浅谈劈裂灌浆在水库除险加固中的应用

□ 童正军

（作者单位：湖北省京山县五洲水利勘测设计有限公司 431899）

近年来，劈裂灌浆法在土石坝除险加固工程中得到广泛应用，坝身防渗效果明显。现以湖北省京山县八字门水库为例，对劈裂灌浆的设计、施工方法介绍如下。

一、工程简介

八字门水库位于湖北省京山县新市镇以北小富水河上游，距县城12km，是一座以灌溉为主，兼有防洪、城市供水、发电、养殖等综合效用的中型水库。水库坝址以上承雨面积111.9km2，总库容1.029亿m3，兴利库容5 020万m3，死库容1 776.5万m3。

八字门水库大坝为粘土心墙代料坝，坝顶高201.4m，总长400m，坝面宽9m，最大坝高54m。大坝于1977年10月开始施工，1978年6月竣工蓄水。经过近30年的运行，坝基、坝体、坝肩部分出现险情，渗水现象较为严重。2003年9月上旬，湖北省水利厅组织有关专家对八字门水库大坝进行了安全鉴定，属三类坝。

二、劈裂灌浆设计

（一）劈裂灌浆的原理

劈裂灌浆是根据坝体弱应力的分布规律进行布孔，施加一定的灌浆压力，有计划、有控制地劈裂坝体，灌注合适的浆液。通过浆液和坝体的反复互压和填土的湿化固结作用，在大坝内形成连续的防渗帷幕，与浆脉流通的所有裂隙的洞穴均能得到充填和修补，且坝体内的浆脉数量和厚度随着坝体填筑质量的好坏自动调整，能有效改善坝体的应力条件。劈裂灌浆的理论基础是水力劈裂原理，即向土体内的孔内压水或灌浆时，作用在孔壁上的径向压力引起孔的扩张，使孔壁土体受劈裂挤应力作用，当这些应力超过土体的抗拉强度时，就会在土体内产生一些裂缝，这种裂缝的产生过程称之为水力劈裂。

（二）劈裂灌浆的设计

根据八字门水库大坝钻探和试验结果分析，坝体的填筑质量欠佳，大坝填筑的压实度低于规范，上下游坝壳及大坝心墙填筑的压实度合格率分别为60%、27.2%、7%。根据心墙钻孔注水试验，所有试验段的滲透系数均大于1×10-5cm/s，心墙上部渗透系数仅达1×10-3cm/s。因此需对大坝坝体进行加固处理，以提高大坝土料的压实度，改善坝体的应力条件，并在坝体内形成一道可靠的防渗屏障，消除不安全隐患。

根据大坝以上实际情况，设计采用劈裂灌浆法进行加固。坝体的劈裂灌浆工程量约8 100m，采用双排布孔，排距1.0 m，孔距4.0m，大坝心墙轴线上下0.5m各一排，两排孔梅花型错开。其中，大坝右岸转弯段60m加密，仍为双排孔，排距1.0 m，孔距2.0m，孔深为深入坝基1～2m。

因为灌入坝体的水泥粘土浆固结后与原坝体具有相近的性质，变形协调性较好，且水泥粘土浆较纯粘土浆容易固结，对大坝稳定有利，故劈裂灌浆采用水泥粘土浆液，在粘土中加入15%的水泥。

三、施工方法

（一）劈裂灌浆孔的平面布置

双排两序布置，间隔进行。

（二）劈裂灌浆的主要施工设备

XY-2型钻机4台，BW250/50灌浆泵4台，NJ-600制浆机2台，WJ100型搅浆机2台，水准仪1台，J6经纬仪1台。

（三）劈裂灌浆施工的主要技术参数

1.注浆深度为坝体清基线以上人工填土部分。采用双排布孔，孔距4.0m，分二序施工。采用孔底注浆全孔封闭分段灌注方法，段高控制在5～10m。

2.浆料选择。选用水泥粘土浆，浆液比重为1.50。

（四）劈裂灌浆施工

劈裂灌浆施工以“坝体分段，双排布孔，分序钻灌，孔底注浆，分段灌注，综合控制，少灌多复”为原则。

1.施工工艺流程：孔位放样→钻孔→制浆→第一遍灌浆→第二遍灌浆→第三遍灌浆→封孔。灌浆间隔时间为5天。

2.施工方法。运用4台XY-2型钻机进行劈裂灌浆造孔施工，运用4台BW250/50灌浆泵、2台NJ-600制浆机、2台WJ100型搅浆机灌浆，先进行Ⅰ序孔施工，再进行Ⅱ序孔施工。

