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小峰水库病险分析及防渗加固新方案探讨研究 摘要 取材便利，对地基要求相对较低，是土石坝在我国迅速得到发展的主要原 因，同时，也是最容易出问题的坝型。尤其许多土石坝是在六、七十年代修 建，由于在设计、施工、机具等方面存在着一定的问题，在几十年的运行过 程中，坝体坝基都不同程度的存在着不少问题，影晌了正常使用及效益的发 挥。本文结合广西壮族自治区防城港市小峰水库所出现的问题，利用数值分 析理论及土石坝加固技术，依据数值分析的结果和前期加固的效果，对小峰 水库病险情况做了详细的分析并在此基础上提出了一种新的防渗加固方案。 本文主要作了如下工作： ( 1 ) 回顾总结我国土石坝发展的基本状况及运行现状，对土石坝病害的 种类及评判方法进行归纳。 ( 2 ) 综述土石坝加固技术及方法，并对各种防渗、滑坡等加固措施进行 分析比较，指出各种方法的优劣性。 ( 3 ) 采用邓肯张模型对未加固前小峰水库均质坝进行应力应变分析，计 算小峰水库在不同工况下，其坝体的稳定情况，并依据数值所分析的结果， 指出其坝体应着重加固的区域。 ( 4 ) 针对小峰水库的渗流问题，依据实际情况，运用有限单元法对其渗 流通道进行了模拟，指明了其可能的渗漏通道，对进一步根治小峰水库的渗 漏提供了非常有价值的参考，并对坝坡稳定做了分析研究。 ( 5 ) 小峰水库经过多次防渗加固，对导流洞的渗漏依然难以有效的解决， 本文参考前述的防渗加固方法并依据小峰水库的实际情况后，提出了一种新 的防渗加固方法，并通过理论计算表明其可行性。 关键词：土石坝有限元邓肯一张模型 渗流化学灌浆 i l a n a l y sis0 fxla o f e n gr e s e r v 0ird e f e c t sa n d r e s e a r c h0 nn e wm e t h o d 0 fr ein f o r c ea g aln s ts e e p a g e a b s t r a c t b e c a u s eo fg e t t i n gm a t e r j a le a s ya n dr e l a t i v e l ys i m p i ef o u n d a t i o n ，e a r t hr o c kd a mi s b u i i tm o s t l yi nc h i n a b u tt h e r ea mag n a to fp r o b l e m so nt h i s 够p eo fd a m e s p e c i a l l y m a n ye a r t hm c kd a m a r ec o n s t r u c t e di n1 9 6 0 s b e c a u s eo fs o m ep m b l e m so fd e s i g n i n ga n d m a c h i n eo fc o n s t r u c t i o na n ds oo n s o m ee a n hr o c kd a m sa n dt l h e i rf b u n d a t i o nh a v em u c h d i s e a s e sd u r i n gm a n yy e a s t h e ni t sn o r m a l l yu s ea n db e n e n ta r ej n n u e n c e d a c c o r d i n gt o s t a t u so fx i a o f e n gr e s e r v o i ri nf a n g c h e n g g a n g ，g u a n z x iz h u a n ga u t o n o m o u s r e g i o n ，u s i n gn u m e r i c a lv a l u ea n a l y s i st h e o i 了 a n dt e c h n i q u eo fd a mc o n s t n i c t i o n ， r e f e r e n c et oa n a l y s i sr e s u l ta n de f f e c t ，t h i sp a p e ra n a l y z e si t sd i s e a s e sp a n i c u l a r l ya n dp u t f b r w a r dan e wr e i n f o r c e m e n tm e t h o d t h em a i nw o r kt h i sp a p e rd oa r et h e s el i k eb e l o w ： ( 1 ) t h i sp a p e rr e v i e w e da n ds u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fe a n hm c k d a mi nc h i n a ，i n d u c e dt h ev a r i e t yo fe a n hr o c kd