淮河水系小潢河支流的万河上，坝址位于信阳市罗山县西南约60km处朱堂乡万河村老虎店组，是一座以防洪、灌溉为主，结合水产养殖等综合利用的小（1）型水库。水库于1959年10月动工兴建，1966年3月基本建成，主要建筑物由大坝、溢洪道、输水洞等组成。设计防洪标准为50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。设计水位139.99m，相应库容95.90万m3；校核水位140.63m，相应库容107.40万m3。大坝为粘土心墙坝，坝长130m，原设计坝顶高程142.70m(经测量，现状坝顶高程为142.10～142.60m)，最大坝高21.25m，坝顶宽4.0m，无防浪墙。心墙顶宽9m，高程136.10m。

由于水库建于“”时期，工程在无任何勘测设计资料的情况下仓促上马，建筑材料缺乏，加之受当时历史及经济条件的限制，导致施工质量差，大坝渗漏严重。为了确保水库的安全运行，充分发挥水库工程效益，需对该水库大坝进行防渗加固。

2存在的渗漏问题

坝体存在的问题主要为填筑质量问题，据调查及勘察钻孔揭示，大坝填筑料的构成为坝顶以下6.0～6.5m及坝外坡为代替料：填筑料均为以风化碎石为主、含40%左右粘性土的代替料，填筑中密～密实，干密度为1.75g/cm3，钻孔注水试验显示，渗透系数在3.64×10-3～5.27×10-4cm/s。坝后坡代替料：填筑料以风化碎石为主，占80%以上，填筑松散，强透水。坝顶6.5m以下粘土心墙填筑土料质量不合格，其原因为大坝附近没有较好的粘性土，筑坝为就近采取的河床两岸阶地表层坡积、冲积形成的低液限粘土，普遍含风化砂砾石，局部含有机质与尚未腐烂的草根等物，钻孔注水试验显示，渗透系数在4.52×10-4～9.76×10-5cm/s。

3大坝坝体渗漏处理方案比选

针对坝体存在心墙渗透系数大、浸润线高的问题，加固选以下三种方案进行了比较分析。

方案①：大坝劈裂粘土灌浆；

方案②：多头小直径砼防渗墙；

方案③：浇砼板桩防渗。

其中：方案③在坝顶上开深槽，须用先进的机械设备实施，由于坝顶作业面狭窄，坝较高，最大坝高20.70m，难以保证深槽的斜率符合要求，浇筑的砼板桩墙很有可能因错位而达不到设计厚度要求，且砼板桩墙工程量较大，技术含量高，施工工艺复杂，工程造价较高。

方案②多头小直径砼防渗墙是由砼灌注桩多桩搭接而形成连续密实的砼墙体。由于砼防渗墙是隐蔽工程，该坝坝顶工作面又较为狭窄，其成墙的斜度及厚度很难保证。该方案在流砂、淤泥、砂卵石层等其它工艺难以处理的地层中，优势较为明显。

方案①在对均质或宽心墙土坝加固中应用较为广泛，有成熟的理论作指导，又有熟练的施工经验。劈裂灌浆机理明确、工艺合理、防渗效果好、施工工期短、经济效益显著等优点。目前，全国用该项技术已处理病险水库土坝2000余座，险堤2000多公里，为国家节约了大量投资，取得了显著的经济效益和社会效益。故选定方案①进行坝体防渗处理。

4灌浆设计

4.1灌浆孔布置

由于该水库设计最大坝高为20.70m，属低坝，坝体应力情况比较简单，根据以往工程设计和施工经验，并参考《土坝坝体灌浆技术规范》（SD266-88）和《中国堤坝防渗加固新技术》（白永年 等著），拟采用单排布孔，沿坝轴线布设，分序施灌，设计最终孔距为3.0m，采用粘土浆灌注,深入基岩以下1.0m。