（五）施工要点

1.钻孔施工

1）采用回转钻机钻进，泥浆护壁，钻孔孔径φ75mm。

2）开孔位置与设计位置偏差不得大于50mm。

3）施工时应采取预防孔斜的措施，并按设计要求测量孔斜。孔底偏斜率不应超过1.5%。

4）有效深度以穿过坝基1.0～2.0m为宜。

5）选定部分Ⅰ序孔作为向导孔，其深度应大于墙体深度，间距不宜大于20m。钻进时应详细记录孔位、孔深、地层变化等。

6）在黏性土层注浆压力不大的情况下，直接将孔口管打入地层3～5m，利用黏性土的黏结力防止冒浆及平衡注浆顶托力；在松散无黏性地层或注浆压力较大的情况下，应在孔口预先挖2m左右深的坑，将孔口管下至3～5m后，在管周边回填黏性土并夯压密实，必要时可回填塑性混凝土。

2.制浆。采用搅拌机湿法制浆，随时测定泥浆密度，浆液比重为1.50。开始采用稀浆灌注，待坝体被劈裂后，改用浓浆。

3.灌浆。按照“稀浆开始，浓浆灌注，分序施灌，先疏后密，少灌多复，控制浆量”的原则，施工时要将注浆管下到离钻孔底部0.5～1.0m处。孔底注浆可施加较大压力，使坝体内部劈开，把较多的泥浆压入坝体，产生挤压变形。要求每次灌浆后，要提一提注浆管，以免孔底堵塞和孔口冒浆。灌1～2次后，可提管1～2m。

4.终灌。经反复轮注后，浆体帷幕厚度须达到设计标准20cm。如连续3次不再吃浆或坝顶连续3次冒浆即可终灌，直观上要做到“饱、满、实”。

5.封孔。终灌后，先将注浆管插入孔底，再注入浓浆将稀浆或清水置换掉，直至浓浆（采用0.5∶1以上的浓浆）填满全孔为止，待浆液析水沉淀后，再进行二次封填，直至钻孔封满为止。

6.灌浆期原型观测。按设计要求沿坝轴线方向每隔20m设一观测标点，每级至少在坝顶上、下游坝肩处各设一个观测标点，标点用混凝土桩或木桩做成。灌浆施工前应对布设的各桩垂直位移点进行观测，灌浆期每班观测1～2次；坝面出现裂缝时，应增加观测次数，灌浆间歇期每2天观测1次。灌浆期间，坝顶上下游坝肩处横向水平位移每次不得大于25mm。

四、效果评价

（一）劈裂灌浆完成7个月后，随机开挖两处探井检查，在沿心墙轴线方向，上、下游两排灌浆孔形成了清晰可见的、厚度比较均匀的、竖直连续的数道浆体防渗帷幕，厚度10～25mm；在原坝体比较疏松部位形成了多道密集浆脉，坝体中的裂隙和洞穴均被水泥粘土浆充填密实，浆体与坝体结合紧密。

（二）注水试验完工两年后，在心墙轴线上钻探7个检查孔进行注水试验，渗透系数均小于1×10-5cm/s。

五、结束语

土质大坝多建于上个世纪六、七十年代，由于施工工艺和施工设备所限，大坝土体碾压密实度不够，多存在背水坡湿坡，坝基和坝肩渗漏等问题，在分析确定病险原因后选择土坝灌浆技术进行加固，特别是劈裂灌浆技术，既能够消除病险情，又可节约投资，提高工程效益。