a m sd i s e a s ea n dt h em e a s u r eo fj u d g e e t c ( 2 ) t h ec o m m o n l yu s e dt e c h n o l o g ya n dm e t h o di nr o c k 脚id a m ss t r e n g t h e nw a s s u m m a r i z e da n da n a l y s e st h e i rg o o da n d b a dq u a l i 够 ( 3 ) t h ed u n c a ne vm o d e lw a sa d o p t e dt oa n a l y s e su n s t n n 2 t h e n e dd a m ss t r e s sa n d s t r a i ni nd i f f e r e n tc a s ea n de s t i m a t ed a m ss t a b i l i z a t i o n r e f e r e n c et or e s u l to fa n a l y s i s ，t h i s p a p e rp u tf o n v a r dp o t e n t i a u yi n i p o n a n ts t r e n g t h e n e dr e g i o n ( 4 ) a c c o r d i n gt op r o b l e m so fx i n g f e n gr e s e r v o i ra b o u fs e e p a g e ，t h i sp a p e r s i m u l a t e p o t e n t i a ls e e p a g ep a t h b yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h i sa n a l y s i s r e s u l t c o n t r i b u t e st os e t t l es e e p a g ep r o b l e ma b s o l u t e l y ( 5 ) a f t e rm a n y 阳i n f o r c e m e n t ，s e e p a g ep r o b l e m sc a nn o tb es o l v e de f f e c t i v e l 弘a f t e r a n a l y z i n gd i f f b r e n ts t r e n g t h e nm e t h o d ，t h i sp a p e rb r i n g sf b r w a r dan e wm e t h o da n di s f e a s i b i ei nt h e o r yb ya n a l y z i n g k e yw o r d s ：e a r t hr o c kd a m ；s e e p a g e ；d u n c a nm o d e l ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d c h e m i c a ig r o u t i n g 广西大学硕士掌位论文 小峰水库病险分析覆防渗加固新方案探讨研究 第一章绪论 1 1 我国土石坝发展概况及运行现状吣”】 我国地处欧亚大陆东南部，人口众多，地域辽阔，降水的时空分布很不均匀，水旱灾 害频繁。虽然我国水资源总量居世界第六位，水力资源蕴藏量居世界首位，但人均水平较 低，开发难度较大。1 9 4 9 年新中国建立以后，党和政府对水利事业给予了高度重视，领导 全国人民进行了大规模的水利水电工程建设，经过五十多年的发展，中国的水库大坝建设 在规模、质量、技术等各方面都取得了举世瞩目的成就。大坝作为重要的水利设施，发挥 了巨大的兴利除害作用，有力地促进和保障了经济发展、社会稳定和环境改善。 1 9 4 9 年以前，我国建成并能继续运行的大中型水库大坝只有2 3 座。新中国成立后的 5 0 年来，全国共建成了各类大坝约8 6 万余座，数量居世界首位。中国在国际大坝委员会 登记的大坝( 坝高大于1 5 m ) 为3 万多座，其中以土石坝居多。1 9 9 0 年前大多为中低坝，坝 高9 0 m 以上的只有3 座。1 9 9 0 年以后，高土石坝和混凝土面板堆石坝的筑坝技术得到了迅 速发展，现已建成的小浪底水利枢纽采用粘土斜心墙堆石坝，坝高1 5 4 m ，天生桥一级水电 站大坝为混凝土面板堆石坝，坝高1 7 8 m 。中国已建和在建的坝高在9 0 m 以上的土石坝已超 过2 0 座。 我国的筑坝技术在很多方面处于世界领先水平。地质勘探技术、计算机应用技术和物 理模型试验、导、截流技术、地下工程施工技术、高坝泄洪消能技术等发展迅速。在土石 坝筑坝材料、坝体分区、坝体稳定分析、渗流、沉降及应力应变分析、基础处理、填筑标 准、施工机具等一系列关键技术，也积累了丰富的经验。 