劈裂灌浆在窄心墙坝中的应用分析优秀毕业论文.pdf

分类号密级 u d c 硕士学位论文 劈劈裂裂灌灌浆浆在在窄窄心心墙墙坝坝中中的的应应用用分分析析 学 位 申 请 人：张雨 学科专业：水利水电工程 指导教师：肖尚斌教授 赵家成副教授 二一一年五月 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 adissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science in engineering applicationanalysis on the fracture grouting in the heart of narrow wall graduate student:zhang yu major:hydraulic and hydro-power engineering supervisors:prof. xiao shangbin a. prof. zhao jiacheng china three gorges university yichang, 443002, p.r.china may, 2011 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 三峡大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明 确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： i 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 内 容 摘 要 劈裂灌浆是土石坝加固领域中一种新技术， 主要用来解决土石坝的变形稳定和渗 透稳定问题，属我国独创。自八十年代推广以来，收到了巨大的经济和社会效益。劈 裂灌浆技术不论在施工工艺还是在理论研究方面均取得了不少进展，但由于历时较 短，土石坝劈裂灌浆理论还不够成熟。近年来，随着土石坝劈裂灌浆的迅速发展，目 前土坝坝体灌浆的应用范围和高度都超出了 sd266-88土坝坝体灌浆技术规范的 规定。为了促进该项技术的发展和完善，有必要增强研究。本文旨在提出劈裂灌浆应 用中一些问题产生的原因，探讨解决方案，为劈裂灌浆防渗加固工程的施工和设计提 供指导，同时进一步推动其理论的发展，使其在我国病险土石坝加固中发挥更重要的 作用。 本文在总结前人研究成果的基础上，主要研究和探讨了以下几个方面的内容： 1、很多坝体经劈裂灌浆处理后帷幕太薄，而且不能连续，形不成防渗帷幕。本 文研究此问题产生的原因，并结合实际工程提出了解决问题的方法。主要有：结合现 场实验，设计合理的灌浆压力与足够灌入量；设计的孔深一般要比规范中大 23m, 适当加密孔距；考虑足够的帷幕厚度。 2、结合宜昌的十字沟水库的除险加固工程，讨论了劈裂灌浆在窄心墙坝中的应 用问题。本工程中采用了与一般宽心墙坝和均质坝相同的方案，孔底注浆。施工严格 遵守规范要求。施工结束后，效果达到要求。通过方案对比以及效果检查证明劈裂灌 浆可以用于窄心墙坝，并且不需要特殊的工艺。为拓展劈裂灌浆的应用范围和以后的 工程提供参考和建议。 3、用来计算渗流的水力法，适用范围过窄，与实际情况出入过大。用渗流软件 计算劈裂灌浆前后的渗流状况，与宜昌十字沟水库除险加固工程对照，效果理想。具 体表现在：通过软件计算得出加固后渗流量下降到 2.83.3m3/d，实际测得加固后渗 流量在 2.02.5m3/d，计算结果与实际基本吻合；计算显示加固后逸出点下降 23m， 与加固后坝外坡冒水现象消失显示的结果相一致。 关关键键词词：劈劈裂裂灌灌浆浆渗渗流流计计算算有有限限元元窄窄心心墙墙坝坝 ii 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 abstract split grouting is a new technology in reinforcement of embankment dam field. it mainly used to solve the deformation, seepage and stability problem of embankment dam, which is an original creation from china. it has received huge economic and social benefits since its promotion in 1980s. the technology of split grouting has made considerable progress not only in the construction process but also