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摘要：劈裂灌浆在土质重力坝加固工程中得到了广泛应用，坝身防渗效果明显。特别是对韶关市曲江区罗坑水库坝顶路面至排水棱体高差大于15米的坝段进行劈裂灌浆处理后，罗坑水库大坝加固完成蓄水多年后，对渗流量、浸润线的观测，较加固以前有明显改变，达到了预期的效果。
关键词：劈裂灌浆;坝体加固;防渗施工
1、工程概况
韶关市曲江区罗坑水库于1974年9月开始勘测，1975年11月动工兴建，至1979年11月建成蓄水，整个水库工程于1982年5月竣工。该工程是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、血防等综合利用的中型水库工程。由于历史条件的限制，工程上马仓促，工程质量差，水库运行至今隐患重重。罗坑水库正常水位283.0m，相应库容3461万m3，总库容超过1000万m3，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》和《防洪标准（GB50201-94）》中的有关规定，本水库工程规模属于中型，工程等别为三等，永久性主要建筑物为3级，设计洪水标准为100年一遇（p=1%），校核洪水标准为2000年一遇（p=0.05%）;溢洪道消能防冲设计洪水标准为30年一遇（p=3.33%）;施工导流建筑物按5级，设计洪水标准5年一遇。该工程于2008年8月开始进行招标投标，2008年10开始进行水库除险加固处理施工。其中最核心的问题即是对水库大坝坝身进行劈裂灌浆处理、对坝基进行帷幕灌浆处理等防渗施工。
从韶关市曲江区罗坑水库施工期布设先导孔所探明的地质勘查资料得知，坝体填筑土多为含砾粘土，干密度在1.29～1.48g/cm3之间，孔隙比在0.847～1.136之间，数值波动变化较大，说明坝体的填筑质量不稳定，绝大部分填筑土粘性较差，结构较为松散，因此坝体的渗透系数较大，经水库管理单位观测检查，在高水位时，发现坝背坡表面湿润、有渗水，个别部位出现“牛皮涨”现象，当水库水位稍高时，坝的渗透量加快，这将使水库存在安全隐患。经过加固方案的论证比较，坝身及坝基采用坝体劈裂灌注粘土浆进行防渗处理的加固方法，以期达到坝体防渗的要求，确保水库大坝的安全运行。
2、劈裂灌浆的加固原理及特点
大坝坝体劈裂灌浆的理论基础是水力劈裂原理，即向土体内的孔内压水或灌浆时，作用在孔壁上的径向压力引起孔的扩张，使孔壁土体受劈裂挤应力，而当这些应力超过土体的抗拉强度时，就会在土体内产生一些裂缝，这种裂缝的产生过程称之为水力劈裂。水利上的堤坝是人工堆筑成的长条形土料建筑物，为梯形断面，由于受多种自然因素的影响，常出现一些不稳定现象。如果向不稳定的堤段造孔并向堤体孔内压注浆液，加上浆液自重因素，使堤体沿轴线方向形成一道或数道粘土帷幕，则可达到消险固堤的作用。这种施工过程我们称之为劈裂灌浆。
土坝坝体劈裂式灌浆的任务之一，就是在允许的范围内尽量增大灌浆压力，使原来较为疏松的土体在某个范围之内得到一定程度的压实;停灌以后，由于孔口压力的取消和泥浆的浓缩固结，泥浆压力逐渐减小，坝体则回弹压缩泥浆。实际操作中，通过多次复灌可充分发挥浆、坝互压作用，对提高坝体的密实度并保证灌浆质量是有效的。此外，通过实践总结出来的经验，劈裂式灌浆对解决以下六种隐患有较明显效果：坝体碾压不实、密实度普遍较差的松堆土坝;坝体内有渗漏通道、软弱层、坝体浸润线过高、坝坡发生湿润区或“牛皮胀”或渗透破坏（管涌、流土）现象;坝体由于不均匀沉陷而产生的裂缝（不包括滑坡裂缝）;分期施工的土坝，分层和接头有软弱带和透水层;坝体和其他建筑物（如放水涵管、闸墙等）接合不好、存在空隙和接触冲刷;坝体内存在生物洞穴和腐烂树根等隐患。