大规模的水利水电工程建设，特别是大坝建设，在防洪、供水、灌溉、发电、水产养 殖、改善环境、发展旅游等方面产生了巨大的社会效益、经济效益和环境效益，在我国的 经济发展和社会进步中发挥了巨大的作用： 1 、我国建成水库的总库容相当于全国河流年均径流量的1 6 ，在历年抗洪斗争中，发 挥了巨大的防洪效益。如1 9 9 5 年浑河流域大伙房水库及1 9 9 8 年长江流域发生的特大洪水， 其河段所建水库有效的起到了调洪蓄水、削减洪锋，为洪灾损失的最小化都做出了功不可 估的贡献。据统计，1 9 9 8 年全国共有1 3 3 5 座大中型水库参与了拦洪削峰，拦蓄洪量5 3 2 亿肼3 ，减少农田受灾面积3 4 2 0 万亩，使2 0 0 余座城市免遭洪水淹浸，减灾效益达7 0 0 0 亿人民币。 2 、水是粮食作物和经济作物稳产高产不可缺少的条件，水库灌区水源可靠，用水保 证率高，可以为农业灌溉提供优质、稳定的水量。我国8 0 以上的水库以灌溉为主，水库 的灌溉面积为2 4 亿亩，约占全国灌溉面积的三分之一。同时，为了满足城市日益迅猛发 广西大学硕士学位论文 小峰水库病险分析及防渗加固新方案探讨研究 展的对水的需求，我国也相继修建了一大批向城市供水的水源工程。据统计，全国己有1 0 0 多座大、中城市主要或全部依靠水库供水。 3 、水力发电对环境没有污染，运行成本低。改革开放以来，我国水电大坝建设取得 了迅速的发展，截至1 9 9 9 年底，中国的水力发电总装机容量己达7 2 9 7 万k w ，占全国装机 总容量的2 4 4 ，水电年发电量2 1 2 9 亿k w h ，占全国年发电量的1 7 3 ，1 9 9 9 年，中国水 电装机容量和发电量为世界第2 位和第4 位。 4 、我国水库大坝的建设，形成了约3 0 0 0 多万亩的水域，为发展水产养殖提供了极好 的条件，许多水库已成为水产供应基地。水库环境优美，是城乡居民极好的旅游休闲场所， 又是极其宝贵的旅游资源。一大批水库，如浙江的千岛湖( 新安江水库) 已成为著名的旅游 胜地。 但是，我国大坝建设中也存在一些问题和沉痛的教训。在现有的土石坝中，有许多大 坝都不同程度的存在渗漏、管涌、裂缝、坝壳质量松散等隐患，成为病库险堤，不能正常 蓄水运用，影响工程效益的正常发挥，有的造成滑坡甚至垮坝事故，给国家和人民带来严 重损失。“大跃进”和“文革”时期兴建的一些大坝，由于没有按照科学行事，导致许多 水库大坝标准偏低、质量问题严重，又如三门峡水库，由于对泥沙问题认识不足，建成后 出现严重问题，不得不多次改建。再如，对水库移民问题重视也不够，因而，造成大量遗 留问题。根据水利部门对所管理水库的统计，全国现有大型病险水库1 5 8 座，占大型水库 总数的4 6 1 ，中型病险水库1 1 0 0 座，约占中型水库总数的4 1 ，小型病险水库约2 9 0 0 0 座。目前在病险水库除险加固工作方面还存在不少问题，如除险加固的责任不清，职责不 明确等。随着国家经济水平的好转及病险水库危害性不断加大，水利部也以明确表示对病 险水库要分清责任，争取分批分期，除险一批，销号一批。 1 2 病险水库大坝加固处理研究现状”2 0 | 土石坝以其取材方便、适应性强、施工灵活、结构简单等优点而在当今世界中得到广 泛的应用。因其主要由坝址附近的土石料填筑而成，故又称“当地材料坝”。根据坝体所 用材料的不同，又可分为土坝和堆石坝。 由于土石坝的突出优点，我国已建成了众多的土石坝，但经过长期的运行，这些土石 坝都发生了不同程度的老化，有的己直接影响到正常运行，所以需要对其进行可靠的检测。 近些年来，随着科学技术的发展，电子技术越来越多的用于土石坝工程的隐患探测，如直 流电阻法、自然电场法、激发极化法、甚低频电磁法、放射性同位素法以及实地观测和探 井等。应用上述方法对坝体坝基存在的问题进行评价，从而有针对性地提出加固处理措施， 以下分别从坝体渗漏、滑坡、护坡裂缝等方面归纳病险库大坝加固处理研究现状。 一、坝体渗漏 土坝坝体和坝基都具有一定的透水性，根据渗漏量的大小，渗漏可分为正常渗漏和异 常渗漏。对于因渗漏而引起的土体破坏或渗漏量过大，且影响蓄水和造成工程整体或局部 小峰水库病险分析及防渗加固新方案探讨研究 失稳的，称为异常渗漏。异常渗漏是考核坝体老化的主要指标之一，根据工程多年的运行 经验，提出了表1 1 所述的坝体渗漏评价标准。 表1 1 坝体渗漏老化评价标准 序号坝体渗漏现象 程度评价 l 渗流量随蓄水后库水位的上升而增加，但达到正常蓄水位后 正常 渗水量基本稳定且渗水量较小。 2 同上，但渗漏量较大 一般 3 渗水量随蓄水位的变化而急剧变化，水位增高渗流量变 大，较严重。 坝脚出现集中渗漏且渗漏量急剧增加或渗水突然变浑。 较严重 渗漏量突然减少或中断( 坝体内部渗漏进一步恶化) 。 排水体以上坝坡出现渗漏， 4 渗漏量大且由于渗水作用而出现地面凸起、坍塌或管涌现严重 象。 二、滑坡 土坝滑坡的原因有很多，如坝坡太陡，坝体抗剪强度偏小，或由于坝基土的抗剪强度 不足、外界因素引起坝体扰动( 如地震、坝周围动荷载等) 导致坝体的局部或整体滑动。坝 体的抗滑能力主要通过坝体抗滑稳定安全系数来体现。因此，对其老化程度的评价，采用 现场测试坝体有关物理力学指标( 如粘聚力、内摩擦角、干容重等) 。根据水库运行条件， 通过稳定计算，求出坝体现状最小稳定安全系数k ，值，据此评价大坝的老化程度。 