土坝坝体劈裂式灌浆施工技术的商榷

岩石力学与工程学报 Vol.24 No.9

2005年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2005

土坝坝体劈裂式灌浆施工技术的商榷

罗长军

(河南大学 土木建筑学院，河南 开封 475001)

摘要：由于白氏法及章氏法灌浆技术中的护壁管深浅不同，从而使初始劈裂坝体位置也不相同，必然对坝体的帷幕形态、灌浆起始劈裂点、浆液运动规律和灌浆机理等产生影响。白氏法的帷幕形态可归纳为纵向、横向或斜向及水平向3类，章氏法的帷幕形态可归纳为纵向、横向或斜向、水平向、交叉状及准桩凝固体5类。但帷幕形态差异较大，如白氏法的纵向帷幕多中间厚上下窄，章氏法的纵向帷幕则为下宽上窄，这是由于灌浆起始劈裂点及浆液运动规律不同造成的。白氏法的起始劈裂点是随机的，而章氏法的起始劈裂点可人为进行控制。白氏法的浆液运动规律可概化为点(随机劈裂点)–线(钻孔)–面(沿坝轴线水平发展)的物理模型，而章氏法的浆液运动规律可概化为点(孔底0.1～0.5 m处)–面(沿坝轴线呈放射状发展)的物理模型。白氏法的灌浆原理、灌浆机理研究虽相对较为成熟并有规范可循，但灌浆实践不断超越规范规定的范围。总体来说章氏法仍沿用白氏法的原理、灌浆机理和规范，是否合适尚值得商榷。为了解决白氏法坝体下部帷幕较薄或不能灌及的问题，并为章氏法建立理论框架，特提出了修订现行土坝坝体灌浆技术规范的建议。

关键词：水工结构；帷幕形态；灌浆起始劈裂点；浆液运动规律；灌浆机理；商榷

中图分类号：TV 43；TD 265.8 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)09–1605–07

DISCUSSION ON THE CONSTRUCTION TECHNIQUE OF SPLIT

GROUTING IN BODY OF EARTH DAM

LUO Chang-jun

(School of Civil Engineering and Architecture，Henan University，Kaifeng 475001 China)

Abstract：Due to the difference of depth of breast wall in the construction techniques of Zhang′s and Bai′s split grouting，the position of original split dam body is different in these two techniques，which will influence curtain shape of dam body，origination point of split grouting，the movement law of grouting fluid and mechanism of grouting. The curtain shapes of Bai′s split grouting are divided into three types，longitudinal，transverse or oblique and horizontal orientation，and Zhang′s five types，cross orientation and semi-pile coagulate plate besides the above three types. The difference of these curtain shapes is prominent in the two techniques. For example，Bai′s longitudinal curtain shape is big in middle and small at two ends，and Zhang′s is wide at underside and narrow at upside. Bai′s origination point of split grouting is stochastic，and Zhang′s is artificially controlled. The generalized physical model of Bai′s grouting fluid movement is dot-line-side，and Zhang′s is dot-side. Research on Bai′s theory and mechanism of grouting are more mature and there are operation codes based on it，but there are no practice by it out off the range stated in operation codes. Zhang′s continued to use Bai′s theory，mechanism and

收稿日期：2003–12–18；修回日期：2004–02–24

基金项目：河南省自然科学科技攻关项目(001150202)；河南大学自然科学基金重点项目(XK03ZDJZ161)

作者简介：罗长军(1963–)，男，1987年毕业于武汉地质学院水文地质工程地质系水文地质专业，现任副教授、高级工程师，主要从事水文地质、工程地质和岩土工程等方面的教学与研究工作。E-mail：luochangjun@henu.edu.cn。

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criterion of grouting. But whether it is appropriate is to be studied. It is a pressing task to resolve problems of thinner curtain or no curtain at bottom of dam body in Bai′s and establish the framework of Zhang′s theory. Accordingly，advices on emendation of the active code are given in this paper.

