趙麗子,石自堂

(1.武漢大學 水利水電學院,湖北 武漢430072;2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢430072)

我國小型水庫大多建于20世紀50～70年代,受當時人力、物力、財力、技術(shù)、材料等方面的限制及社會環(huán)境的影響,水庫大壩壩體填筑質(zhì)量較差,土質(zhì)疏松,干容重偏低等現(xiàn)象普遍,后期又由于管理不善,運行至今壩體內(nèi)部出現(xiàn)裂隙相互貫通等隱患,整體穩(wěn)定性差,滲漏嚴重。對此類壩進行除險加固過程中采用較多的處理辦法是灌漿和劈裂灌漿。

劈裂灌漿是利用河槽段壩軸線附近的小主應力面一般規(guī)律是平行于壩軸線的鉛直面,沿壩軸線單排布置相距較遠的灌漿孔,利用泥漿壓力人為的劈開壩體,灌注泥漿,并使?jié){壩互壓,最后形成一定厚度的連續(xù)整體泥墻,起到防滲的作用,同時,泥漿使壩體濕化,產(chǎn)生沉降,增加壩體的密實度。

劈裂灌漿作用機理體現(xiàn)在4個方面:①泥漿對壩體的充填作用;②漿壩互壓作用機理;③濕化沉陷作用;④灌漿的固結(jié)和壓密作用。在濕化沉陷作用方面,通常認為,泥漿進入壩體時,大量的水也隨之進入壩體,水除了產(chǎn)生孔隙水壓力外,還對壩體產(chǎn)生濕化沉陷作用,濕化沉陷作用的大小與土壩質(zhì)量和土料性質(zhì)有關(guān)。很顯然,對劈裂灌漿濕化變形的認識僅僅停留在其與土壩質(zhì)量和土料性質(zhì)有關(guān)以及使壩體發(fā)生沉陷的階段。

1 濕化變形機理分析

1.1 濕化變形

土在浸水之前,由于施工質(zhì)量較差,土體不能密實,浸水后土顆粒受水的潤滑在自重作用下,重新調(diào)整粒間位置,改變原來結(jié)構(gòu),使土體壓縮下沉,這種現(xiàn)象叫做濕化[1]。

筑壩時壩體在最優(yōu)含水率附近碾壓,但飽和度一般僅達到0.8～0.9[2],即存在10%～20%的孔隙,不密實,灌漿前浸潤線以上填料處于非飽和狀態(tài)。灌漿過程中,大量水進入壩內(nèi),原本較為疏松的壩體土,在自重、劈裂灌漿壓力及水的潤滑作用下,土粒結(jié)構(gòu)得到調(diào)整變密,壩體濕化變形。

1.2 機理分析

壩體發(fā)生濕化變形的原因主要包括兩種:

1.2.1 內(nèi)部因素

土體本身欠壓密性。受施工技術(shù)等條件的限制,以前的土石壩碾壓質(zhì)量較差,壩體土密實度普遍達不到要求。

1.2.2 外界因素

外荷載及壩體土含水率變化。劈裂灌漿過程中,壩體受到灌漿壓力等作用,漿液固結(jié)析水使?jié){脈周圍原土體含水率發(fā)生改變。外界因素對壩體的影響主要表現(xiàn)為:

(1)外荷載與壩體應力的關(guān)系

壩體內(nèi)部應力就其對土顆粒是否產(chǎn)生作用可以分為有效應力和孔隙水壓力,土粒骨架只有受到有效應力時才會發(fā)生變形。一般而言,土中的應力主要有兩種:①由于土體本身重量引起的自重應力;②附加應力。除此外,存在水頭差時會產(chǎn)生滲透力[3]。