三、护坡 护坡是土坝重要的组成部分，由于雨水、波浪、动植物以及设计不当、施工质量和管 理等因素的作用和影响，土坝坝坡大都存在不同程度的毁坏，严重的将威胁大坝的安全。 护坡毁坏原因比较复杂，主要有坝体碾压不实、护坡垫层设计与施工不合格、块石偏小、 砌筑质量差、设计不完善、水流冲刷、坝体不均匀沉陷、块石风化变质等原因。因此，采 用了定量与定性相结合的老化方法。护坡的老化程度的评价标准见表1 2 。 表1 2 护坡的老化评价标准 标准评级依据 完好原设计完善，砌筑质量好，护坡垫层完好。 基本完好 满足设计要求，但局部有松动翻起现象， 9 0 。 损坏较严重设计不完善，砌筑质量差，块石偏小，护坡垫层流失较严重，表 面有较严重的翻起、松动、塌陷、架空等，z 6 0 ，厶9 0 。 广西大掌硕士掌位。沦文d 、峰才滹病险分析a 防渗加固新方案探讨研究 表中 i 损坏严重设计不合理，无垫层或垫层冲刷流失严重，块石质t 差，表面有 大面积的翻起塌陷、块石架空等现象，z ，厶6 0 。 护坡完整度z 用下式表示： ；= ( 彳) ( 一o ) 1 0 0 式中爿，一目前完好的护坡面积( m ) ；厶一总面积( 盯) 。 护坡材料完好度 为： = 0 8 5 ( d 1 ) ( d o ) 1 0 0 ( 1 2 ) 式中d ，一实测石块平均粒径( m ) ：d 0 一设计块石平均粒径( m ) 。 四、土坝裂缝 土坝裂缝是较为常见的现象，有的裂缝在坝体表面就可以看到，有的隐藏在坝体内部， 要开挖检查才能发现。裂缝宽度，最窄不到l 咖，宽的可达5 0 0 呦；裂缝的长度不等，短 的不到l m ，长的达数百米；裂缝的深度，有的不到1 m ，有的深达坝基；裂缝的走向有平 行坝轴线的纵缝，有垂直坝轴线的横缝，还有不规则的倾斜裂缝。无论什么性质的裂缝对 土坝的正常使用都有不利影响，其中危害最大的是贯穿坝体的横向裂缝、水平裂缝以及滑 坡裂缝，它们直接影响坝体的稳定性。其中横向裂缝易发展为穿过坝身的渗流通道，若不 及时修复，可使土坝在很短的时间破坏。如果裂缝发生在防渗体内部，也将使防渗体断裂 为渗流通道而失去防渗作用。坝基裂缝主要是由于地基内存在局部大孔隙土壤，在清基时 未严格处理，蓄水后形成局部下陷产生裂缝，使得坝体底部漏水。 土坝裂缝是引起土坝破坏的主要因素之一。因此在进行大坝老化评价时，应对裂缝的 范围、位置、长度、宽度、深度、数量等进行详细测定，以便综合确定其影响。 针对上述几种情况，我国防渗一般采用灌浆或防渗墙措施来处理渗透或降低浸润线， 采用防滑桩或压重等措施来提高抗滑稳定性安全系数。从实际处理效果看，混凝土防渗墙 效果最好，施工经验也最丰富，但其造价较高。滑坡的处理比较复杂，要从滑坡的起因上 解决问题，最好的途径是降低坝体浸润线或提高土体强度指标。近些年来，随着土工合成 材料的发展，用土工膜或复合土工膜防渗和用加筋材料提高土体稳定性得到越来越广泛的 应用。对坝基渗漏的处理一般依据上游“铺、截、堵”，下游“导、减、排”的原则。所 谓铺、截、堵就是修建铺盖、防渗墙和帷幕灌浆等；导、减、排是修建导渗反滤体、减压 井、排水沟等。其中高喷混凝土防渗墙应用较多，若为岩基则采用防渗帷幕。此外，还有 坝体劈裂灌浆等方法，在特殊地基情况，如岩溶地基，其灌浆方法也比较特殊。总之，我 4 广西大学硕士掌位论文小峰才蚌病险分析及防渗加固新方案探讨研究 国在土石坝加固处理方面己摸索出一套行之有效的方法。但对某些技术适用条件还有待于 进一步完善，如高压喷射灌浆在不同土体中的渗透性等。 1 3 问题的提出及本文研究的主要内容 我国绝大多数水库建于“大跃进”、“文革”期间，由于大多是“三边”工程，没有 比较具体的理论去指导，因而遗留隐患较多，形成了水库防洪标准低、工程质量差、病险 隐患多等不利局面，给水库防洪调度带来很大困难。而且，有一些水库是位于城市、交通 线干线上游，更是防汛中的重中之重。因而，本文利用有限元原理，结合小峰水库的实际 情况，运用有限元软件对坝体进行应力应变分析，分析坝体的应力分布及变形情况；对小 峰水库渗漏问题，本文对其导流洞的渗流通道进行了模拟分析，从而根据结果有针对性的 进行堵漏；且针对小峰水库在加固效果不理想的情况下，在结合上述的防渗加固方法后， 提出了一种新的防渗加固方法，并通过分析计算说明其合理性。 土石坝工程是依据是其自身的重力来实现蓄水的，对地基的要求不是很高，由于种种 原因，上个世纪所修建的土石坝水库往往是三边工程，只能粗步的验证其合理性，但 对坝体内部的应力分布确不是很明了，而且对于坝体可能出现的破坏区域也是基于经验。 同时，由于材料及施工方法的原因，往往在坝体自身出现较大的渗流，而导致险情的出现， 而目前的计算渗流的方法也已经由从前的水力学法扩展为通过有限元进行计算，不仅快捷 而且精度非常高，这对于对水库的渗流模拟提供了便利，通过对小峰水库渗流通道的模拟， 可以更好的有针对性的去实施防渗加固，达到事半功倍的效果。目前，对土石坝的防渗大 多采用复合土工膜、高压旋喷、水力劈裂等来进行灌浆，达到防渗的目的，但也由此存在 的一些缺点，例如，灌浆半径有时不是太大，出现吸水不吸浆的现象，且在坝基岩面，其 灌浆水泥防渗墙受到很大的水平应力作用，墙两面的压力不一样，导致拱效应出现等现象， 本文在经过比较上述所述防渗方法所出现的问题后，针对小峰水库灌浆效果不理想的情 况，采用一种新的防渗方法，即高压定向化灌法，采用化学浆液，进行定向喷射，可以铸 成一道弹性模量极低的防渗膜，这种膜极富有弹性，可以很好的满足膜两边的土体变形， 且防渗系数极低，又可满足其防渗要求。 