3、劈裂灌浆的基本情况
土坝劈裂灌浆需依据如下顺序进行：在轴线旁亦或是顺着土坝轴线安设一两排甚至是更多排灌浆孔，穿进土坝渗漏区域;依据一步步加密的原则，逐孔实施重复多次灌浆;为了确保灌浆能进入且在土体内劈出裂缝一道，要严格控制灌浆压力;一般来说，此裂缝是顺着坝线方向伸展开来的，最后将各个孔引起劈裂形成的裂缝能相互衔接好，最终产生一道薄墙。在灌入浆液的过程中，有些浆液会渗入到土体孔隙内部，致其两旁土体受压缩应力的影响，有利于压实、挤密两旁土体;待灌浆完毕后，在坝的自重应力与回弹应力的作用之下，灌入的浆液会固结、析水，最终产生一道以挤密带、渗入体为辅助、缝中浆石为主体的阻水帷幕，以实现防渗止水的目标。
4、劈裂式灌浆的施工技术
4.1布孔、安装钻机。根据前期灌浆试验确定灌浆孔的间排距，灌浆孔一般沿坝轴线进行布置，采用精密仪器进行布孔时孔位误差不能超过10cm;钻机的安装时保持滑车、立轴、孔位三点一线，用水平尺校正机场水平，确保钻孔铅直。
4.2灌浆段长划分及止水。灌浆段长一般控制在 5～8m，。坝土采用套管止水，即预留 30cm 未钻土体，下置套管用吊锤扎下，在坝体的回弹作用下止水。
4.3造孔及洗孔。灌浆孔应采用小口径钻孔钻进的铅直孔，开孔孔径在150mm左右，坝终孔孔径 75mm。为保证钻孔垂直和孔斜不超出设计要求，钻进时采用长且直的钻具。为提高钻进效率，生产孔可采用清水钻进，灌浆孔段在造孔结束后，进行钻孔冲洗，应冲洗至回水变清。
4.4制浆
灌浆料采用泥浆搅拌灌机。主要特点是高速连续搅拌，自动筛浆，浆液存入搅浆筒内防沉，灌浆泵和储浆筒直接相连，制出的泥浆质量高，能控制很高的含砂量。
将土料、水泥按1：10的比例，连续均匀地从搅浆筒的一端进料口加入，土料从搅浆筒内经过持续高速搅打后，由于泥浆的旋转离心作用，经过另一端排浆口排至转筛内，筛选过的细浆便流入拌浆筒内，以防浆液沉淀。
泥浆浓度的控制：
本工程根据实际情况，采用湿法制浆，湿法制浆就是用天然料场中的湿土（应经钻探取样土工试验后认为宜用来灌浆的合格土料），及相应比例的水泥混合，直接倒入搅拌机中搅拌制浆。此时，泥浆浓度用以下公式进行控制： g=k*gk=1/（1+）+1/（（1+）-1）
式中：g―欲配泥浆的加水量（KG）
g―为用来拌浆的湿土量及水泥量（KG）
k―加水系数
―水土比
― 湿土的含水量。
先确定要采用的水土比（1：）之后，测出湿土的含水量，算出加水系数k值，即可算出加水量。加水量由水表控制。
实际施工中，搅灌机、灌浆泵都是定量的，先确定灌浆1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.5g/cm3、1.6g/cm3计算出每相对应的加水量、加土量。
泥浆浓度的调配：
在灌浆过程中，常根据不同的情况改变泥浆的浓度，以利于灌浆工作的进行及保证灌浆的质量，泥浆由浓变稀要加水，由稀变浓要加土。此时，可用以下公式算出加水量和加干土量。
1立米浓泥浆变稀的加水量G为;
G=1/（1+E/D）*（E/D-1）
1立米稀浆变浓的加干土量G=（E-J）/（1+E/D）
式中：E、J分别为浓、稀浆的水土比。
泥浆浓度的选用：
在坝体灌浆中，泥浆密度控制在1.3～1.6G/cm3之间。密度在1.4g/cm3以上的泥浆为浓浆，以下为稀浆。原则上，开始用稀浆3～5min以后，然后用浓。
泥浆的流动性除与其浓度有关外，还与灌浆压力大小有关。本工程采用压力0.1～0.35MPA，灌浆压力较小，为了缩短灌浆间隔时间，掺入水泥10%（为干料重的10%）。
4.5灌浆
4.5.1灌浆施工
主坝劈裂灌浆采用全孔孔底灌注法，可使孔内浆由孔底反向全孔，处于半循环状态。劈裂灌浆是孔底先被劈裂裂缝向上发展，从而达到加固坝体的作用。充填灌浆是由孔底向上发展，对全孔孔壁土体裂隙、隐患进行充填，从而加固坝体。