Key words：hydraulic structure；curtain shape；origination point of split grouting；law of grouting fluid movement；mechanism of grouting；discussion

1 引 言

我国已修建各类堤防长约2.6×105 km，不少工程质量很差，现有水库8.5万座，根据水利部1994年的检查资料，在374座大型水库中，病险水库达111座(约占30%)；在2 500座中型水库中，病险水库670座(占26.8%)；8万多座小型水库中，病险水库约占40%。1998年我国长江流域发生特大洪水，除个别江堤决口外，发生险情9 405处，其中发生管涌流砂7 548处，各地堤防和土坝的重大险情不断发生，保堤、保坝成了汛期的头等大事。经过多年努力，虽然处理了一部分病险水库，但因水库数量大且问题多，除险加固的任务仍非常艰巨。为了保证经济建设，减少洪水可能造成的危害，病险水库和一些江河大堤的除险加固已经迫在眉睫。水利部于1998年12月向全国重点推荐了15种加固技术，劈裂式灌浆是其中的重要技术之一。该项技术目前已发展为“孔底注浆、全孔灌注”劈裂式灌浆[1

～4]

(以下简称白氏法)及“全孔护壁、孔底灌注”

劈裂式灌浆[5

～11]

(以下简称章氏法)两种方法。至

今，在国内采用白氏法加固土坝2 000余座，加固堤防2 000余千米[1

～3]

。由于白氏法和章氏法在灌浆

孔护壁深浅问题上的不同，导致这两种方法在帷幕形态、灌浆起始劈裂点、浆液运动规律和灌浆机理等方面存在较大差异。因此，对这两种劈裂式灌浆施工技术进行对比分析并展开讨论，将具有十分重要的现实意义。

2 灌浆原理及灌浆孔护壁问题

在大量充填式灌浆基础上，20世纪60年代初山东水利科学研究所首先发现了灌浆压力对坝体的水力劈裂现象，并于70年代初正式把水力劈裂原理应用到土坝坝体的灌浆实践中[1

～4]

，即沿坝(堤防)

轴线布置灌浆孔，利用灌浆压力，劈开裂缝，形成

一道近于垂直并连续的浆体防渗帷幕，解决土坝坝体(或堤身)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(或堤身)某些局部土区的小应力不足，恢复坝体应力平衡，解决变形稳定问题。白氏法在我国水利行业已得到广泛应用，是一种造孔至设计孔深后，自孔口起下入3～5 m套管护壁，再下入注浆管至孔底并注浆的方法。1985年提出的章氏法，仍沿用白氏灌浆原理，是一种将护壁套管下入孔底后再提升0.1～0.5 m为灌浆出口的方法。在相同条件下，由于劈裂坝体钻孔所需要的最小液压一般处于大坝的中部，所以白氏法的起始劈裂灌浆压力要小一些；而劈裂坝体底部钻孔所需要的最小液压相对较大，因而章氏法的起始劈裂灌浆压力要大得多。初始劈裂坝体位置的不同，必然对坝体帷幕形态、灌浆起始劈裂点、浆液运动规律和灌浆机理产生影响。

3 灌浆帷幕形态问题

3.1 白氏法的灌浆帷幕形态

白氏法的灌浆帷幕形态可归纳为纵向、横向或斜向及水平向3类。(1) 纵向：① 大多数灌浆帷幕沿坝轴线形成了一条上宽下窄的主浆脉(厚10～50 cm)，有时平行坝轴线分布1～9条副浆脉(厚0.2～4 cm)，例如山东贺庄水库等[1

～3]

。② 一部分灌浆帷

幕沿坝轴线形成1条中间宽上下窄的主浆脉[12

～15]，

有时也分布有副浆脉，例如安徽城西水库等[1

～4]

。

③ 陕西省观上水库2#竖井深8 m，发现7.5 m以上形成了多条互相交叉且分不出主副的浆脉，7.5 m以下汇合成宽21.5 cm的主浆脉，且向下渐窄。④ 广西忠党水库第1阶段检查井0～5.2 m处有1条浆脉，5.2～7.5 m处有3条浆脉，7.5～9.0 m有2条浆脉但已分开，9.0 m以下浆脉消失；第2阶段检查井从坝顶至2.0 m，浆脉3条合1条；2.0～3.0 m处有2条浆脉，3.0～5.0 m处有4条浆脉，5.0～7.6 m处有3条浆脉，7.6～13.0 m处有1条浆脉，13.0～

第24卷 第9期 罗长军. 土坝坝体劈裂式灌浆施工技术的商榷 • 1607 •

16.0 m处无浆脉[16]，且主浆脉上下窄中间宽。(2) 横向或斜向：在岸坡段和坝基突起处、质量很差或土体比较干燥的坝体的任何部位都可能出现横向或斜向浆脉[1

～4]

。(3) 水平向：当灌浆压力大于坝体小主

应力和土的抗拉强度时，从理论角度来说可能出现水平浆脉，但至今尚未见报道[1

～4]