广西大掌硕士掌位论文d 、峰水库病险分析a 防渗加固新方案探讨研究 第二章土石坝的病害及处理技术 2 1 土石坝病害 所谓病害，是指由于勘测设计不周、施工质量不良和管理运行不当等内因，以及水压 力、地震、战争等外因，使坝及枢纽建筑物发生缺陷病害以致存在潜在的危险。根据病害 的特点可归纳为两类：一为结构及构造性病害，其发病机理主要是结构强度、稳定和刚度 不足，以及构造措施不合理；二为渗漏性病害，病害机理主要是坝体及其接合体抗渗性能 不足。前者主要包括滑坡、沉陷、裂缝、护坡排水设备和溢洪道问题等，后者主要包括坝 体渗漏、坝基渗漏、绕坝渗漏、涵洞周围渗漏和白蚁洞穴渗漏等。土石坝病害中，坝体裂 缝、建筑物裂缝、坝体坝基漏水、上游护坡冲刷破坏以及白蚁洞穴等占的比重较大。 形成坝体裂缝和渗漏的原因是多方面的，由于土石坝为散粒体组成的挡水建筑物，防 渗体用粘土心墙或斜墙、钢筋混凝土面板等，而基面的地形不规则、地质不均匀、碾压质 量等因素，使断面间的沉陷( 包括固体沉陷) 不同，引起水平向( 包括垂直河向与顺河向) 的 拉应力，从而引起接近垂直坝轴线方向和平行坝轴线方向的裂缝或面板止水的开裂。其中 以接近垂直坝轴线方向的裂缝危害较大，它使防渗体产生裂缝或面板止水歼裂等，引起渗 透破坏。土石坝在施工期和蓄水期的变形往往占总变形的6 0 7 0 ，也就是说有3 0 到4 0 的后期影响，由土石坝原型观测资料分析表明：后期变形对土石坝防渗体的强度、稳定和 裂缝有显著影响。此外生物的影响，主要包括老鼠等动物和树木等植物造成的土体洞穴， 也是引起渗透破坏的因素之一。还有坝体受波浪的冲击导致上游护坡冲刷和淘蚀而损坏， 主要是由于干砌石的厚度不足、下垫层设计不合理、混凝土和浆砌石护坡厚度太薄、裂缝 太宽、排水孔失效等造成。 2 2 土石坝防渗加固技术综述”“2 3 j 一、土坝坝体劈裂灌浆加固技术 在最近几十年，用灌浆的方法处理地基基础已得到广泛的应用。目前在灌浆理论和施 工方法上，已经发展到相当成熟的阶段。但是，用灌浆方法处理土坝坝体的变形稳定和渗 透稳定问题，由于历时较短，理论上还不成熟，灌浆工艺上存在不少问题。 所谓土坝坝体的劈裂灌浆，即沿坝轴线布罱灌浆孔，利用灌注泥浆的压力，有控制性 的将坝体劈开，并灌注泥浆，使之形成一道近于竖直并连续的浆体防渗帷幕，解决土坝坝 体的渗透稳定问题。同时通过灌浆压力的劈裂挤压作用，补充土坝坝体某些局部土区的小 主应力不足，恢复坝体的应力平衡，解决变形稳定问题。 1 、土的可灌性分析 对地基砂砾石层的灌浆，有的是通过渗透和挤压劈裂两种形式实现的，有的是以其中 一种形式出现。实践证明，通过提高灌浆压力，能使上述两种形式同时出现，且效果更好。 小峰水库病险分析及防渗加固新方案探讨研究 人们对灌浆劈裂土体的机理进行了试验，得出以下结论： 第一，灌浆压力作用下的粘土泥浆，在具有大孔隙的卵石和粗砂层中，当灌浆压力超 过一定值时，以渗透和劈裂两种形式出现，对具有小孔隙的细砂，只能以劈裂的形式存在， 而不会以渗透的形式存在。 第二，只有在地层土壤可能变形的情况下，才能更好地发挥粘土浆的可灌性。如果企 图减小或消除这种地层的变形，而采用降低灌浆压力的方法，那么其可灌性就会很差，甚 至劈裂、渗透两种形式都不会出现，达不到灌浆的目的。 2 、灌浆压力与劈裂土体应力的关系 弹性地基岩体中的灌浆孔通常受垂直向主应力q ，水平向主应力仃，、吧作用。当孔 内灌浆压力增大时，在岩体中可能发生两种形式的劈裂：一种是水平向劈裂，这种劈裂在 岩体中的孔隙水压力可以忽略不计，当灌浆压力p q + 盯，( 盯，为岩体的抗拉强度) 时， 将发生劈裂，且在岩体呈水平分层的情况下尤其容易发生；另一种是纵向劈裂，如图2 一l 所示，在从主应力盯，的方向只偏e 角的平面上，根据弹性理论，孔壁面切线方向拉力盯为： ( r ，= p 2 + c r 3 一p ) 一2 p 2 一盯3 ) c o s 2 口 ( 2 1 ) 当o = 0 时，口值为最小，即 盯f = 3 盯3 一盯2 一p 当p 3 c r 3 一盯2 时，盯，为负值，出现拉应力； 作用方向) 发生裂缝，如图2 一l 所示。 i o ， l 1 ( 2 2 ) 当p 3 口3 一盯2 + 盯，时，在纵向上( 大主应力盯2 。， 图2 1 钻孔应力示意图 f i g 2 1s k e t c hm a po fd r i l l e dh 0 1 e ss t r e s s 在进行土坝坝体粘土心墙灌浆时，可以认为泥浆在坝体心墙内是以劈裂的形式存在， 因为心墙的粘性土质决定了泥浆很难以渗透的形式渗透到坝体土内。但如果在坝体内有洞 广西大掌硕士掌位论文小峰水库病险分析及防渗加固新方案探讨研究 穴或裂缝时，泥浆也会以充填的形式存在，在很疏松的回填土体中，也可能出现劈裂和渗 透两种形式，但总以劈裂为主要形式。泥浆劈裂坝体的裂缝方向和坝体的三个主应力方向 有关。通常，坝体的三个主应力方向如图2 2 所示，其中a ， 仃： 仃。