in the theoretical studies. however, the theory of split grouting of embankment dam is not mature enough because of its short duration. in recent years, with the rapid development of split grouting of embankment dams, the range of application and height of grouting of embankment dams are beyond the sd266-88 standard of grouting technology in earth dam. in order to promote the development and perfection of the technology, there is a need to strengthen related studies. this dissertation proposes the causes of application of grouting to explore solutions and provide guidance for the construction and design of split grouting and reinforcement. the aims are not only to put forward some problems in the application of splitting grouting , but also to give some solutions and provide guidance for the construction and design of splitting grouting reinforcement engineering. the contents of this dissertation are as follows. 1. after split grouting, lots of dams slurry is too thin and not continuous to form an impermeable curtain. based on analyzing the causes of this problem and combing with practical engineering, this dissertation attempts to provide new methods to solve the problems. for example, taking enough grouting pressure and the grouting quantity according to the field experiment, designing the hole of 2 3 m deeper than the value required by the standards, and using wide curtain. 2. taking the shizigou reservoir of yichang city as an exmple, this dissertation discusses the application of split grouting in the narrow core of embankment dam. the project adopted the same solutions which are frequently used in relieved wall dams and homogeneous earth dams, and carried out grouting at the bottom of the hole and abiding by the requirements specification of the construction strictly. the construction effect meets the requirements. it shows that the splitting grouting can be used in narrow core wall dams without any specialtechnology. it will expand the range of the application and provide references and recommendations for future engineerings. 