灌漿前,壩體內(nèi)部應力狀態(tài)為 σz＞σy＞σx(如圖1)所示,局部地區(qū)σx＜0,即出現(xiàn)拉應力區(qū)。壩體中拉應力區(qū)的存在對壩體的穩(wěn)定極為不利。灌漿過程中,由于小主應力作用面上裂縫發(fā)展受阻力小,壩體裂縫的方向首先是沿著小主應力面開始,其次是中主應力面,再次是大主應力面。壩體應力在橫斷面上垂直分布不一致,劈裂灌漿過程中通過漿壩互壓及濕化變形使小主應力得到補充,所形成的漿體厚薄及分布形式沿壩高會出現(xiàn)不同的分布,這是灌漿壓力與壩體小主應力自然調(diào)整的結(jié)果[1]。

圖1 壩體應力示意圖

在漿壓壩的短暫過程中,由于進入壩體內(nèi)水分不能及時排出,壩體孔隙水壓力急劇增大,此時外荷載基本上由孔隙水壓力承擔,后期在自重、灌漿壓力及滲透力作用下,自由水逐漸排出,土粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,孔隙率減小。附加應力逐漸由土骨架承擔,孔隙水壓力不斷減小,土骨架被壓縮,有效應力不斷增加。在有效應力作用下,內(nèi)部應力得到調(diào)整,土體密實度增加,體積變小。

壩體土屬于彈塑性材料,因而應力—應變關(guān)系是非線性,在卸載后,壩體彈性變形能夠恢復,因而存在壩體回彈,產(chǎn)生壩壓漿現(xiàn)象,這有利于加速漿液的排水固結(jié)。

(2)土體性質(zhì)與含水率的關(guān)系

均質(zhì)壩土料主要為黏性土、壤土、砂壤土;心墻壩防滲料主要由透水性較小的黏性土組成,壩殼體則采用較好的砂石料。對于飽和土體,80%以上的孔隙被水充滿,壩體發(fā)生濕化變形的本質(zhì)上是固體土顆粒的移動及孔隙水和氣體的排出。

土中細粒越多,水對土的性質(zhì)影響就越大。隨著壩體土含水率的增加,土強度、粘聚力會逐漸減小,土體中的水可以分為以下幾類:

當含水率較小時,土中水處于結(jié)合水狀態(tài),土粒之間摩擦力和粘聚力都較大,土粒相對移動較為困難,因而不易變形。當含水率增加時,土粒周圍水膜變厚,土整體變軟,進入可塑狀態(tài),摩擦力和粒間粘結(jié)力變?nèi)?土粒之間彼此容易移動。當土中水處于自由水狀態(tài),土顆粒不受吸附作用,可以自由移動,土塊強度喪失。

無粘性土(砂石料)顆粒較大,排水性良好,在含水率較低時因受毛細水作用而具備一定的“假粘聚力”,在自然狀態(tài)下通過自身重力作用可使土粒相互擠密,強度大,壓縮性小,但這種力會隨著土料含水率的增加而逐漸消失。

黏性土顆粒相對較細,比表面積大,顆粒間聯(lián)結(jié)力較大,當土含水率較低且顆粒周圍只有結(jié)合水時,粒間粘結(jié)力起主導作用,土塊整體強度大;當土粒周圍存在自由水時,聯(lián)接力消失,土體進入可塑或流動狀態(tài),土強度喪失。

因而對于相同含水率的粘性土與無粘性土會表現(xiàn)出不同的物理特性。對于非均質(zhì)土石壩,壩體在相同時間內(nèi)自然沉降也不一致。

1.3 濕化變形產(chǎn)生的現(xiàn)象

劈裂灌漿后發(fā)生壩體濕化變形,主要體現(xiàn)在以下方面:

(1)壩體沉降,壩高降低。根據(jù)以往工程經(jīng)驗,壩體灌漿后濕化沉陷率(平均沉降量占最大壩高比值)可達0.6%～3%[2]。

(2)產(chǎn)生濕化沉陷縫。在灌漿軸線附近灌漿壓力大,壩體濕化沉陷作用明顯,離其較遠的地方,沉降量較小甚至為零,故存在濕化沉陷差使壩體局部產(chǎn)生拉應變,出現(xiàn)裂縫。