主坝劈裂灌浆施工均采取从坝中间向两岸展开，本工程从溢洪道左坝段展开。灌浆孔分Ⅱ序，先进行Ⅰ序灌浆孔的钻孔及灌浆施工，接着进行Ⅱ序灌浆孔的钻孔及灌浆施工。
灌浆采用“先稀后浓，逐渐加稠，分序施灌，少灌多复”的方法。要求每孔每次平均灌浆量控制在0.5～1.0m3每米，每孔复灌次数不少于5次，复灌间隔时间不少于5天。
4.5.2灌浆量的控制
对劈裂灌浆每孔每次灌浆量及总灌浆量准确记录，每次灌浆量不得超过设计允许值，以便控制灌浆质量。每孔每次平均灌浆量以孔深计，每米孔深按规范控制。
4.5.3 灌浆压力的控制
灌浆压力是保证灌浆质量的重要因素，在同一孔中头几次使用较小的灌浆压力，以后随复灌次数增加待坝体逐渐得到密实，孔口压力逐渐升高达设计压力。
在灌浆过程中定时严格记录灌浆压力值，当表压力读数大于设计的最大压力值时，应立即调节出浆量或停灌，达到设计最大压力值时按设计要求持续一定的时间。当压力稳定回升两次或超过设计压力最高值时，做好换孔准备。在灌浆过程中随时观测压力表变化，并注意记录瞬时最大压力，对照坝体位移和接缝张开度合理控制灌浆压力。同时作好每孔、每次、灌浆延续时间灌浆量的记录并把灌浆记录进行统计。
4.6灌浆结束标准及封孔
根据《土坝坝体灌浆技术规范》SD266-88标准执行土坝坝体灌浆标准，每孔复灌达5次以上，总吃浆量与设计吃浆量相符，灌浆至不再吃浆时，可以认为已经灌饱、灌满、灌实即可终止灌浆。
封孔时边拨管和按设计要求回填稠浆，如果浆面下降可继续注入稠浆，直至浆面升至孔口不再下降为止，并在终孔时用粘土对灌浆孔进行封堵。
5、结论
运用流固耦合分析方法进行模拟，用劈裂灌浆防渗加固技术来改进坝体的稳定性，是堤坝加固领域的一种非常有效的加固方法，多年来该技术在中小型水库土坝防渗加固中得到广泛应用。劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，已经被广泛的运用。但在具体操作中应注意施工工艺，保证灌浆的质量，才能达到预期的效果。
关键词：劈裂灌浆;坝体加固;防渗施工
1、工程概况
韶关市曲江区罗坑水库于1974年9月开始勘测，1975年11月动工兴建，至1979年11月建成蓄水，整个水库工程于1982年5月竣工。该工程是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、血防等综合利用的中型水库工程。由于历史条件的限制，工程上马仓促，工程质量差，水库运行至今隐患重重。罗坑水库正常水位283.0m，相应库容3461万m3，总库容超过1000万m3，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》和《防洪标准（GB50201-94）》中的有关规定，本水库工程规模属于中型，工程等别为三等，永久性主要建筑物为3级，设计洪水标准为100年一遇（p=1%），校核洪水标准为2000年一遇（p=0.05%）;溢洪道消能防冲设计洪水标准为30年一遇（p=3.33%）;施工导流建筑物按5级，设计洪水标准5年一遇。该工程于2008年8月开始进行招标投标，2008年10开始进行水库除险加固处理施工。其中最核心的问题即是对水库大坝坝身进行劈裂灌浆处理、对坝基进行帷幕灌浆处理等防渗施工。
从韶关市曲江区罗坑水库施工期布设先导孔所探明的地质勘查资料得知，坝体填筑土多为含砾粘土，干密度在1.29～1.48g/cm3之间，孔隙比在0.847～1.136之间，数值波动变化较大，说明坝体的填筑质量不稳定，绝大部分填筑土粘性较差，结构较为松散，因此坝体的渗透系数较大，经水库管理单位观测检查，在高水位时，发现坝背坡表面湿润、有渗水，个别部位出现“牛皮涨”现象，当水库水位稍高时，坝的渗透量加快，这将使水库存在安全隐患。经过加固方案的论证比较，坝身及坝基采用坝体劈裂灌注粘土浆进行防渗处理的加固方法，以期达到坝体防渗的要求，确保水库大坝的安全运行。