3. the applicable range of hydraulic method, which is used to calculate the seepage, is iii 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 too narrow and does not accord with the actual situation. this dissertation builds models calculate the seepage before and after split grouting, and compares with the practical engineering to test the effects. it is effective according to the reinforcement results applied in the shizigou reservoir, which appear in two aspects: (1) the seepage flow down to 2.83.3 m3/d calculated by the software, which approximates to the actual value of 2.02.5 m3/d after the reinforcement; (2) the computational results show that escaping points after reinforcement decline 2 3m, which is according with the disappearing of water springing out of the dam slope after reinforcement. keywords: split grouting; seepage calculation; finite element; narrow core dam iv 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 目 录 内内 容容 摘摘 要要 . i. i abstract. iiabstract. ii 目目 录录. iv. iv 1 绪论绪论. 1. 1 1.1 研究的背景及意义 .1 1.2 土石坝工程概况和主要问题 .1 1.3 劈裂灌浆的产生由来及发展应用现状 .2 1.4 本文研究的内容与方法 .5 2 劈裂灌浆的帷幕问题的探讨劈裂灌浆的帷幕问题的探讨 . 6. 6 2.1 劈裂灌浆中帷幕问题的描述 .6 2.2 劈裂灌浆中帷幕产生问题的分析 .6 2.3 工程实例.9 2.4 结论及建议 .13 3 劈裂灌浆在窄心墙水库中的应用分析劈裂灌浆在窄心墙水库中的应用分析. 18. 18 3.1 劈裂灌浆在窄心墙坝中的应用 .18 3.2 十字沟水库简介及病因分析 .18 3.3 灌浆设计.21 3.4 灌浆施工 .22 3.5 灌浆控制 .24 3.6 灌浆效果 .24 3.7 结语 .25 4 用渗流计算软件分析十字沟加固后的效果用渗流计算软件分析十字沟加固后的效果. 28. 28 4.1 传统的水力学法计算帷幕厚度 .28 4.2 十字沟水库工程 .32 4.3 模型分析 .33 4.4 坝坡抗滑稳定计算 .49 4.5 结论 .53 5 结论与展望结论与展望 . 54. 54 5.1 创新点与主要结论 .54 5.2 展望与下一步的工作 .54 v 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 致致 谢谢. 55. 55 参考文献参考文献. 56. 56 硕士期间发表的论文硕士期间发表的论文 . 59. 59 1 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 1 绪论 1.1 研究的背景及意义 劈裂灌浆是我国在上世纪 80 年代初独立自主研发的一种灌浆技术。它是利用水 力劈裂原理和土石堤坝本身应力分布特点创造出的一种新型灌浆工艺。 它主要是用一 定的灌浆压力，将坝体沿轴线方向劈裂，同时灌注合适的泥浆，形成垂直连续的防渗 泥墙，使坝体应力重分布，提高坝体的稳定性。较其它的防渗加固处理技术具有机理 明确，设备简单，工艺简单，容易操作，浆料可就地取材，无环境污染，效果好，造 价低，适用范围广的特点1。 随着劈裂灌浆在实际中应用的越来越多，劈裂灌浆产生的效益也越来越明显。但 是从劈裂灌浆产生之初到如今，历时较短，在理论和应用上还存在很多问题。 （1）很多坝体经劈裂灌浆处理后帷幕太薄，而且不能连续，形不成防渗帷幕。 有人认为在进场道路狭窄，较大机械又无法进入水库坝区的小（2）型水库坝体应急 处理时，可以用劈裂灌浆。其它情况不建议使用劈裂灌浆。 （2）劈裂灌浆在实际应用中被证明是一种很经济和实用的方法，并且很适合中 国国情。但目前的规范限制了劈裂灌浆的适用范围。急需通过合理的研究并通过实例 拓宽其适用范围。 （3）用来计算劈裂灌浆帷幕厚度的水力法，适用范围过窄，计算结果精确度不 高。随着劈裂灌浆适用范围越来越广，工程条件越来越复杂，这种方法将不能满足实 际工程的需要。 因此，用实际工程做为例证，研究劈裂灌浆帷幕问题产生的原因，讨论劈裂灌浆 在窄心墙坝中的应用，并提出合理的建议，为以后劈裂灌浆的应用提供参考，具有重 要的理论意义和实际应用价值。 1.2 土石坝工程概况和主要问题 土石坝工程是最常见的坝型，坝高从几米到 300 米。我国已建成数以万计的土石 坝。土石坝的经济性和适应各种地形条件的优势，占各类坝型的第一位。随着施工理 论和施工技术的提高，土石坝的建设已经没有任何条件的制约，显示了土石坝工程明 显的优势和强大的生命力2。 美国的高土石坝最多；前苏联水利开发比较早，如在 70 年代建成了坝高 325m 的罗贡坝，创下了坝工建设的纪录；加拿大在 1972 年完成了高达 242m 的买卡坝； 此外土耳其、墨西哥等国家的高坝也绝大多数为土石坝3,4。现在，我国土石坝建设 水平和技术不断提高和发展，特别是上世纪 90 年代以来，随着我国社会经济的发展， 水利水电工程建设迅猛发展，土石坝坝高开始向 300m 级高度研发和建设，筑坝技术 2 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 难题的攻克，使我国积累了很多的工程建设经验，并在理论上有所突破5。 现在全世界有 40 余万座水坝，对下游有潜在危险的坝约有 15 万座。国际大坝委 员会对大坝安全问题非常重视。1979 年第十三届大会列入了大坝的老化和失事的议 题；1982 年第十四届大会加入了运行中大坝安全的议题。我国从 1975 年 8 月河南发 生大洪水致使板桥、石漫滩两座大型水库溃坝失事后，美国从 1976 年提堂（teton） 坝初次蓄水发生溃坝失事后，都开始对各类大坝的安全进行检查，并对病险逐步进行 了加固处理。 我国溃坝总数约 2000 多座，其中大多数是区，乡自建的小型水库。在溃坝总数 中，运行期溃坝占 74%，施工期溃坝占 26%。其中经过很好勘测设计和按规范施工 的板桥、石漫滩两座土石坝，因洪水漫坝而失事；其它溃坝的都是由于草率设计施工 的小坝。失事原因比例为，洪水漫坝 51.75%，坝体漏水占 22.7%，坝基漏水占 1.3%， 溢洪道基础漏水与混凝土或砌石冲刷占 6.6%，隧洞漏水占 4.5%，隧洞衬砌破坏占 0.8%，坝体滑坡占 2.6%，工程管理不合理占 4.2%，库区或坝头塌岸及其它占 4.6%， 原因不明占 1.2%6。我国已修建各类堤防约 2.6105km，很多工程质量较差。现有水 库 8.5 万座。根据水利部 1994 年的检查资料7，在 374 座大型水库中，病险水库有 111 座（约占 30%） ；在 2500 座中型水库中，病险水库有 670 座（占 26.8%） ；8 万多 座小型水库中，病险水库约有 40%。1998 年长江流域发生特大洪水，除个别江堤决 口外，共发生险情 9405 处，其中发生管涌流砂有 7548 处。各地堤防与土坝的重大 险情不断发生，保堤、保坝成了汛期的头等大事8。 经过几年努力，我国虽然处理了一部分病险水库，但水库数量大且问题多，除险 加固的任务依然非常限巨。为了保证我国的经济建设建设，减少洪水造成的危害，病 险水库和江河大堤的除险加固迫在眉睫7。 很多学者对土石坝事故原因进行分析， 其中由于渗透破坏而造成土石坝事故的占 全部事故的 30%40%，比重很大，因此他们非常重视土石坝的防渗加固9。 土坝存在的问题主要表现为渗漏、滑坡和裂缝。概括起来是一防渗加固的问题， 一般处理防渗的原则是“上堵下排”。上堵的措施有垂直防渗和水平防渗。垂直防渗有 混凝土防渗、高压喷射灌浆防渗、劈裂灌浆防渗、冲抓套井回填防渗、倒挂井防渗、 土工合成材料防渗、射水造孔混凝土墙防渗和岩溶帷幕灌浆防渗等。水平防渗有人工 粘土铺盖和利用天然铺盖等。 并结合下排的措施有： 在坝体背水坡脚附近开挖导渗沟、 减压井和盖重压渗等10。垂直防渗技术中的劈裂灌浆防渗是我国独创的一门新技术。 1.3 劈裂灌浆的产生由来及发展应用现状 1.3.1 劈裂灌浆的产生由来 劈裂灌浆是由充填灌浆发展而来。充填灌浆是以处理堤坝已有的隐患为出发点， 3 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 以充填渗透为理论基础。 在灌浆的过程中， 不允许产生新的裂缝和使原有的裂缝扩大。 实际上这是很难做到的，一是钻孔时不一定就正好打在裂缝和洞穴上；二是在一些质 量不好的堤坝泥浆柱重即可将堤坝劈裂。 