，故一般坝体劈裂方 向都是沿轴线方向，即劈开小主应力面。实际中的土坝情况比较复杂，可能沿其他面劈开， 尤其是在岸坡段和地基突出的坝段。 由于土坝坝体在沿坝轴线附近容易出现弱应力区，有可能引起水力劈裂的隐患。 o 图2 2 土坝坝体主应力示意图 f i g 2 2s k e t c hm a po ft h ef i r s ts t r e s so fe a r t hd a m 3 、坝体灌浆的功用 坝体灌浆有如下一些功用： ( 1 ) 充填裂缝或洞穴、恢复坝体的完整性及发挥防渗作用 ( 2 ) 改善坝体内的应力条件增加其稳定性 ( 3 ) 消除坝内管涌、接触冲刷和拉应力 在坝的两端，由于压缩层厚度的差异将产生不均匀沉降和指向河谷的纵向位移，导致 出拉应力区，从而产生纵向裂缝，在河床段，对心墙坝则可能出现拱效应作用，从而产生 水平裂缝，对坝内埋管，也可能由于变形的差异而出现沿管壁的裂缝或拉松区。上述情况 的存在，都将导致坝内发生管涌或接触冲刷。在以上出现裂缝的坝段灌浆，可以起到充填 裂缝、消除管涌或接触冲刷的作用，另外，由浆和坝的相互作用及促使该坝段的变形，能 消除灌浆坝段内的拉应力。 二、高压喷射灌浆防渗技术 1 、基本原理 高压喷射灌浆于1 9 6 8 年首创于日本，它是在静压灌浆的基础上，引进水力采煤技术 而发展起来的。其原理是利用射流作用切割搅动地层，改变原地层的结构和组织，同时灌 入水泥浆或复合浆形成凝结体，借以达到加固地基和防渗的目的。高压喷射灌浆技术是用 钻机造孔，再将带有喷头的灌浆管下到预定位置的地层，用高压水泵把水经过灌浆管所形 成高压高速水、气射流从喷嘴中同轴喷射，直接冲击、切割、粉碎、剥蚀地层，地层破坏 后剥落下来的土石料湿化崩解、升扬置换，而灌注的水泥浆或其他复合料浆液中，胶凝颗 广西大学硕士掌位论文d 、峰水库病险分析反防渗加固新方案挥讨研究 粒表面的强烈吸附活性与破坏地层的土石颗粒之间发生充分的强制性搅拌混合，凝结硬 化，充填挤压，移动包裹，从而形成坚固的凝结体，凝结成结构密实、强度大、有足够防 渗性能的多种材料凝结体或结石。凝结体的形状与喷射形式和喷嘴移动方向及持续时间有 密切关系。喷射形式一般为旋( 旋转喷射) 、定( 定向喷射) 、摆( 摆动喷射) 三种。喷射时， 若一面提升，一面旋转，则形成柱状体；面提升，一面摆动，则形成似亚铃体；- 当喷嘴 一面提升一面喷射，喷射方向始终固定不变时，则形成板状体，如图2 3 所示： ，、 ：) 、 、- i ( a )( b )( c ) ( a ) 旋喷体( 桩) ；( b ) 定喷体( 板墙) ； ( c ) 摆喷体( 板墙) ( a ) r e v 0 1 v a b l l y( b ) d i r e c t i o n a l l y( c ) u n d i r c e t i o n a l l y s p u r t e db o d ys p u r t e db o d ys p u r t e db o d y ( c 0 1 u m n i a t i o n )( w a l l )( w a l l ) 图2 3 旋、定、摆凝结体示意图 f i g 2 3s k e t c hm a po fd i f f e r e n t l ys p u r t e dc o n c r e t e db o d y 2 、分类 按高压喷射灌浆的基本方法有：单管法、二管法、三管法和多管法。根据喷射介质的 不同，高压喷射灌浆又可分为单介质喷射、双介质喷射及多介质喷射等。 3 、高喷防渗凝结体的性能 ( 1 ) 物理力学性能 凝结体的物理力学性能主要取决于采用的工艺参数、灌浆材料及地层组成的颗粒成份 和级配等条件。用纯水泥浆在砂砾层中经升扬置换和掺搅形成水泥砂浆凝结体，在粘土层 中凝结体的性状相当于水泥土。用水泥粘土浆灌注在砂砾层中形成水泥粘土砂浆凝结体， 在粘土层中形成的凝结体性质也相当于水泥土。高压喷射灌浆形成的凝结体的组成成份是 不均匀的。从横截面看，定喷凝结体主要分板体层、浆皮层、渗透凝结层。摆喷和旋喷形 成的凝结体，从横断面上看其组成虽不象定喷凝结体差异那么大，但从浆液及颗粒分配上 也有差异。在相同工作条件下，摆喷和旋喷凝结体浆液成分含量常比定喷凝结体小，因而 凝结体的防渗性能，定喷最强，旋喷最差，摆喷介于身两者之间。对同一种喷射形式，凝 结体质量受喷嘴转动速度、提升速度以及浆液质量的影响。 ( 2 ) 凝结体的结构特性 高压喷射灌浆凝结体是否稳定，主要从两方面考虑：其一是渗透稳定性，其二是结构 小峰水库病险分析a 防渗加固新方案探讨研究 稳定性。喷射灌浆所形成的凝结体，其渗透情况既不同于混凝土，也不同于粘性土，确定 渗透破坏比降时，允许产生正常渗透，以不致造成渗蚀或剥蚀为准。因为水泥中掺加土成 份产生的凝结体，属于稳定性体系，较之粘性土，自身有较高的强度，不致产生剥蚀，即 使在无反滤保护的情况下也不易产生渗透破坏。高压喷射灌浆形成的凝结体虽呈连续板墙 状，但其外形既不象机械造槽浇筑形成的混凝土防渗墙那样规则，也不象静压灌浆法浆液 扩散距离远且形成的防渗体不完整不均匀，高喷的凝结体在渗透和结构稳定方面，有着独 特的稳定性。