王學(xué)武，黨發(fā)寧

（1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,西安 710048；2.山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理公司,太原 030002）

劈裂灌漿是土石壩防滲技術(shù)措施，在水利工程尤其是土石壩的除險加固工程中得到了廣泛的應(yīng)用，灌漿劈裂的機理值得探討。水力劈裂是由于水壓力的抬高引起土石壩壩體中缺陷裂縫擴張的一種物理現(xiàn)象[2]，它能夠造成防滲體的防滲失效，嚴重威脅大壩的安全與穩(wěn)定，是高心墻土石壩工程設(shè)計中亟需解決的問題之一。心墻的水力劈裂問題非常復(fù)雜，其發(fā)生條件并不十分清楚，其機理研究有的從受力變形的角度應(yīng)用圓孔擴張理論、拉裂破壞理論進行研究[2-4]，有的從斷裂力學(xué)的角度進行研究[5,6]。本文從發(fā)生機理、變形機理和力學(xué)機理方面對灌漿劈裂和水力劈裂進行比較研究。

1 發(fā)生機理分析

1.1 水力劈裂的發(fā)生機理

1）土壩心墻上游面裂縫是發(fā)生水力劈裂的重要內(nèi)部條件。心墻防滲體是非均質(zhì)材料，在施工期分層鋪筑碾壓過程中，各碾壓層之間以及同一碾壓層的不同施工區(qū)段之間都有可能因為碾壓不均勻而形成裂縫，而且施工環(huán)境條件（如溫度、濕度等）的變化也有助于這種裂縫的形成。

防滲體在施工期和竣工后，由于材料特性（如應(yīng)力松弛及蠕變、固結(jié)沉降等）、填筑質(zhì)量和地質(zhì)因素等原因均有可能引起不均勻沉降，這種不均勻沉降及其引起的應(yīng)力重分布可能會使防滲體形成裂縫。比如，對于心墻土石壩，壩殼砂礫料和防滲心墻粘土料同時施工，施工期內(nèi)土體心墻和砂礫壩殼均在發(fā)生固結(jié)沉降，由于心墻土料固結(jié)沉降慢，壩殼砂礫料固結(jié)沉降快，在接觸面處壩殼擠壓防滲心墻，可能使防滲心墻在接觸面產(chǎn)生水平裂縫；竣工后，壩殼料固結(jié)沉降已基本完成，而心墻土料的固結(jié)沉降還在進行，在接觸面處壩殼擠壓防滲心墻，也可能使防滲心墻在接觸面產(chǎn)生水平裂縫。這就是所稱的拱效應(yīng)[7]。

為了敘述方便，本文將上述裂縫統(tǒng)稱為缺陷裂縫。缺陷裂縫有可能形成于防滲體表面處，也有可能形成于防滲體內(nèi)部。形成于心墻上游表面處的缺陷裂縫往往是造成防滲心墻水力劈裂的重要內(nèi)部條件。另外，需要指出的是，對于粘土心墻土石壩，壩體越高，拱效應(yīng)越明顯，越容易發(fā)生防滲心墻水力劈裂，因此水力劈裂是高心墻土石壩面臨的重要研究課題之一。

2）快速蓄水是防滲心墻發(fā)生水力劈裂的重要外部條件。水力劈裂是否發(fā)生與水力梯度大小密切相關(guān)。當(dāng)庫水位緩慢上升時，隨著水位的上升，粘土心墻內(nèi)形成了穩(wěn)定滲流，即使心墻上游面存在缺陷裂縫，由于裂縫附近土體內(nèi)外的水力梯度不大，滲透力也不大，一般不會發(fā)生水力劈裂。但是，當(dāng)庫水位快速上升時，穩(wěn)定滲流還未形成，如果心墻上游面存在缺陷裂縫，由于此時裂縫附近土體內(nèi)外的水力梯度很大，滲透力也很大，這樣發(fā)生水力劈裂的可能性就大大增加了。