后来在工程实际中，用充填方式灌浆，尽管灌浆压力很小，但在灌浆过程中坝体 还是被泥浆劈裂而出现裂缝，或使坝体内原有的裂缝扩大。但经检查发现，劈裂后形 成的浆脉基本竖直连续，浆脉厚度从几厘米到三四十厘米，最大厚度达八十厘米多。 经验证，灌浆能够劈裂坝体并能够形成垂直连续的浆体防渗帷幕，并把这种方法命名 为劈裂灌浆法1。 1.3.2 劈裂灌浆的发展及应用现状 1.3.2.1 劈裂灌浆的发展历程 上世纪 50 年代，在国外开始用粘土灌浆的方法充填坝体已有的裂缝。1953 年美 国水土保持局用泥浆充填一些小坝的裂缝，并取得了一定的效果。当时由于人们担心 泥浆充填的裂缝会干涸而再次开裂，致使这项技术没能得到总结和提高。在 60 年代 末挪威的海提尤维特（hytrejuvet)坝与英国的巴尔德赫德（baldethead)坝，发现心墙 裂缝后，采用充填式灌浆的方法进行处理，但是效果不理想；美国在 1970 年也采用 灌浆的方法加固了希尔克里格坝，该坝建成后在心墙和山坡接头处出现漏水；此处， 西班牙的阿尔庞土坝、墨西哥的勒克萨坝都采用过灌浆的方法处理渗漏问题6。 新中国成立之初，首先在黄河大堤上用刚钎探测隐患后进行灌浆，取得了比较好 的效果，然后在一些中小型水库土坝上进行充填式灌浆，到了 70 年代，这项技术开 始用于加固一些大中型水库的坝体隐患。充填式灌浆是以加固堤坝已有隐患为出发 点，以充填渗透为理论基础，其工艺措施是用钻具锥探堤内已有的裂缝和洞穴，然后 进行灌浆，并在灌浆过程中，不允许产生新的裂缝或者使原有的裂缝扩大，但实际上 很难达到。由于这种灌浆技术未从产生堤坝隐患的原因入手，所以有些堤坝经几次灌 浆效果仍不理想1。 在上世纪 70 年代后期，人们总结了充填灌浆的经验和教训，分析了坝体裂缝成 因和灌注泥浆劈裂坝体的规律，提出了土坝坝体劈裂灌浆理论。劈裂灌浆与充填灌浆 有本质的区别，坝体劈裂灌浆是从产生隐患的原因入手，根据土坝的几何形状与应力 分布规律，根据坝体小主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， 灌注合适的防渗压力泥浆， 通过浆坝互压和坝体的湿陷固结等作用， 使所有和浆脉连通的裂缝、洞穴、水平疏松层等隐患得到充填挤压密实，形成竖直连 续的防渗帷幕，改善坝体内部的应力状态，解决坝体的渗透稳定与变形稳定问题。 “土坝坝体劈裂灌浆防渗技术的研究”是原水利电力部 19811984 年的攻关课 题，由山东省水利科学研究所承担。在 1978 年和 1981 年对西埠和黄前两座水库土坝 4 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 进行了大型原体劈裂灌浆试验，并在坝体内埋设了大量的土压力盒、孔隙水压力计、 测斜仪和沉降位移观测点等观测仪器。该项技术 1984 年获水电部优秀科技成果二等 奖，1985 年因经济效益显著等优点，在全国 20 多个省（自治区、直辖市）进行了推 广应用， 并取得了较好效果。 据中国水利学会施工专业委员会劈裂灌浆学组统计资料， 已应用于 3000 余座病险堤坝的加固补强，既能起防渗作用，又能提高坝体密实度改 善坝体应力分布，增加小主应力，因而提高坝料的抗剪强度11。 为了使该项技术做到有章可循，水利部水管司在 19811986 年期间还多次组织 国内堤坝灌浆和具有灌浆实践经验的工程技术人员经过反复讨论，于 1988 年制定出 了 sd266-88土坝坝体灌浆技术规范 ，对土坝坝体劈裂灌浆的健康发展起到了重要 作用。由于受当时土坝坝体灌浆技术认识的局限性，sd266-88土坝坝体灌浆技术规 范规定，劈裂灌浆只适用于坝高 50m 以下的均质土坝和宽心墙坝，土堤可参照执 行12。 随着劈裂灌浆加固技术的推广应用，其理论研究也得到不断的发展。通过原形观 测、室内实验、理论分析和工程总结，在浆液劈裂坝体的规律、泥浆固结和坝体压密 以及坝体内部孔隙水压力和土压力的变化规律等方面获得初步成果。 1.3.2.2 劈裂灌浆的应用现状 土坝坝体灌浆技术规范 （sd 266-88）规定“本规范适用于坝高 50m 以下的均 质土坝和宽心墙坝；土坝坝体灌浆，一般应在水库低水头期进行，以加速泥浆固结， 保证大坝安全”。同时指出了灌浆能够处理的问题：土坝坝体碾压不实，密实度普遍 较差；土坝坝体内有渗漏通道、软弱层，坝后坡浸润线出逸点过高，发生洇湿现象或 渗透破坏（管涌、流土）现象；土坝坝体由于不均匀沉陷而产生的裂缝（不包括滑坡 裂缝） ；土坝分段分层施工，质量差的结合部位容易产生水力劈裂的情况；坝体和其 它建筑物（如放水洞、闸墙）结合不好，存在空隙和接触冲刷；坝体内存在生物洞穴， 如蚁穴、鼠洞、獾洞及腐烂树根等12。 随着灌浆实践的积累以及科研工作的深入，劈裂灌浆的应用范围越来越广，早已 突破规范界定的范围13,22。主要表现在以下方面： （1）应用领域。随着灌浆实践的不断拓宽，劈裂灌浆技术已由水利水电工程扩 展至建筑23,24、交通25、航运26,27,28、矿井建设等领域。