；本文作者在处

理河南省南阳市电业局输电工区4#，5#住宅楼的废弃防空洞时，为弥补碎石桩法的强度不足，采用灌浆法补强，结果在地层界线和水泥地坪下发现有水平浆脉。

由此可见，白氏法的纵向帷幕形态多中间厚上下窄，有时在坝体下部无浆脉。有些大坝或堤防下部存在质量差、渗漏严重和接触冲刷等隐患，会因下部灌浆帷幕薄或不能灌及等，造成薄的灌浆帷幕经过一段时间渗流后可能被击穿，从而使灌浆帷幕耐久性变差。例如，河南省陡坡水库在1975～1978年进行大规模灌浆，但因灌浆帷幕耐久性差，2003年被迫重新进行灌浆处理；广西忠党水库所挖的2个检查井揭露出下部无浆脉问题，就是白氏法不能灌及所致。从理论角度分析，要求下部帷幕不仅要有而且要尽可能厚一些，这是白氏法必须要解决的问题。

3.2 章氏法的灌浆帷幕形态

1985年，安徽省滁县地区水利局章书录先生在白氏劈裂式灌浆实践基础上，创建了“全孔护壁、孔底灌注”劈裂式灌浆技术，它与白氏法的最大差别在成孔工艺上，即将护壁套管由3～5 m长延伸至孔底0.1～0.5 m处，施工工艺更加简单(集造孔、护壁、注浆于一体，简称“摩擦杆”)。其灌浆帷幕形态也可归纳为纵向、横向或斜向、水平向、交叉状及准桩凝固体等5类。(1) 纵向：① 下宽上窄形态[5

～7，17～20]

，例如，安徽省平原水库废坝进行的原

体对比灌浆试验[5

～7]

(仅灌1次)，发现主浆脉自下而

上向两侧发展，延伸既宽且深，深至孔底部入坝基；灌浆帷幕形态呈椭圆形，且比白氏法的范围大3～5倍，在里塘水库等处也发现沿坝轴线形成了一条下宽上窄的连续主浆脉(宽15～30 cm)。② 在打磨岗水库发现沿坝轴线形成6，7条上下连续、均匀的主浆脉[8

～10]

，帷幕带向下逐渐变厚；在寺上渡槽左

岸灌浆中，发现2条以上主浆脉[19]。(2) 横向或斜向：所发生部位同白氏法。(3) 水平向：在处理紫山灰场排水斜槽上部粉煤灰塌陷时发现了水平的呈

近似圆形的“薄素混凝土面”帷幕[20]；在冶勒水电站第三岩组灌浆中可见多层水平帷幕[21]。(4) 交叉状：在治理某铁路浅层滑坡中，发现垂直浆脉和水平浆脉交叉[22]，浆脉厚度一般5～6 mm，最厚15 mm，有效扩散范围达到1.5 m。(5) 准桩凝固体：黄土地基灌浆中发现，在0.8 m处，形成以灌浆孔为中心的准桩凝固体[23]，向下凝固体直径稍有增大(最大直径0.3 m)；在1.2～2.3 m处3条垂直劈裂缝形成了3条板状凝固体，2.3 m以下凝固体逐渐变小，至3.0 m(试验灌浆底面)处凝固体消失。

综上所述，章氏法的纵向帷幕(或帷幕体)形态一般是下宽上窄，帷幕深至孔底部入坝基，对土坝及堤防工程来说，能够形成下宽上窄的防渗体，就可有效地解决坝体中下部和接触带的渗漏隐患，其灌浆效果良好。

4 灌浆起始劈裂点问题

4.1 白氏法的起始劈裂点 4.1.1 纵向灌浆的起始劈裂点

白氏法因护壁套管下入孔内较浅，虽然注浆管下到孔底，但从注浆管射出的浆液将首先充满注浆管外壁与灌浆孔孔壁之间的空隙，然后在劈裂坝体钻孔所需要的最小淬压点劈开坝体。根据大坝小主应力分析和实测资料[1

～4]

，劈裂坝体钻孔所需要的

最小淬压一般处于大坝的中部。因此，在灌浆压力作用下，在坝体中部某最小主应力分布点劈开坝体，然后向灌浆孔两侧(沿坝轴线方向)、上部或下部形成劈裂缝，同时充填进浆液。由此可见，纵向帷幕灌浆的起始劈裂点是随机的，取决于坝体内最小主应力分布的位置。

4.1.2 横向或斜向及水平向灌浆的起始劈裂点

横向或斜向及水平向灌浆的起始劈裂点取决于坝体内部横向或斜向及水平裂缝发育的位置，属于充填式灌浆内容。对土坝或堤防而言，应尽可能避免出现这种类型的劈裂。 4.2 章氏法的起始劈裂点 4.2.1 纵向灌浆的起始劈裂点