1.2 灌漿劈裂的發(fā)生機理

灌漿劈裂是沿土壩壩體軸線方向布置灌漿孔，通過注漿加壓，使壩體沿軸線方向發(fā)生擠密—拉裂—斷裂發(fā)展，最終沿軸線方向有控制地劈裂成縫，注入的漿液此時充滿裂縫并在固結(jié)后形成連續(xù)的垂直防滲帷幕。通過漿液的擠壓作用，還可提高防滲帷幕上下游范圍的壩體質(zhì)量。灌漿劈裂的程度僅與注漿壓力大小有關(guān)，而與 “注漿速率”無關(guān)。

2 變形機理分析

2.1 灌漿劈裂的變形機理

土壩劈裂灌漿從孔內(nèi)注漿加壓到劈裂成縫的時間雖然不長，但通過對灌漿劈裂過程的變形分析仍可分為土體擠密、土體拉裂和土體斷裂發(fā)展三個階段。灌漿開始后，首先發(fā)生土體擠密。注漿孔內(nèi)隨著灌漿壓力的增加，漿液不斷擠壓周圍的土體，使周圍土體的密實度提高，圓孔孔徑隨之?dāng)U大，孔周土體以注漿孔為中心形成三個區(qū)域：壓縮區(qū)、塑性擠密區(qū)和彈性區(qū),如圖1所示。

當(dāng)土體擠密到一定程度后，土體變形進入第二階段，發(fā)生土體拉裂。擠密后的孔周土體在孔內(nèi)灌漿壓力不斷增大的情況下，當(dāng)圓孔切向拉應(yīng)力σ3超過土體的抗拉強度時，孔周土體沿切向發(fā)生拉裂，裂縫首先產(chǎn)生于最小主應(yīng)力作用平面 （即壩軸線方向），然后向孔兩側(cè)方向發(fā)展，土體變形進入第三階段。

把第二階段土體拉裂和第三階段土體斷裂發(fā)展區(qū)分開主要是由于二者的力學(xué)機理不同，前者是孔內(nèi)灌漿壓力作用下的土體沿圓孔切向拉裂問題，后者是裂縫擴展的斷裂力學(xué)問題。灌漿劈裂通過前面兩個階段使土體發(fā)生了裂縫，為第三階段的土體斷裂發(fā)展創(chuàng)造了條件。進入第三階段后，裂縫在縫內(nèi)漿液的作用下變寬、擴展。土壩的灌漿劈裂可視為一維的斷裂力學(xué)問題，即漿液作用于裂縫上、下表面而使裂縫發(fā)展的Ⅰ型線彈性斷裂。

這里需要簡述一下水楔作用原理[2，11]。在裂縫尖端上、下表面各取一個單元，如圖2所示。當(dāng)漿液傳到裂縫尖端時，單元1只有底面有水壓力，其他三面都沒有水壓力，且底面水壓力很大，接近孔內(nèi)漿液壓力。當(dāng)ab面上的水壓力超過了該面上的正應(yīng)力時，必然使該單元壓縮并向上位移 （實際上，即使水壓力沒有超過該面上的正應(yīng)力，只要施加水壓力，單元也會產(chǎn)生壓縮和位移）。單元2的情況與此相似，只是它向下產(chǎn)生壓縮和位移。這樣ab面向上位移、gh面向下位移，使裂縫進一步劈裂發(fā)展，這就是水楔作用原理。

2.2 水力劈裂的變形機理

心墻水力劈裂過程只有土體斷裂發(fā)展一個階段，是在心墻土體已有缺陷裂縫基礎(chǔ)上發(fā)生的Ⅰ型線彈性斷裂。如果沒有缺陷裂縫的存在，心墻土體是不會發(fā)生水力劈裂的。