根据王洪恩等对堤坝地基劈 裂灌浆的机理分析得出结论：在堤坝地基附加应力场的主要影响范围内的土层、土夹 砂层、具有胶结性的砂层和级配良好的中、细砂层是可以实现定向劈裂的1。为利用 劈裂灌浆技术加固堤坝地基和房屋建筑、道路桥梁等软弱基础提供了理论支持。 （2）坝高和坝型。劈裂灌浆技术在土石坝中的应用早已突破均质坝、宽心墙坝 以及坝高 50m 的限定29,30,31。早在 1996 年，就运用劈裂灌浆技术成功解决了陕西鱼 5 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 岭水库土石坝的渗漏问题，该坝高 50m，心墙顶宽 3m，底宽 20m，上下游坝坡比为 1：0.17，属国内罕见的陡而薄的窄心墙坝32。开创了劈裂灌浆技术在薄心墙高土石 坝中应用的先河，接着于 2003 年，又成功地运用劈裂灌浆技术加固处理了湖北张家 咀水库，该坝最大坝高 72m，心墙上下游坝坡比为 1：0.16，是迄今为止，劈裂灌浆 技术加固处理的最高土石坝，也是最陡的心墙坝。劈裂灌浆技术在均质坝中的运用也 早已突破了坝高 50m 的限定范围，广东岭澳水库大坝，坝高 58.5m，均质土坝，建成 后漏水严重，于 1997 年对大坝进行劈裂灌浆，获得了成功33。 （3）施工条件。规范规定坝体灌浆应在水库低水位期进行，亦即要求库水位低 于隐患的最低高程，以加速泥浆固结和保证大坝安全。但是对一些多年调节水库和担 负城市供水任务的水库来说，弃水引起的经济损失太大。在实践工程中，通过精心设 计和严格施工，成功完成了大坝高水位运营下的劈裂灌浆加固34。例如，深圳水库是 以为香港供水为主，结合防洪、发电的综合调节性水库，大坝为均质土坝，左副坝及 小山包渗漏情况严重，由于担负为香港供水重任，在高水位运营情况下对大坝进行了 劈裂灌浆处理，取得了较好效果35；广东三坑上水库大坝，最大坝高 55m 的均质土 坝， 在超设计正常蓄水位 0.15m 并持续 3 个多月的情况下， 成功地完成了大坝的劈裂 灌浆施工36。近年来在实践中，对一些不能沿堤、坝轴线布孔的病险工程，如大坝迎 水坡面、渠库结合大坝的渠岸、一面临空土体，按劈裂灌浆工艺施工，仍取得了与常 规劈裂灌浆相同的效果，扩大了劈裂灌浆技术的应用范围37。 （4）出现了新的施工方法。规范（sd 266-88）规定的施工方法是“孔底注浆， 全孔灌注”的白氏法，其工艺为钻孔至设计深度，自孔口下 35m 的护壁套管，注浆 管下到距孔底 0.51.0m 处的灌浆方法。随着灌浆实践的发展，出现了一些新的灌浆 施工技术38。 1.4 本文研究的内容与方法 本文在总结前人研究成果的基础上，主要研究和探讨了一下几个方面的内容： (1)探讨经劈裂灌浆处理后的坝体帷幕存在浆体太薄，不能连续，耐久性差的问 题。从劈裂灌浆形成帷幕的机理出发探讨其问题的成因，并提出解决的建议。并从实 际工程出发，根据施工后的结果，来验证其效果。 (2)研究劈裂灌浆在窄心墙坝中的应用效果。已期拓宽劈裂灌浆的适用范围。 (3)将基于有限元法的计算渗流的程序软件引入劈裂灌浆的渗流分析中，研究其 适用性和其效果。并结合实际工程，验证其效果。 6 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 2 劈裂灌浆的帷幕问题的探讨 2.1 劈裂灌浆中帷幕问题的描述 土坝劈裂灌浆技术是我国20世纪80年代初自主研发的一项处理病险土坝的防渗 技术。20 多年来运用该技术处理加固病险水库土坝 3000 余座，险堤 2000km 多，为 我国病险堤坝的加固发挥了重要的作用1。但是劈裂灌浆技术在某些病险坝的设计与 施工的应用方面，也出现了一些问题： （1）帷幕太薄，且不连续，形不成防渗帷幕。坝体劈裂灌浆帷幕厚度由防渗与 坝体变形稳定等条件决定。如果设计浆体帷幕太厚，不仅坝坡位移量增大，不利于大 坝稳定，且帷幕厚，灌浆历时必将延长，复灌次数多，浆体固结时间也长，劈开的裂 缝在这时间内是坝体一个很薄弱部位， 一旦遇洪水或地震等情况， 很可能会出现险情， 危及大坝安全。帷幕太薄，不但不能满足大坝防渗要求，且帷幕很难连续。 （2）帷幕耐久性差。帷幕防渗能力耐久性受多种因素综合影响，由于坝土、地 基条件的复杂性，加之设计理论尚不完善，帷幕设计很难完全符合实际情况，所以有 的工程灌浆处理后，防渗效果并不理想；有的时侯即使严格按规定精心灌浆，运行初 期观察，灌浆效果良好，但经过几年的运行，防渗能力将逐渐衰减，直到完全丧失防 渗能力，处理过的病险水库依然是个病库。 因此有人提出此种观点：劈裂灌浆效果保持时间不长，重新犯病率高，而且在施 工中出现的冒浆、串浆、新生成的纵向、横向裂缝和坝体变形，局部隆起等，可能使 病坝“病”上加“病”，不仅加固防渗效果不理想，而且会加重病情。进而得出，采用劈 裂灌浆方案要慎之又慎。