2、劈裂灌浆的加固原理及特点
大坝坝体劈裂灌浆的理论基础是水力劈裂原理，即向土体内的孔内压水或灌浆时，作用在孔壁上的径向压力引起孔的扩张，使孔壁土体受劈裂挤应力，而当这些应力超过土体的抗拉强度时，就会在土体内产生一些裂缝，这种裂缝的产生过程称之为水力劈裂。水利上的堤坝是人工堆筑成的长条形土料建筑物，为梯形断面，由于受多种自然因素的影响，常出现一些不稳定现象。如果向不稳定的堤段造孔并向堤体孔内压注浆液，加上浆液自重因素，使堤体沿轴线方向形成一道或数道粘土帷幕，则可达到消险固堤的作用。这种施工过程我们称之为劈裂灌浆。
土坝坝体劈裂式灌浆的任务之一，就是在允许的范围内尽量增大灌浆压力，使原来较为疏松的土体在某个范围之内得到一定程度的压实;停灌以后，由于孔口压力的取消和泥浆的浓缩固结，泥浆压力逐渐减小，坝体则回弹压缩泥浆。实际操作中，通过多次复灌可充分发挥浆、坝互压作用，对提高坝体的密实度并保证灌浆质量是有效的。此外，通过实践总结出来的经验，劈裂式灌浆对解决以下六种隐患有较明显效果：坝体碾压不实、密实度普遍较差的松堆土坝;坝体内有渗漏通道、软弱层、坝体浸润线过高、坝坡发生湿润区或“牛皮胀”或渗透破坏（管涌、流土）现象;坝体由于不均匀沉陷而产生的裂缝（不包括滑坡裂缝）;分期施工的土坝，分层和接头有软弱带和透水层;坝体和其他建筑物（如放水涵管、闸墙等）接合不好、存在空隙和接触冲刷;坝体内存在生物洞穴和腐烂树根等隐患。
3、劈裂灌浆的基本情况
土坝劈裂灌浆需依据如下顺序进行：在轴线旁亦或是顺着土坝轴线安设一两排甚至是更多排灌浆孔，穿进土坝渗漏区域;依据一步步加密的原则，逐孔实施重复多次灌浆;为了确保灌浆能进入且在土体内劈出裂缝一道，要严格控制灌浆压力;一般来说，此裂缝是顺着坝线方向伸展开来的，最后将各个孔引起劈裂形成的裂缝能相互衔接好，最终产生一道薄墙。在灌入浆液的过程中，有些浆液会渗入到土体孔隙内部，致其两旁土体受压缩应力的影响，有利于压实、挤密两旁土体;待灌浆完毕后，在坝的自重应力与回弹应力的作用之下，灌入的浆液会固结、析水，最终产生一道以挤密带、渗入体为辅助、缝中浆石为主体的阻水帷幕，以实现防渗止水的目标。
4、劈裂式灌浆的施工技术
4.1布孔、安装钻机。根据前期灌浆试验确定灌浆孔的间排距，灌浆孔一般沿坝轴线进行布置，采用精密仪器进行布孔时孔位误差不能超过10cm;钻机的安装时保持滑车、立轴、孔位三点一线，用水平尺校正机场水平，确保钻孔铅直。
4.2灌浆段长划分及止水。灌浆段长一般控制在 5～8m，。坝土采用套管止水，即预留 30cm 未钻土体，下置套管用吊锤扎下，在坝体的回弹作用下止水。
4.3造孔及洗孔。灌浆孔应采用小口径钻孔钻进的铅直孔，开孔孔径在150mm左右，坝终孔孔径 75mm。为保证钻孔垂直和孔斜不超出设计要求，钻进时采用长且直的钻具。为提高钻进效率，生产孔可采用清水钻进，灌浆孔段在造孔结束后，进行钻孔冲洗，应冲洗至回水变清。
4.4制浆
灌浆料采用泥浆搅拌灌机。主要特点是高速连续搅拌，自动筛浆，浆液存入搅浆筒内防沉，灌浆泵和储浆筒直接相连，制出的泥浆质量高，能控制很高的含砂量。
将土料、水泥按1：10的比例，连续均匀地从搅浆筒的一端进料口加入，土料从搅浆筒内经过持续高速搅打后，由于泥浆的旋转离心作用，经过另一端排浆口排至转筛内，筛选过的细浆便流入拌浆筒内，以防浆液沉淀。
泥浆浓度的控制：
本工程根据实际情况，采用湿法制浆，湿法制浆就是用天然料场中的湿土（应经钻探取样土工试验后认为宜用来灌浆的合格土料），及相应比例的水泥混合，直接倒入搅拌机中搅拌制浆。此时，泥浆浓度用以下公式进行控制： g=k*gk=1/（1+）+1/（（1+）-1）