首先，高喷形成的防渗体，无论是定喷或旋喷，多呈复合型，具有良好的防 渗和结构性，渗水先经渗透凝结层，再进入防渗性极强的浆皮层，最后才能达到呈木纹状 的墙体核心，然后沿着相反的层次穿过防渗体。由于是多层复合体，消减渗水压力作用极 为明显。其次，高喷形成的板墙状防渗体，弹性模量较低，有较强的变形适应性。防渗体 的弹性模量，不仅使用水泥粘土浆时较低，即使采用水泥浆，由于地层中的细泥成份被携 带掺入浆液中，形成凝结体的弹性模量也较低，因此适应变形的能力较强。 三、套7 l 冲抓回填防渗技术 套i l 冲抓回填法是在土坝坝体内修建防渗墙，属桩柱式防渗墙。此项防渗技术主要在 土坝渗漏坝段，沿坝轴线或坝轴线上游一米处单排布孔或双排布孔，利用冲抓钻头造孔， 在套孔回填粘性土，经夯实后，形成一道连续的粘土防渗墙。该法优点较多，防渗效果好， 机械简单，施工方便，质量易控制，工效高，回填料易就地取材，投资少。其缺点是回填 料量较大。 冲抓套井回填粘土心墙处理土坝渗漏设计，主要包括钻孔平面套接布置、孔距、孑l 深、 排距和防渗墙的厚度计算等。若采用单排布孔，在坝轴线或坝轴线上游侧按主、套井相问 布置，一主一套相交连成井墙。若采用单排布孔防渗效果达不到要求，则可打双排孑l ，如 图2 4 。钻孔排数可根据土坝所需的防渗墙有效厚度t 应大于防渗墙承担的上下游最大水 头差对粘土防渗的允许渗透坡降j ( 粘土的i 为6 8 ) 的比值来确定。 23 4 1 一主孔；2 一套孔；3 一套接处；4 一坝轴线 l m a i nh 0 1 e ；2 一a s s i s t a n th o l e ； 3 一o v e r l a pp a r t ； 4 一t h ea x i a ll i n eo fd a m 图2 4 钻孔平面套接布置图 f i g 2 4s k e t c hm a po fd r i l l e dh 0 1 e sl o a c a t i o n 四、射水造槽法修建混凝土防渗墙技术 广西大学硕士掌位沦文4 嶙水库病险分析及防渗加固新方案探讨研究 1 、概述 混凝土防渗墙是土石坝砂砾石坝基防渗加固的主要措施，不仅如此，混凝土防渗墙也 是混凝土闸坝夹砂层中，粒径为8 1 0 c m 孤石和粒径为l 2 c m 漂石卵石地层基础防渗防 液化的处理技术。混凝土防渗墙的设计首先应满足防渗，有效截断渗流，减小渗流坡降、 出逸坡降、渗流坡坏和渗流量，据此选择墙型、材料、施工工具和方法。同时，墙体在水 压力、土压力或其他荷载作用下，应满足抗压、抗拉、抗剪等强度要求。 2 、原理 射水造槽法构筑混凝土防渗板墙的基本原理，就是利用高压水射流，切割破坏地层， 然后水流将搅拌起来的泥沙携带出地面而形成槽孔，再用水下混凝土直管浇筑法在槽孔内 浇筑混凝土，形成混凝土防渗板墙。 五、复合土工膜防渗技术 土工合成材料在工程中的基本功能有：过滤、排水、隔离、加筋和截水等。在有渗流 的情况下，利用定规格的土工合成材料铺设在被保护的土上，可起到与一般砂砾反滤层同 样的作用，既允许水流畅通，同时又能阻止土粒移动，从而防止发生流土、管涌和堵塞。 复合土工膜是非机织型土工织物与土工薄膜通过挤压、滚压或喷涂等加工工艺合成， 其结构有一布一膜、二布一膜等类型。薄膜主要起防渗截水作用，而织物既能起排水又能 起到弥补薄膜自身强度的不足和保护薄膜的作用。 在透水地基上建造土石坝，斜墙( 心墙) 铺盖乃是一种较为普遍常见的形式。采用复合 土工薄膜作斜墙( 心墙) 铺盖的主要材料时，主要在于复合土工膜的主膜渗透系数通常为 1 0 1 1 c m s ，远比粘性土( k = 1 0 “1 0 c m s ) 的渗透系数要小，而且，复合土工薄膜具有 较大的弹性或塑性变形，为粘性土所不及。 l 、土工膜和坝体材料问的作用机理 当土工膜在土石坝中用作防渗体时，主要依赖薄膜两侧坝体材料对它的支撑。由于其 所处的位置不同故作用机理亦不一样，由于土工膜本身是非常柔软的，且相当不透水，故 当水库坝体承受作用水头时，土工膜仅起防渗作用，而将水压力几乎全部传给支撑它的那 部分坝体，该部分坝体受水压作用后发生变形，防渗土工膜亦随之发生位移。 当土工膜置于坝体中间作防渗体时，由于土工膜两侧坝体材料的性质基本一致，因而 在竖向沉降时上、下游坝体的变形将基本相同，对中间的土工膜，虽然其材料特性和坝体 材料差别甚远，但因土工膜相当柔软，故随坝体竖向沉降土工膜亦相应下降，折曲在坝体 中，产生相对位移的可能性甚小，土工膜和坝体材料两者位移基本协调。对于坝体的水平 位移，土工膜随坝体产生拉伸应变，由于土工膜为整体结构且具有一定的抗拉强度，即对 坝体位移产生抑制作用。抑制作用的大小，将取决于土工膜的抗拉性能，强度越高则抑制 作用也越大，相反则小。 对于土工膜置于坝面或连同粘土心墙作组合防渗体的情况，土工膜两侧的坝体材料性 广西大掌硕士掌位论文 d 、峰水库病险分析及防渗加固新方案探讨研究 质有较大差异，此时两侧坝体产生的竖向沉降和水平位移相差甚多，对于土工膜而言，虽 然它十分柔软，随坝体变形而移位，但因其两侧变形量之不同，同时，土工膜与心墙土料 和坝壳材料问的摩擦系数亦不一致，故土工膜将与摩擦系数大的一侧同时滑移，而摩擦系 数小的一侧因具有一定的摩擦力而产生抑制作用。与此同时，土工膜随坝体各部位的位移 不同而产生拉伸应变，这将由土工膜的抗拉强度来抵抗。