最好在进出场道路狭窄，较大机械又无法进入水库坝区的山 区小（2）型水库坝体应急处理时，才采用劈裂灌浆39。由此引发了对劈裂灌浆技术 加固土坝的抗渗能力产生怀疑。 2.2 劈裂灌浆中帷幕产生问题的分析 根据前人工程的灌浆效果分析40,41,42,43知有问题的帷幕大多存在以下问题： （1）设计上某些参数采用不当。如灌浆压力太小劈开的裂缝太小；泥墙厚度太 薄，有的厚度仅有 12cm；有的坝高超过 50m，只设计一道劈裂灌浆。 （2）施工工艺上严重违反“少灌多复”的原则。如一次灌浆量过大，而复灌次数 少，使得泥浆两侧的土体没有得到充分的挤压和充填，形不成连续的防渗带。 （3）浆材问题。通常规范要求浆材的粘粒含量在 25%左右，而实际应用中粘粒 含量常常达到 40%以上。 土坝坝体劈裂灌浆的过程， 也就是浆液对坝体劈裂充填劈裂充填的 过程。当坝体被劈裂开后，孔口压力突然下降，由于在劈裂缝尖端形成真空，浆液随 之充填，随着浆液的充填，孔口压力逐渐回升，当缝端的浆液压力达到大于坝体土的 7 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 抗劈力时，这时便产生新的劈裂1。因此劈裂灌浆要形成理想的帷幕，必须有足够的 灌浆压力，形成适当的连续的裂缝，浆液才能随裂缝形成连续的帷幕，同时浆液还要 足量44,45,46。 因此要形成连续的帷幕，必须要设计足够的灌浆压力47,48,49,50,51。 (1)灌浆压力的确定 钻孔起裂压力 pb 钻孔起裂压力 pb，通常也叫灌浆最大允许压力，并用下式表示： t b p 23 （2.1） 式中 3 坝体钻孔平面的小主应力, kpa； 2 坝体钻孔平面的大主应力，kpa, 相当于三向应力状态的第二主应力，对 平面应变问题)( 312 ； 泊松比； 1 三向应力状态下的大主应力，近似等于土柱压力，kpa; t 土的单轴抗拉强度，kpa； a圆孔应力集中系数，对于线弹性体 a=3，土体是弹塑体，a 应通过试验确 定。在没有试验资料情况时，坝体土取 a=2.252.5。 裂缝扩展压力 pc l p kic c 3 (2.2） 式中 kic土体在内压作用下圆孔裂缝断裂韧度，由室内试验测得； l裂纹长度，m； 3 垂直于裂纹的小主应力，kpa。 当裂纹长度 l 远大于圆孔半径时，式 3 )2 . 2( c p，国内外学者基于这个原理， 测得地应力 3 和坝体小主应力 3 值。所以 pc也叫关闭压力，或裂缝合拢压力。 在没有条件测试式（2.2）中的参数时，也可以粗略的用坝体土的抗劈力 p1来代 替。坝体土的抗劈力 p1用下式计算 31 t p（kpa)(2.3) 式中 3 坝体内小主应力，在受压区为+，在受拉区为-。 泥浆的劈裂压力p用下式计算 浆浆 hhlphp 22 21) (（2.4） 8 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 式中 1 、 2 泥浆与注浆管和泥浆与坝体裂缝的动摩擦系数，其数 值可参考有关资料选取； l注浆管下口至裂缝尖端的垂直距离，m； p灌浆压力与坝体抗劈力相平衡时稳定孔口压力，kpa； h裂缝尖端到注浆管下口水平面的垂直距离，m； 浆 泥浆容重， 3 /mkn。 当钻孔起裂前，浆液处于静止状态，这时 1 、 2 和h均为零，这样式（2.4） 可简化为： php 浆 （2.5） 由上述式 （2.1） 式 （2. 5） 可以看出， 当 b pp 时， 钻孔起裂， 当 c pp 或 1 pp 时，裂纹扩展。 灌浆控制压力 max p t hp max （kpa)(2.6) 式中h被劈点到坝（堤）顶的土柱高度，m； 坝（堤）体土天然密度，kn/m3。 由式（2.5）和式（2.6）可以看出，当 max pp 时，堤坝可能要产生水平劈裂， 应尽量避免这种情况发生1。 要形成连续的防渗帷幕，结合现场灌浆实验，要使灌浆压力尽量靠近 max p，且不 产生水平裂缝。根据工程实践建议结合孔深，灌浆孔口压力在下表中选择： 表表 2.1孔孔深深对对应应的的灌灌浆浆压压力力 孔深 m30 灌浆压力 mpa0.100.200.250.30 有足够的灌浆压力形成足够的裂缝宽度后，以便于形成连续的帷幕。 (2)灌浆帷幕厚度的确定 要使帷幕起到防渗体的作用，还必须有足够的厚度，也就是耐久性。这就要求帷 幕有足够的厚度。 根据劈裂灌浆的工程实践可知，坝高 15m 以下，适于做一道劈裂灌浆，泥浆体 平均数厚度不少于 15cm；坝高 1540m，适于做两道劈裂灌浆，泥浆体总厚度不少 9 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 于 1535cm；坝高 40cm 以上，适于做二至三道劈裂灌浆，泥浆体的总厚度不应少 于 40cm39。土坝坝体灌浆技术规范 sd266-88 规定，在河槽段，一般沿坝轴线或稍 偏上游侧单排布孔，当坝体碾压普遍不好时，可双排（或三排）布孔。