劈裂灌浆在小水库除险加固工程中的应用

劈裂式灌浆是运用坝体应力分布规律，用一定的灌浆压力，将坝体沿坝轴线方向劈裂，同时灌注合适的泥浆，形成铅直连续的防渗泥浆，堵塞漏洞、裂缝或切断软弱层，以提高坝体的防渗能力，同时通过浆、坝互压和湿陷，使坝体内部应力重分布，提高坝体变形稳定性。在除险加固工程设计中，我们根据坝体的病险情况，对一些水库采取了劈裂式灌浆，达到了减轻渗漏、堵塞漏洞、加固坝体的目的，灌浆效果十分显著，并具有投资省、见效快等特点。本文以芝麻凹水库为例简述如下：

1 工程概况

芝麻凹水库位于金坛市薛埠镇赤岗村，属太湖流域，建于1957 年，是一座以防洪、灌溉为主的小（2）型水库，集水面积0.41 km2，干流长度0.67 km，总库容14.21 万m3。水库设计洪水位40.89 m，校核洪水位41.30m，兴利、汛限水位40.00 m。大坝属均质壤土坝，坝顶高程40.92～42.12m，坝顶宽度4.0 m，土坝坝顶长度256 m，最大坝高7.9 m。

芝麻凹水库坝基渗水比较严重，西端与山体结合部渗漏，局部散浸，集中形成个别大漏洞，出口处洞径达15 cm，位置接近坝脚。隐患集中在大坝西侧60 m部位内，大坝白蚁防治从1992 年起施药诱杀。为了解决大坝西段渗漏，2000 年6 月、2003 年5月两次对大坝进行了灌浆，坝体局部得到增强，但西端山体结合部的漏水一直未能解决，在高水位时漏水明显，流量较大。

2 工程病害原因分析及加固措施确定

经参建各方沟通并查看现场，分析坝体渗漏的因素主要有两个：一是因为坝体地基处理不当和填筑质量不高。金坛市小水库工程均建于上世纪50～60 年代，坝体施工主要靠人工挑、挖、压实，施工工艺落后，技术标准较低，坝基处理时未能有效清除或采取必要措施。二是由于白蚁和老鼠、狗獾等动物活动，其中白蚁活动时间长，洞穴路径长，路线复杂，危害最大。经过讨论，提出了增设防渗土工布和劈裂灌浆两种加固方案，一是在上游增设防渗土工布，该法施工方便，但须插入不透水土层，使大坝形成防渗封闭体，在施工开挖时发现坝基夹杂碎石土层，土工布、坝体和坝基难以形成封闭体系，因此决定采用劈裂灌浆。

3 灌浆设计

3．1 孔深和孔距确定

造孔深度一般应大于隐患深度2～3 m，漏水处坝基高程36.0 m，确定孔深为42-36+2=8 m；在孔深小于15m时，孔距可采用5 m左右，由于渗漏明显，孔距初定为5 m，在渗漏出口位置附近适当加密至2.5～3 m，实际的孔深在施工初期尚需通过试验最终确定。原坝体密实度一般，布孔采用双排布置。