4.2浆液选择

根据信阳市几座水库劈裂灌浆经验和老虎店水库附近几种土料制成的泥浆的物理力学性能试验结果，灌浆劈裂灌浆采用孔底注粘土浆全孔灌注的方法，灌浆时，浆液容重应先小后大，在坝体未劈开之前先采用容重1.2～1.3t/m3的稀浆，这对于尽快劈裂土体充填细小裂缝十分有益。一旦坝体被劈开，应提高为容重1.5～1.6 t/m3的稠浆，这样对加快泥浆的固结，保证固结后的浆体强度十分有益。浆液材料应满足流动性好，排水固结快、稳定性好，固结后强度高、防渗性能好的要求。为保证坝体安全，灌浆量一次不宜过大，同时注意控制灌浆压力、灌浆历时、复灌次数、复灌时间间隔以及灌浆结束标准。

4.3泥墙厚度的确定

根据大坝情况，泥墙设计厚度可采用20cm，每孔每次平均灌浆量以孔深计，每米孔深控制在0.5m3,每孔灌浆次数应在5次以上。

4.4坝体弱应力破坏验算

为验算水力劈裂的可能性，确定弱应力破坏的标准，建立如下平衡方程式:

式中：为坝体内某点的水压力（kPa），一般取最大可能水压力，即等于库水位与随研究点之间的水位差；为坝体土单轴抗拉强度（kPa），由试验求得。

假定、为常数，坝体小主应力用下式表示：

式中：为坝体内某点土柱压力（kPa），为坝体横向侧压力系数。

假定坝体土不发生弱应力破坏所要求的最小横向侧压力系数为，则：

取典型断面进行验算，库水位取兴利水位137.75m，取13kPa，得，， ，，坝体土处于小主应力不足状态。

4.5灌浆压力的确定

灌浆压力的控制是劈裂灌浆的一个关键，灌浆压力系指注浆管上端孔口压力。灌浆施工时应控制在最大允许灌浆压力以下。

⑴、最大灌浆压力1用下式估算：

式中：

灌浆压力不仅与堤坝质量有关，而且还与大坝的断面尺寸、灌浆部位、泥浆浓度及浆量有关，因此很难用一个公式准确计算，灌浆压力以实地试验为准。

⑶、屈服压力P

当坝体全部或大部分被劈裂之后，坝体土已基本上不存在抗劈裂的能力，在灌浆压力的作用下，坝体在上、下游方向可能会发生大幅度的位移，使坝体处于屈服状态，这是在灌浆施工中需要特别注意的问题。为避免发生不良的后果，此时应采取自重灌浆方式，即孔口压力为零。屈服压力可按下式计算控制：

4.6灌浆结束标准及封孔

劈裂式灌浆封孔，当每孔灌完后，可将注浆管拔出，注满容重大于1.5t/m3的稠浆，如果浆面下降，可继续灌注稠浆，直至浆面升至顶部不再下降为止。

5施工准备及结论

5.1施工准备

⑴、灌浆施工前应确定好观测点位置，埋设好必要的观测设备。并应准备好观测和试验仪器以及观测记录表和成果表。

⑵、灌浆施工前应做灌浆试验。选有代表性坝段，按灌浆设计进行布孔、造孔、制浆、灌浆。观测灌浆压力、吃浆量及泥浆容量、坝移和裂缝等。（首先按设计要求布孔，然后按要求造孔。造孔应保证铅直，偏斜不得大于孔深的2%。应用干法造孔，不得用清水循环钻进。作好造孔的记录和描述，如发现特殊情况，应详细记录并分析处理。）试验孔不少于3个。试验结束后应分析资料，总结经验，修改参数，完善和熟练灌浆工艺，然后方可全面施工。

⑶、灌浆所用土料和浆液都应进行试验（应采用专用机械制浆，浆液各项指标应按设计要求控制）。

5.2结论

老虎店水库粘土心墙经过劈裂灌浆处理后，库水位达到正常蓄水位时，经检测数据表明未发现渗漏情况，说明老虎店水库劈裂灌浆防渗处理效果明显，满足了设计要求。

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