式中：g―欲配泥浆的加水量（KG）
g―为用来拌浆的湿土量及水泥量（KG）
k―加水系数
―水土比
― 湿土的含水量。
先确定要采用的水土比（1：）之后，测出湿土的含水量，算出加水系数k值，即可算出加水量。加水量由水表控制。
实际施工中，搅灌机、灌浆泵都是定量的，先确定灌浆1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.5g/cm3、1.6g/cm3计算出每相对应的加水量、加土量。
泥浆浓度的调配：
在灌浆过程中，常根据不同的情况改变泥浆的浓度，以利于灌浆工作的进行及保证灌浆的质量，泥浆由浓变稀要加水，由稀变浓要加土。此时，可用以下公式算出加水量和加干土量。
1立米浓泥浆变稀的加水量G为;
G=1/（1+E/D）*（E/D-1）
1立米稀浆变浓的加干土量G=（E-J）/（1+E/D）
式中：E、J分别为浓、稀浆的水土比。
泥浆浓度的选用：
在坝体灌浆中，泥浆密度控制在1.3～1.6G/cm3之间。密度在1.4g/cm3以上的泥浆为浓浆，以下为稀浆。原则上，开始用稀浆3～5min以后，然后用浓。
泥浆的流动性除与其浓度有关外，还与灌浆压力大小有关。本工程采用压力0.1～0.35MPA，灌浆压力较小，为了缩短灌浆间隔时间，掺入水泥10%（为干料重的10%）。
4.5灌浆
4.5.1灌浆施工
主坝劈裂灌浆采用全孔孔底灌注法，可使孔内浆由孔底反向全孔，处于半循环状态。劈裂灌浆是孔底先被劈裂裂缝向上发展，从而达到加固坝体的作用。充填灌浆是由孔底向上发展，对全孔孔壁土体裂隙、隐患进行充填，从而加固坝体。
主坝劈裂灌浆施工均采取从坝中间向两岸展开，本工程从溢洪道左坝段展开。灌浆孔分Ⅱ序，先进行Ⅰ序灌浆孔的钻孔及灌浆施工，接着进行Ⅱ序灌浆孔的钻孔及灌浆施工。
灌浆采用“先稀后浓，逐渐加稠，分序施灌，少灌多复”的方法。要求每孔每次平均灌浆量控制在0.5～1.0m3每米，每孔复灌次数不少于5次，复灌间隔时间不少于5天。
4.5.2灌浆量的控制
对劈裂灌浆每孔每次灌浆量及总灌浆量准确记录，每次灌浆量不得超过设计允许值，以便控制灌浆质量。每孔每次平均灌浆量以孔深计，每米孔深按规范控制。
4.5.3 灌浆压力的控制
灌浆压力是保证灌浆质量的重要因素，在同一孔中头几次使用较小的灌浆压力，以后随复灌次数增加待坝体逐渐得到密实，孔口压力逐渐升高达设计压力。
在灌浆过程中定时严格记录灌浆压力值，当表压力读数大于设计的最大压力值时，应立即调节出浆量或停灌，达到设计最大压力值时按设计要求持续一定的时间。当压力稳定回升两次或超过设计压力最高值时，做好换孔准备。在灌浆过程中随时观测压力表变化，并注意记录瞬时最大压力，对照坝体位移和接缝张开度合理控制灌浆压力。同时作好每孔、每次、灌浆延续时间灌浆量的记录并把灌浆记录进行统计。
4.6灌浆结束标准及封孔
根据《土坝坝体灌浆技术规范》SD266-88标准执行土坝坝体灌浆标准，每孔复灌达5次以上，总吃浆量与设计吃浆量相符，灌浆至不再吃浆时，可以认为已经灌饱、灌满、灌实即可终止灌浆。
封孔时边拨管和按设计要求回填稠浆，如果浆面下降可继续注入稠浆，直至浆面升至孔口不再下降为止，并在终孔时用粘土对灌浆孔进行封堵。
5、结论
运用流固耦合分析方法进行模拟，用劈裂灌浆防渗加固技术来改进坝体的稳定性，是堤坝加固领域的一种非常有效的加固方法，多年来该技术在中小型水库土坝防渗加固中得到广泛应用。劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，已经被广泛的运用。但在具体操作中应注意施工工艺，保证灌浆的质量，才能达到预期的效果。