3.2 泥墙设计

包括泥墙厚度和设计干容重，根据规范，结合本次加固的针对性，泥墙设计厚度为5 cm，干容重1.5 t/m3。

3.3 最大灌浆允许压力确定

系指注浆管上端孔口压力。采用如下公式确定：

ΔP = γH +σt - γ′h

式中：

ΔP—最大灌浆允许压力，kN/m2；

γ—坝体土的容重，kN/m3；

H—计算点以上的坝高，m；

σt—土的单轴抗拉强度，kN/m2；

γ′—浆液容重，kN/m3；

h—全孔灌浆时的注浆管高度，m。

考虑渗流孔径较大，并有流水通过，为加速浆液凝固并提高后期强度，在灌浆时掺入10%的水泥。

4 灌浆施工

4.1 库水位控制

因在除险加固施工期间，芝麻凹水库水位已降至死水位，适宜灌浆处理，坝面为沥青路面，迎水坡已浇筑混凝土护坡，背水坡种植草皮，施工期间已经开挖，便于冒浆位置处理。

4.2 造孔

将孔布置在大坝顶上靠上游坝肩附近（离坝肩一般1.0～1.2 m），可有效达到防渗堵漏，消灭背水坡窖潮区，堵塞坝体内空穴、蚁道及充填不实土体。灌浆采用两排布孔，第一排孔靠近迎水坡，孔距为2.5～5.0 m；第二排孔，孔距为2.5 m。第一排21 孔，第二排8 孔，共计29 孔。采用SH30型钻机的卷扬功能，吊动80 kg铁锤，锤击带堵塞器的50 摩擦杆（压浆杆）成孔，孔深均进入坝基土层，最深7.5m，最浅3 m（老山坡），均为干法造孔，确保铅直。锤击高度1.2 m，最大锤击量30 cm /击（土松），最小0.3cm /击（土实）。摩擦杆与坝体土层紧密接触，堵塞器确保孔底注浆。造孔时做好观察及记录。

4.3 灌浆材料

灌浆土料采取水库大坝东首近库边的土山坡土料，租用挖掘机及装载机挖取，拖拉机、卡车运输，土料经土工试验，土质较好，符合灌浆要求，适宜制作浆液。主要技术指标如下：含水量w=23%～26%，湿容量r =19.5～20.0kN/m3，干重度rd=16～16.6 kN/m3，比重G=2.73，塑性指数11%～14.4%，粘性含量30%～35%，粉粒含量40%～55%，系重粉质壤土。

水泥采用地方产的32.5 号普通硅酸盐水泥。

4.4 浆液制作

本次灌浆采用原镇江地区水利工程处建造的泥浆搅拌机，配套295匹柴油机，造浆量8 m3 /h 左右。浆液通过35 孔/m2 的过滤筛后进入铁质的泥浆池，浆液比重一般为1.3～1.5。

制浆时通过控制水量、加料进度、放浆阀门开启大小等措施来达到泥浆质量要求，用1 L量杯称重来随时测定浆液的比重。水泥随土料渐次加入打浆，掺入量一般不超过10%，并适当增加搅拌时间以增强浆液粘度达30 s 左右，泥浆稳定性小于0.1 g/cm3，泥浆胶体率大于90%。根据经验，首先用泥浆疏通压浆管，然后采用水泥浆，经综合控制可形成理想的防渗帷幕，也能有效充填空穴，挤密松散土层，密实坝体。对浆液时常留样观察收缩率、水分析出状况及强度。

4.5 灌浆

灌浆之前将阻塞器的摩擦杆下到坝基土层，然后全孔灌浆，多孔轮灌，使防渗帷幕从坝基土层移植上升到坝面。

灌浆孔打好后一般用0.1～0.2 m3的纯泥浆（比重1.2 左右）进行始劈，俗语压通浆，目的是浆液走的通。所有灌浆孔始劈压力最大3～4 kg / cm2，最小0.1 kg /cm2。用此法每日灌注过水泥浆后均需用泥浆冲压摩擦杆内水泥浆入坝体，以免浆管被水泥沉淀凝固影响复灌，严重时导致无法复灌。所有孔均自始至终采用全孔注浆法进行压浆施工。

压浆方式：全程采用综合控制方法进行灌浆施工。多孔轮灌，少灌多复，控制压力、速度。严密观察上下游及坝面，即时做好各项记录，即时处理各类冒浆现象。灌浆压力也从小到大，头几次均小于0.5 kg /cm2，到劈裂后的几次复灌，压力上升到0.7 kg /cm2 左右，大的超过1.5 kg /cm2，稠浆采取慢压方式，孔口及压浆泵均安装有压力表，专人观察并记录压浆过程。一旦有坡面冒浆出现或坝面出现斜裂缝均停灌处理，间隔一段时间再进行复。每孔灌浆均在坝面纵向裂缝冒浆3 次以上，复灌在5 次以上。