机理分析和实 践证明，双排或三排布孔更可靠。这是因为：各排之间，压力泥浆相向挤压、充填、 湿化固结，使两道泥浆体之间的坝体土更密实，一般于密度可提高 0.10.2g/cm3； 泥浆体和各排之间被加密的土体形成联合防渗带，从而提高了抗渗能力52。 保证这两个主要条件之后一般可以形成连续的帷幕，耐久性也可保证。在下一步 施工过程中，一定要严格遵守施工工序和劈裂灌浆技术规范，这样既能保证达到理想 的效果。 本章结合宜昌东西泉水库，探讨帷幕产生的问题，提出关于解决此问题的一些方 法。 2.3 工程实例 2.3.1 工程概况 2.3.1.1 基本情况简介 东西泉水库位于湖北省宜昌市夷陵区鸦鹊岭镇东西泉村， 拦截长江一级支流柏临 河流域简垱河水系，该支流发源于夷陵区鸦鹊岭镇海云村的观音堂，流经东西泉、金 河、 新场等村， 进入伍家区的林宝村后汇入柏临河， 东西泉水库距夷陵区城区约 25km， 距鸦鹊岭镇 7.0km，距省道鸦来路 7km，距柏临河干流约 11km。 该工程于 1956 年 10 月动工兴建，1970 年 11 月竣工建成，坝址以上承雨面积 3.2km2，主河道长 3.8km，河道坡降 23.7。1988 年防洪复核，水库正常蓄水位 140.50m，相应库容 362104m3，30 年一遇设计洪水位为 141.48m，500 年一遇校核洪 水位为 142.08m，总库容 448104m3，兴利库容 327104m3，死库容 35104m3。大坝 为均质土坝，现场测量坝顶高程为 141.70m(防浪墙高程为 142.2m)，最大坝高 19.7m， 坝顶长度 270m，坝顶宽度 3.5m。东西泉水库工程等别为等，属小(1)型水库，主要 建筑物级别为 4 级。水库现有干渠 1 条，设计灌溉面积为 2300 亩，现有效灌溉面积 2000 亩，该水库灌区是夷陵区主要粮油产区之一，主产水稻，缺水时可从上游黄家 冲水库中干渠引水入库，为灌区的农业灌溉用水得到了更为充分的保证。但水库工程 建筑物存在的一些问题也日益严重，威胁着水库大坝的安全。2007 年 1 月，宜昌市 夷陵区水利局组织专家对东西泉水库大坝进行了现场安全检查。2007 年 5 月，宜昌 市水利局根据水利部水库大坝安全鉴定方法及水库大坝安全评价导则 （sl258-2000）的有关规定，鉴定东西泉水库大坝为三类坝。 在河床中部坝基局部位置分布有砂卵石层，为第四系全新统沟谷冲积堆积物，为 中等透水层。坝基表土层清理不彻底，存在集中渗流条件。 10 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 下游无排水棱体，所以水库在正常水位、设计洪水位和校核洪水位时，坝体浸润 线位置较高， 出逸点高程为137.00139.10m； 下游坝壳代料出逸坡降为0.4590.506， 大于该坝体填料的允许渗透坡降 0.45，容易引起渗透变形。 地勘资料显示，坝体多处存在渗漏溢水点，主要集中分布在坝体下游面及坝山结 合部位，渗水点高程为 128.0133.0m，渗漏现象严重。 2.3.1.2 坝体存在以下主要问题 （1）大坝坝脚未建反滤坝，渗漏出逸点高，出逸坡降大，存在渗透破坏的可能； 白蚁危害严重。 （2） 坝体填筑质量较差。 坝体材料主要为粉质粘土质砂砾， 压实度为0.840.91， 渗透系数k值在210-41010-4cm/s之间，均不满足规范规定的要求。坝壳代料主要 为风化页岩，多呈角砾状态，填筑体较松散，回填时随意性较大，级配较差，碾压效 果较差。 2.3.1.3问题处理的必要性 东西泉水库于 1956 年 10 月动工兴建，设计标准采用 20 年一遇设计，100 年一 遇校核。1969 年 11 月动工将老坝加高，1970 年 11 月建成至现有规模，受建设时的 条件限制，未进行地质勘察工作，属“三边”工程，缺乏应有的施工标准和质量检查， 清基采用人工，坝基及坝山结合处未抽槽，大坝施工过程中片面强调进度，忽视工程 质量；经钻探发现，在大坝中部坝基清基不彻底，夹有一定的河卵石层，透水率大。 溢洪道未作防冲处理，加之工程运用已有 37 年，安全隐患逐年明显，经鉴定为三类 坝。由于长期限制水位运行，工程效益没有得到充分发挥。 此外，东西泉水库还承担对下游灌区的供水防洪任务，水库年供水能力为 50 万 m3，保护下游人口 4000 人，耕地 4500 亩，铁路 2.0 km，公路 3.0 km。工程一旦失 事，必将造成下游人民生命财产的巨大损失。因此，尽早进行工程的除险加固建设是 十分必要的。 2.3.1.4 坝体填筑材料的工程地质特性 坝体为均质土坝，填筑材料主要取自于库岸山丘地表残积土、泥质粉砂岩碎块及 粉质粘土，经勘探试验，其主要特性如下: 坝体填土天然含水量为 19.026.1%，干密度 1.521.73g/cm3，天然孔隙比为 0.6090.