由此可見，灌漿劈裂除了和水力劈裂均有土體斷裂發(fā)展階段外，還具有水力劈裂所沒有的土體擠密階段和土體拉裂階段，因而其變形機理更復(fù)雜。

3 力學(xué)機理分析

3.1 灌漿劈裂的力學(xué)機理

1）擴孔擠密階段

灌漿劈裂過程中，隨著孔內(nèi)漿液壓力的增大，孔周土體被擠密，出現(xiàn)了擴孔效應(yīng)，最終使得塑性區(qū)厚度由開始的 “壓縮區(qū)厚度+擠密區(qū)厚度”減少為 “擠密區(qū)厚度” （即壓縮區(qū)的厚度被壓縮為零），如圖2所示。在此過程中，塑性區(qū)土體的密度變大，變形模量增大。文獻 [3]將擴孔擠密階段土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系用簡化的應(yīng)變軟化模型表示，并把塑性區(qū)分為流動區(qū)和軟化區(qū)。本文認為采用簡化的應(yīng)變硬化型應(yīng)力-應(yīng)變彈塑性模型更能反映土體擠密過程的實際情況，如圖3所示。因為土體的擴孔擠密過程是徑向壓剪破壞和切向拉裂破壞的組合過程，土體的抗拉強度遠低于抗壓強度，土體不會等到壓剪破壞后再發(fā)生拉裂破壞，事實上土體被壓剪到一定程度但還沒有達到其極限抗剪強度時就已經(jīng)發(fā)生了拉裂破壞，因此，應(yīng)變軟化實際是不存在的，應(yīng)變硬化型應(yīng)力-應(yīng)變彈塑性模型比較符合實際情況。根據(jù)彈塑性理論可求出彈性區(qū)半徑、壓縮區(qū)半徑和擠密區(qū)厚度。

2）拉裂階段

拉裂階段的孔周土體承受徑向的壓剪應(yīng)力和切向的拉應(yīng)力，因土體的抗拉強度遠低于抗剪強度，土體拉裂受拉應(yīng)力控制。

如圖4所示，灌漿劈裂孔壁面切線方向拉應(yīng)力為[1]：

式中：θ——主應(yīng)力σ2方向的偏角；

σS——土體的極限抗拉強度；

p——孔內(nèi)漿液壓力。

當(dāng)θ=0時σT為最小值，當(dāng)σS=σT時土體開始拉裂，由上式可得灌漿孔的起始劈裂壓力：

3）斷裂發(fā)展階段

斷裂發(fā)展階段是土體裂縫的進一步延伸階段，在σ2、σ3作用平面內(nèi)發(fā)生的裂縫擴展，可認為是穿透型裂縫考慮了裂縫尖端塑性區(qū)后的Ⅰ型線彈性斷裂，因為土體抗拉強度低，在拉裂擴張過程中，裂縫尖端塑性區(qū)尺寸不大，這樣處理比較符合灌漿劈裂的實際情況。假定σ1作用平面為無限大平面，裂縫上、下表面受均勻拉伸力作用，如圖5所示。

以平面應(yīng)變狀態(tài)為例[10]，應(yīng)力強度因子為：

當(dāng)KI≥KIC時心墻土體發(fā)生斷裂。

式中：KIC——材料的平面應(yīng)變斷裂韌度 （材料常數(shù)）；

σS——土體單向拉伸時的屈服極限值；

σ——孔壁的漿液壓應(yīng)力值；

2a——裂紋長度。

上述三個階段可以起始劈裂壓力值為界進行劃分：當(dāng)灌漿壓力小于起始劈裂壓力值時，孔內(nèi)灌漿壓力持續(xù)升高，屬于擴孔擠密階段；灌漿壓力等于起始劈裂壓力值時，孔周土體發(fā)生拉裂，屬于拉裂階段；灌漿壓力大于起始劈裂壓力值時，孔周土體發(fā)生斷裂形成裂縫，裂縫在漿液作用下迅速延伸擴展，此時孔內(nèi)灌漿壓力開始降低，屬于斷裂發(fā)展階段。

當(dāng)灌漿劈裂發(fā)生壩頂劈裂冒漿時，灌漿壓力迅速減小，斷裂強度因子KI也迅速變小，當(dāng)KI≥KIC時，裂縫止裂不再擴展。至于隨后進行的間歇性復(fù)灌，屬于充填灌漿的范疇，不是劈裂問題。

3.2 水力劈裂的力學(xué)機理

心墻的水力劈裂過程只有土體斷裂發(fā)展一個階段，斷裂發(fā)展過程依次分為：表面淺層裂縫的斷裂發(fā)展、深層裂縫的斷裂發(fā)展和穿透型裂縫的斷裂形成。