4.6 终灌、封孔

灌浆满足以下条件之一即停止灌浆：①当浆液升至孔口，连续复灌3次不再吃浆；②坝体连续3 次冒浆，或连续3 次超过控制压力、位移和裂缝宽度；③虽然没有达到上述指标，但坝肩位移、坝顶裂缝长度和宽度均达到规定值时，也要停灌。

终止灌浆后，将浆管拔出，注满容重大于1.5 t /m3 的稠浆，如果浆面下降，可继续灌注稠浆，直至浆面升至坝顶不再下降为止。

5 灌浆出现问题的处理

本次灌浆相继出现了冒浆、裂缝、护坡隆起等现象，均属灌浆作业中常见问题。

5.1 冒浆情况处理

灌浆中除正常的坝面劈裂缝冒浆外，尚有上下游坡出现冒浆的情况，主要发生在上游库底，离坝脚约8m处，以及下游坝脚原渗漏出口处。

坝顶和坝坡冒浆，立即停灌，挖开冒浆出口，用粘性土料回填夯实。库底冒浆，水面有明显的黄色泥浆泛起，采用稠浆间歇灌注，少灌多复，直至冒浆基本消失。下游坝脚漏水洞冒浆，挖出冒洞口用木桩堵塞，采取少灌多复、慢压和延长间隔时间来处理。冒浆情况均及时做相应处理和记录。

5.2 裂缝情况及处理

一般纵向裂缝产生后则稠浆少灌多复，控制坝面裂缝在1～2 cm。如果出现横向裂缝，则立即停灌，顺延裂缝方向挖槽回填粘土并夯实后，再继续灌注，并随时观察。如果出现纵向裂缝，则分析发生的原因，如果是湿陷缝则继续灌浆；如果是劈裂缝，即加强观测，将缝宽控制在3 cm以内，同时将坝体纵向位移控制在2.5cm以内。

5.3 隆起情况处理

隆起发生在上游坝坡，发现隆起后，立即停灌。观察周围坝坡正常，非滑坡引起，分析原因主要是由于该处坝体松散、压力较大导致。停灌5 d后，继续灌浆，并注意监测。

6 结束语

灌浆施工完成后，在坝轴线形成连续的浆脉，对坝体的防渗起到了较好的作用。经过1 年多的运行观测，下游坡面散浸集中渗漏点消失，渗流量明显减少，无明显的水平位移和沉降，灌浆效果较好。

通过芝麻凹水库的劈裂灌浆可以得出这样的结论：

1. 坝体灌浆应在水库低水位时

进行，保证加速泥浆固结，保证灌浆质量。此前2 次灌浆均是在水库运行期间，由于水压力较大，灌浆不能保证密实、连续，故均告失败。

2. 劈裂灌浆应根据隐患的位置

和性质，具体确定孔距、孔深。本次作业先通过布孔发现了主要渗漏来源，在局部渗漏严重地段加密布孔，此时的灌浆类似于充填式灌浆作业，发现洞穴很大时，可适当增加灌浆量和提高浆液稠度。

3. 大坝进行劈裂灌浆时河槽段

应沿坝轴线附近布孔，一般1～3 排分2～3 序比较合适，孔距4～8 m 较好。岸坡坝段为了容易实现纵向劈裂灌浆，减少横向裂隙的产生，可不分序，采用同排并灌施工，灌孔数一般为2～4 个。

4. 灌浆时的位移观测及冒浆观

测处理是确保安全、质量的重要措施。由于劈裂灌浆要分排、分序，且每孔复灌次数要达5 次以上，每次又必须间隔5～7 d，故施工时间长，为加快进度，可在前1 排的最后1 序孔的最后2 次充填灌浆（这时该排该序已劈裂）的同时进行后1 排的第1 序孔的钻孔及灌浆（这时尚未完全劈裂），从实践来看，并不会影响质量。

作者单位：金坛市水利勘测规划设计室