章氏法是将摩擦杆冲击入坝体(或下入套管封孔)至设计孔深，再起拔0.1～0.5 m作为出浆口，因此，钻杆或封孔套管能够与坝体土紧密结合在一起。灌浆时，在孔底0.1～0.5 m处出浆，先劈开孔

・1608・ 岩石力学与工程学报 2005

底0.1～0.5 m处坝体，再逐渐自下而上形成劈裂缝直至坝顶，同时浆液充填于劈裂缝内，一般情况下当灌第2或第3次时就在坝顶出现劈裂缝并冒浆。由于每次劈开坝体都是从孔底开始的，因此，浆液必须从孔底向坝体的中上部流动，这与坝体的应力分布特征联系不甚密切，故灌浆后就形成了下宽上窄的主浆脉或分不出主次的多条主浆脉组成的防渗帷幕体。由于劈裂点位于孔底，因此，它的起始劈裂点可以人为控制，或者说针对隐患点可实现人为有目的的灌浆。水平向灌浆、交叉状灌浆及准桩凝固体的起始劈裂点也处于灌浆孔孔底，是可以认为控制的。

4.2.2 横向或斜向灌浆的起始劈裂点

同白氏法的起始劈裂点。

5 浆液运动规律问题

5.1 白氏法的浆液运动规律简析

对大坝或堤防的纵向灌浆来说，白氏法的起始劈裂点是随机的，不能人为控制，故灌浆时首先在坝体中部某处坝轴线劈裂坝体钻孔所需要的最小液压分布点劈开坝体，并沿坝轴线上的孔壁向上或下、向钻孔两侧的坝体内呈线状扩散劈裂缝；同时，浆液亦呈线状充填于劈裂缝中。待浆液充填满劈裂缝后，在其自重和灌浆压力作用下，再劈开劈裂坝体钻孔所需要的最小液压小于灌浆压力部分的坝体并充填入浆液。由于坝体劈裂坝体钻孔所需要的最小液压在坝轴线上呈中间小、上下大的规律分布，因此在坝体中间形成的劈裂缝比上部或下部要延伸的远，或者说充填浆液要远些，对每一个灌浆孔而言，每次灌浆就形成了中间延伸远、上下延伸较近、呈杏仁状分布的主浆脉。若坝体质量很差，下次灌浆仍沿原劈裂缝劈开并充填叠加浆液，直至多次灌浆形成中间厚上下薄的主浆脉。若坝体质量稍好或在灌浆压力作用下，当劈裂缝延伸到一定程度后不能再发展或不能灌进浆液时，该处坝体局部小主应力就得到了加强。根据规范[24]要求每个灌浆孔至少灌浆5次的规定，若继续灌浆，就会在坝轴线附近相对较弱的坝体内寻找新的起始劈裂点劈开坝体并灌浆，待该处坝体小主应力得到改善后，再重新劈开坝体并灌浆，如此循环反复，就形成了1条至多条主浆脉。经过分序灌浆施工，相邻2个灌浆孔之间

的劈裂缝有可能前后叠加并充填进一次或多次浆液，由于每个灌浆孔的中间部分浆脉延伸较远，因而可能使坝体的中间部分叠加较厚的浆脉，这样就形成了探井中所观察到的中间厚上部或下部薄的一条或多条主浆脉。这一过程可概化为点(随机劈裂点)–线(钻孔)–面(沿坝轴线水平发展)的物理模型[9

，10]

。

5.2 章氏法的浆液运动规律简析

对大坝或堤防的纵向灌浆来说，章氏法的起始劈裂点可以人为控制，故灌浆时首先劈开孔底的坝体，在坝轴线附近呈放射状扩散劈裂缝并充填浆液。由于每次灌浆都从孔底流出浆液，若坝体质量很差，每次都沿着同一弱应力形成劈裂缝，这样就构成了1条主浆脉。出现6，7条主浆脉的原因与坝体应力状态分布有关，灌浆劈裂坝体总是先从最小弱应力面开始，当该面被浆液充填满后，受浆压坝作用，劈裂面两侧坝体土被挤密；灌浆间歇期，坝反过来压浆，从而使这一最小弱应力面应力得到改善加强。下次灌浆时，就劈开相邻的弱应力面，如此反复就形成了多条主浆脉构成的防渗帷幕带，有效地实现了灌浆段下部劈裂，显著地改善了浆脉上下窄中间宽的缺陷。这一过程可概化为点(孔底0.1～0.5 m处)–面(沿坝轴线呈放射状发展)的物理模型[9