(3)壩體密實度增加,提高壩體的滲透穩(wěn)定。加固后,整個灌漿期灌—?！嗟倪^程中,壩體受到漿液反復壓縮—回彈—壓縮,壩體產(chǎn)生豎向和橫向壓縮變形,橫斷面減小,壩體土天然容重增大,密實度增大。

(4)改善壩體內(nèi)部應力,增強壩體變形穩(wěn)定性。

(5)產(chǎn)生塌坑與隆起現(xiàn)象。由于壩體填土質(zhì)量疏松,或者生物洞穴等空洞存在,土體濕化固結(jié)后,上部土體會塌陷。同時壩體濕化變形使壩坡面線變短,坡面積減少,由于護坡石與壩體土變形不能協(xié)調(diào),造成局部隆起[1]。

福建省詔安縣亞湖水庫樞紐于2004年進行除險加固,大壩經(jīng)劈裂灌漿后,產(chǎn)生了27條裂縫,裂縫方向多為沿壩軸線劈裂的縱縫,少量為橫縫;前后壩坡出現(xiàn)大量冒漿點,主要有54處,約在壩頂以下2.6 m～0.5 m處[4]。但在實際工程中,灌漿產(chǎn)生裂縫或使壩體局部出現(xiàn)塌坑與隆起等現(xiàn)象時,不能一概而論都歸結(jié)于壩體濕化變形。

湖北省紫檀沖水庫主壩為粘土心墻壩,2010年7月4日在對主壩進行劈裂灌漿施工過程時,發(fā)現(xiàn)樁號0+094～0+102段壩頂壩面沿灌漿孔軸線發(fā)生沉陷。2010年9月1日進行復灌,9月16日下午發(fā)現(xiàn)主壩樁號0+080～0+152段出現(xiàn)雙排裂紋,同時樁號0+088～0+118壩面出現(xiàn)塌陷,坍塌寬0.5 m～0.6 m,深度0.4 m～0.6m不等。9月17日下午樁號0+138～0+140處再次出現(xiàn)塌陷[5]。經(jīng)計算分析,大壩實際沉降量低于完建后大壩理論沉降值,常年運行水位上部土體由于拱效應的存在而無法沉降,造成心墻內(nèi)出現(xiàn)大的縱向裂縫,灌漿時壩頂塌陷是由于壩體內(nèi)部拱效應遭到破壞所致。據(jù)此,施工單位根據(jù)實際情況及時調(diào)整施工工藝,順利完成了大壩的防滲加固。

這個工程為以后劈裂灌漿加固工程提供了實際經(jīng)驗并充實了原有理論基礎(chǔ)。

2 對劈裂灌漿副作用的指標控制

劈裂灌漿不僅可以增加壩體的密實度,還增加壩體穩(wěn)定性,減少弱應力范圍。但若不能對濕化產(chǎn)生的變形及內(nèi)部應力改變加以控制,壩體劈裂灌漿會產(chǎn)生副作用。根據(jù)相關(guān)資料[1],由以下指標進行控制。

2.1 位移比控制

灌漿期,對于壩體疏松,或隱患嚴重部位,因為土結(jié)構(gòu)中孔隙率較大,土粒結(jié)構(gòu)疏松,壩體變形空間較大,會產(chǎn)生較大的沉降。由濕化變形機理分析可知,壩體土質(zhì)也會影響濕化變形效果,根據(jù)土的壓縮系數(shù)a1-2可將其分為以下3類:

對于高壓縮性的土,如粉質(zhì)土、黃土、類黃土、碾壓不好的粘質(zhì)土等,土骨架容易發(fā)生較大的壓縮變形。為使變形不至于過大,影響壩體回彈,破壞壩體結(jié)構(gòu),對于高壓縮性土及中等壓縮性土,灌漿期多用位移比來控制,用公式表示為[1]:

式中:η為灌漿期間位移比;V為灌漿期橫向水平位移量(mm);W為灌漿期沉陷量(mm);m為被灌壩邊坡比。

對于低壓縮性土,因為灌漿期沉陷量 W很小,橫向水平位移V卻往往較大,所以式(2)不適用,位移η比值應放寬,略大于m值也是很容許的,但位移后必須有相當?shù)幕貜椓?否則是絕對不允許的。

對亞湖水庫樞紐主副壩進行劈裂灌漿時每隔20 m布設(shè)一組觀測點,主壩坡比為1∶1.2～1∶1.28,灌漿施工歷時57 d。觀測最終數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 劈裂灌漿大壩沉降位移量

據(jù)觀測數(shù)據(jù)可知,灌漿期間主河槽段壩頂最大沉降量48 mm,最大位移量13 mm。位移比 ηmax=0.4,小于坡比1.2～1.8,表明灌漿期壩斷面變小,即灌漿液在壩體內(nèi)所占的體積,不是壩體擴大變?yōu)槲灰屏?而是大部分變?yōu)閷误w的壓密和沉陷,使干容重增加,孔隙比減少,劈裂灌漿安全且有利于增強大壩穩(wěn)定。

2.2 孔隙壓力比控制

壩體濕化變形過程,實際上是壩體內(nèi)孔隙水壓力傳遞和消逝,有效應力不斷增加的過程。劈裂灌漿時孔隙水壓力上升和灌漿壓力上升幾乎同步,灌漿壓力大,壩體短時間內(nèi)孔壓高。隨著壩體排水固結(jié),濕化變形,孔隙水壓力會逐漸減小到灌漿前的狀態(tài),故為了使壩體不因灌漿壓力過大而產(chǎn)生負面影響,可用孔隙壓力比來控制,為保證灌漿期壩體安全,一般情況下,要求B ＜40%～50%[1]?？紫侗瓤捎檬?3)表示[1]:

灌漿壓力過高,壩體土發(fā)生較大的塑性變形,彈性變形產(chǎn)生的回彈效果差,尤其在高水位進行劈裂灌漿時,壩體內(nèi)部水分不易排出,穩(wěn)定更加受到威脅。故在實際工程中,應控制劈裂灌漿時水庫處于低水位運行狀態(tài),加強灌漿過程中雙向排水。

3 結(jié) 論

(1)濕化變形是影響劈裂灌漿效果的重要因素之一。濕化變形的產(chǎn)生是由于壩體土在水作用下,內(nèi)摩擦角減小,粘聚力降低甚至消失,使得土易發(fā)生濕化變形。在灌漿壓力、自重等作用力下,壩體土在較長時間內(nèi)完成一個排水固結(jié)的過程,壩體土密實,弱應力區(qū)得到彌補,利于壩體穩(wěn)定。

(2)當灌漿施工質(zhì)量控制不當時,濕化變形會產(chǎn)生副作用,如局部沉降過大,產(chǎn)生濕陷裂縫,孔壓不能及時消散威脅大壩穩(wěn)定等。因此,灌漿時應嚴格控制位移比及灌漿壓力,及時觀察并做好記錄,確保施工質(zhì)量和安全。

[1]白永年.中國堤壩防滲加固新技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2011:171,129,132.

[2]王洪恩,盧超.堤壩劈裂灌漿防滲加固技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2006:19.

[3]侍倩.土力學[M].武漢:武漢水利電力大學出版社,2004:56.

[4]林銘德,林金盛,郭永生.詔安縣亞湖水庫大壩劈裂灌漿效果分析[J].水利技術(shù),2004,(3):41-43.

[5]王磊,石自堂,龍起華.紫檀沖大壩壩頂塌陷分析與處理[J].水利水電技術(shù),2011,42(3):41-43,70-72.