在對心墻水力劈裂進行斷裂力學(xué)分析時，假定心墻的斷裂為Ⅰ型線彈性斷裂，裂縫形狀為橢圓裂縫，裂縫尖端為考慮了小范圍屈服的尖端塑性區(qū)，裂縫為無限大平板帶有單邊裂縫，裂縫表面受均勻拉伸應(yīng)力作用。

以平面應(yīng)變狀態(tài)為例，第一過程表面淺層裂縫的應(yīng)力強度因子為[10]：

為完整的第二類橢圓積分；a、c分別為橢圓裂縫的短半軸和長半軸，已知a與c的比值時，Ф可查相關(guān)圖表得到；2a為裂縫長度；σ為作用于裂縫尖端上、下表面的漿液壓應(yīng)力值；σS為土體單向拉伸時的屈服極限值。

第二過程深層裂縫的應(yīng)力強度因子為[10]：

式中MC為彈性修正指數(shù)，可查相關(guān)圖表。

第三過程穿透型裂縫的應(yīng)力強度因子為[10]：

在應(yīng)用上述三個過程的應(yīng)力強度因子時，建議當(dāng)裂縫長度 （或深度）≤1/10心墻厚度時，用式（4）判定；當(dāng)裂縫長度（或深度）≥1/10心墻厚度時，用式（5）判定；當(dāng)裂縫已貫通上下游面時，用式（6）判定 （注：這里心墻厚度指裂縫高程處的厚度）。

當(dāng) K′I（K″I或 K蓯I） ≥KIC時，心墻發(fā)生水力劈裂。在實際運用中，為安全起見也可取K′I、K″I、K蓯I中的最小值作為斷裂因子與KIC相比較，來判定心墻水力劈裂是否會發(fā)生。

4 結(jié)論

1）土壩心墻水力劈裂的發(fā)生，是由于壩體上游表面存在缺陷裂縫。以往的心墻水力劈裂室內(nèi)試驗多忽視了這一點，實際上是用灌漿劈裂的方法進行水力劈裂的試驗。

2）從發(fā)生機理、變形機理、力學(xué)機理的比較可知，土壩灌漿劈裂與水力劈裂機理是有區(qū)別的。灌漿劈裂強調(diào)，只要注漿壓力足夠大，土體就會發(fā)生劈裂，不論存在缺陷裂縫與否。灌漿劈裂可分為土體彈塑性壓密、土體拉裂和土體斷裂發(fā)展三個階段，而水力劈裂只有土體斷裂發(fā)展一個階段。

3）在二者都有的土體斷裂發(fā)展階段，灌漿劈裂只有穿透型裂縫斷裂發(fā)展一個過程，而水力劈裂則可細分為表面淺層裂縫的斷裂發(fā)展、深層裂縫的斷裂發(fā)展和穿透型裂縫的斷裂形成三個過程，且三個過程的斷裂判據(jù)是不一樣的。

[1]白永年，吳士寧，王宏恩.土石壩加固[M].北京:水利電力出版社，1992.

[2]朱俊高，王俊杰，張輝.土石壩心墻水力劈裂機制研究[J].巖土力學(xué)，2005,28(3):487-492.

[3]鄒金峰，李亮，楊小禮，等.土體劈裂灌漿力學(xué)機理分析[J].巖土力學(xué)，2006,27(4):625-628.

[4]殷宗澤.高土石壩的應(yīng)力與變形 [J].巖土工程學(xué)報,2009,31(1):1-13.

[5]盛金昌，趙堅，速寶玉.高水頭作用下水工壓力隧洞的水力劈裂分析 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報:2005,24(7):1226-1230.

[6]王俊杰.基于斷裂力學(xué)的土石壩心墻水力劈裂研究[D].南京:河海大學(xué)水利水電學(xué)院，2005.

[7]王俊杰，朱俊高.堆石壩心墻水力劈裂性能研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(1):2881-2885.

[8]殷宗澤，朱俊高，袁俊平，等.心墻堆石壩的水力劈裂分析[J].水利學(xué)報，2006,37(11):1348-1353.

[9]張丙印，李娜，李全明，等.土石壩水力劈裂發(fā)生機理及模型試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2005，27(11):1277-1281.

[10]程靳，趙樹山.斷裂力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2006.