，10]

。

6 灌浆机理及研究动态

6.1 白氏法的灌浆机理及研究动态

白氏法的灌浆机理[1～4，11，15，16，25～29]

涉及3方

面的内容：

(1) 土体的可灌性和浆液劈裂土体的应力分析，它包含有：① 土壤的可灌性分析；② 灌浆压力劈裂土壤的应力关系；③ 土坝坝体应力分布和隐患分析；④ 灌浆压力和坝体应力的关系，可通过浆液在平面、横断面的分布和对粗颗粒的包裹关系来反映。

(2) 浆、坝互压的作用机理：① 浆压坝的过程和效果分析；② 坝压浆的过程和效果分析；③ 灌浆压力和裂缝位移的关系。

(3) 浆液和坝体的排水固结：① 灌浆期坝体和浆液孔隙压力的分布变化规律；② 停灌后坝体和浆液的孔隙压力消退和固结规律。

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白氏法对灌浆帷幕形态的观察和灌浆机理的研究较为成熟，并有相应的规范[24]指导全国同类工程的加固和补强工作，取得了显著的社会和经济效益。至今，又突破该规范的界定，由规范规定的均质坝、宽心墙坝、坝高50 m左右、低水位等，扩展至砂坝、水堕坝、湿陷性黄土填筑的土坝、坝高50 m以上的窄心墙坝和高水位运行情况下的大坝加固等，实现了对坝(堤)基粘性土、砂性土、砂卵石以及岩基的劈裂灌浆。同时在渠道防渗、地基半无限体基础固结、基坑支护、边坡治理等方面也取得了显著成绩[18

，30～34]

。随着白氏法应用领域的拓宽，

观察坝体下部或接触带的灌浆帷幕形态并研究其灌浆机理，解决实践中提出的问题，就变得十分迫切。 6.2 章氏法的灌浆机理及研究动态

章氏法中也零星总结了一些灌浆机理[17

～23，35]

，

但总体来说仍沿用白氏法的原理、灌浆机理、规范等。白氏法虽就灌浆帷幕形态积累报道了大量实例，但均为开挖探井所揭露的案例；虽对灌浆机理做了深刻地探讨，但对浆液运动物理模型、坝体下部和接触带的帷幕形态及灌浆机理仍有待于深入研究。章氏法虽在安徽省平原水库废坝进行了原体对比灌浆试验，但仅仅在短时间内对每个灌浆孔灌浆1次，揭示了1次灌浆所形成的帷幕形态，和白氏法的帷幕形态进行了对比，指出了两者之间的区别；用1次灌浆所总结的帷幕形态和灌浆机理来代表规范[24]中要求至少5次灌浆的规律，具体单次和总体灌浆帷幕形态仍无报道，仍沿用现行规范进行灌浆控制，如灌浆压力就明显偏小，导致所形成帷幕厚度就较薄，但究竟多大更合适，还需要开展大量的工作。

7 结论与建议

(1) 白氏法和章氏法灌浆因护壁管深浅位置的不同，从而使灌浆帷幕形态、灌浆起始劈裂点、浆液运动规律、灌浆机理等方面存在较大差异。

(2) 对白氏法、章氏法的灌浆帷幕形态进行了归纳总结，据此对灌浆效果、灌浆起始劈裂点、浆液运动规律及其物理模型、灌浆机理等进行了探讨。

(3) 解决白氏法坝体下部帷幕较薄或不能灌及的问题、建立的章氏法理论框架以及大幅度推广劈裂式灌浆技术治理我国堤坝隐患并广泛应用于地基

加固等，将成为十分紧迫的任务。

(4) 规范[24]是建立在白氏法基础之上的，随着白氏法的灌浆范围不断拓宽，已不能满足生产实践的要求；建议把章氏法的施工技术补充到该规范中，这样将会极大地丰富灌浆施工技术，从而推动灌浆理论的发展。

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更正启示：

《岩石力学与工程学报》2005年24卷6期第1037页公式(1)，(3)为

px=[KγH/(mK−2)][(H−h)/H]−[(H−h)/H](mK−1) (1)

px=a(y−yA)/(A−1)b (3)

应作者要求，特更正为

px=[KγH/(mK−2)]{[(H−h)/H]−[(H−h)/H](mK−1)} (1)

px=a[(y−yA)/(A−1)]b (3)