相反，土工膜的抗拉强度将抑制 坝体的变形，这是相辅相承的。 土工膜置于两种不同介质之中，必然遭受坝体材料的挤压，则土工膜将可能在粗粒材 料的孔隙中产生顶破及被尖锐棱角穿刺，顶破和穿刺的程度取决于法向压应力的大小，支 撑材料的形状和大小以及土工膜自身的强度和伸长率，若土工膜受力弯曲变形达到并超过 其极限伸长率或者超过其抗拉强度，土工膜即发生破裂，或者土工膜的抗穿刺力小于其问 的接触力时，土工膜将刺穿，丧失抗渗作用。 2 、土工膜的选择 良好的均匀性和防渗性能是选择土工膜的首要问题，一般塑料制品，尤其是热压塑料 制品，质地比较均一，渗透系数也较合成橡胶小，工程中选用较多。涂塑的制品均匀性较 差，选用时需慎重。橡胶制品也有压制的和涂刷的两种，前者较后者优，但橡胶制品渗透 系数一般较塑料制品大，应根据工程具体条件选用。 土工膜的厚度直接影响工程质量，减少渗漏，避免施工破损、水压击穿、地基变形、 撕裂土工膜等都要求土工膜有一定的厚度。除耐水压击破可用计算方法确定膜厚外，还没 有考虑其它因素确定膜厚的方法。根据水压力大小用理论计算的膜厚一般较薄，实用时需 留有较大的安全系数，常用的土工膜厚度一般不小于o 2 5 帅。 复合土工膜可明显增大抗刺破和耐水压能力，重要工程可优先选用。 水头较低的工程可选用较薄的土工膜以降低造价。 为增加土工膜与保护层或支持层的摩擦力，可在制造时加粗土工膜表面，膜外面为针 刺无纺布的复合土工膜不仅可以加大表面粗度，而且可作为排水层和垫层，但造价较高， 宜于重要建筑物选用。 六、振动沉模板墙防渗技术 振动沉模板墙防渗技术是在振动沉桩原理的基础上，经过创新研制成的一种新的构筑 防渗板墙技术。该技术于1 9 9 7 年9 月由中国华水水电开发总公司山东分公司提出的，经 过1 9 9 8 年9 月( 第一次) 和1 9 9 9 年2 月( 中间试验) 两次试验，使其不断改进、完善，并研 发成功了“振动沉模板墙”堤坝防渗新技术的施工设备和施工工艺。 该技术的基本原理是利用施工设备中的振动体系产生强大的冲击动量，将空腹模板迅 速沉入地层，然后注满浆体，当振动提拔时，浆体从模板下端注入槽孔内，迅速填满因模 板上拔而腾出的空间，空腹模板起到了扶壁作用，因此不会出现缩壁和塌壁现象。 小峰水库病险分析及防滔i 加固新方案探讨研究 2 3 各种防渗技术述评1 2 。2 6 j 土石坝发生病害是多种因素共同作用的结果，由于土石坝工程的复杂性，以及土石坝 加固方法很多都有其适用范围、局限性和优缺点，因此，采用某一项加固方法，应对工程 病害情况、加固要求、工程费用以及材料等各方面进行综合考虑。 ( 1 ) 劈裂灌浆加固技术 目前我国劈裂灌浆技术主要用于低坝，8 0 年代的一些机理分析和实践经验证明，用压 力劈裂坝体灌浆的方法是可行的，与传统的充填式灌浆方法相比，具有施工速度快，灌浆 质量好等优点。经过多年的理论研究和工程实践，我国的水利科学工作者做了大量的工作， 并取得了富有成效的成果。如今，该项技术己经比较成熟。它主要适用于均质坝或心墙坝， 以及存在裂缝、下游坡洇湿、漏水，甚至存在渗透变形( 流土、管涌和不同介质结合面形 成的接触冲刷) 的坝体。若坝体存在滑坡裂缝，则不应采用此项技术，对于斜墙坝和面板 堆石坝也不宜用劈裂灌浆。 ( 2 ) 高压喷射灌浆防渗技术 高喷灌浆技术在我国至1 9 8 7 年已应用于1 3 个省的4 0 多项工程中，但处理深度一般 尚未超过2 0 m 。目前，该技术既可用于低水头土坝坝基防渗，也可用于松散地层的防渗、 堵漏、截潜流和l 临时围堰等工程，还可进行混凝土防渗墙断裂以及漏洞、隐患的修补。高 压喷射灌浆防渗加固技术，主要适用于软土层等。 实践证明，在砂类土、粘性土、黄土和淤泥等地层用高压喷射灌浆法进行防渗加固处 理，效果都比较好。对砾卵石直径过大和含量过多及有大量纤维质的腐蚀地层，要慎重应 用，一般应在进行现场试验之后，再确定施工方法。山东水利科学研究院通过多年的研究 认为：一般对含有2 2 0 c m 粒径的砂砾石地层，在强大的升扬置换作用下，仍可实现浆液 袱裹作用，不存在所谓大颗粒背面的漏喷现象，因这种大颗粒在灌浆喷射过程中产生位移， 即大颗粒沿喷射方向产生推移或下沉，使浆液实现有效可靠的袱裹。因此，该法的适用范 围是较广的，不仅在粘性土层、砂层可使用，在砂砾卵石层也可使用。在含较大颗粒的卵 石地层及堆石体中，只要通过相应的辅助措施就能有效地成孑l ，使喷射装置放进去，实践 证明也可使用此法。 高压喷射灌浆防渗加固技术与其它基础处理技术比较，具有适用范围广、设备简单、 施工简便、工效高、有较好的耐久性、料源广、价格低廉、管理方便等优点。但其施工要 求连续性，若工地供电不正常，会给施工带来很大困难，造成人工、材料上的浪费。 ( 3 ) 套孔冲抓回填防渗技术 利用冲击打井锥在土石坝渗漏区内原防渗体中钻孔，一般开孔直径在1 1 0 1 2 0 c m ，用 粘性土料进行分层回填夯实，形成一个连续的截水墙，截断坝身或坝基渗流。此法适用于 不能采用灌浆处理的窄心墙坝坝体裂缝渗漏的处理，它具有设备简易，操作方便，处理彻 底，便于控制施工质量等优点。对心墙坝、均质坝的处理效果都很好。但该法主要适用于 广西大掌硕士掌位论文小峰水库病险分析a 防渗加固新方案探讨研究 水上施工，对水下或浸润线以下施