中图分类号：TV641 文献标识码：B 文章编号：1000-1123（2011）10-0028-02
一、概述
20 世纪七八十年代，在某土坝坝轴线附近发现漏浆漏水，经开挖检查发现坝体内有大量的裂缝存在。土坝坝体产生不均匀沉降变形的原因：一是坝体各部位的土柱高度即自身荷载不同，土柱高变形量大，土柱低变形量小，形成应变差。二是土坝在填筑时，土层铺设不均匀，疏松土层沉降变形量大，产生了拉应力土区。图1是山东省贺庄水库大（2）型土坝发生严重变形破坏，经有限元计算沿坝轴线纵向应力场分布情况。其河槽段横断面由于不同土柱高发生应变差，出现了中上部横向主应力不足，沿坝轴线的纵向裂缝拉开。我国相当大部分土坝都存在这一问题。
图1 贺庄坝沿轴线应力分布
弱应力破坏指某一小主应力作用面的受力情况，包括土体已断裂、土体受拉、土体的小主应力不足。前一种情况是国内外研究的重点，后两种情况属于隐患，不易引起人们的重视，但危害很大。一旦坝体内浸润线以下的水压力大于某处土体的总应力，土体会突然被水力劈裂，坝后出现大的管涌，甚至垮坝。尤其是两坝肩土柱高差大，变形差大，容易出现沿坝轴线的纵向受拉土区，发生横向的弱应力破坏，或横向裂缝拉开。河槽段属于横向受拉土区，容易发生沿坝轴线的纵向弱应力破坏，或纵向裂缝拉开。在我国一般土坝几乎都不同程度地存在上述三种状态，土坝经几十年加固治理，防洪标准提高了，弱应力破坏问题便凸显出来。
二、工程实例
广东省揭东县横江中型水库，坝高49.4 m，坝顶高程83.4 m，长330 m，由附近全风化的花岗变质岩坡积和残积土填筑而成，为均质坝。1960 年建成，1970 年9 月遇11 号台风，15 日4∶00 在坝右肩坡下游74 m高程发现管涌漏水，并出现浑水。当时的库水位79.98 m，管涌出口与库水位差5.98 m（水力坡降在允许范围内）。水面以下估计1 m深发现坝前坡有漏水漩涡。垮坝过程见表1。
表1 1970 年9 月横江水库垮坝过程表
1.横江水库垮坝原因和特点
（1）垮坝速度快
从9 月15 日4∶00 发现右岸坝后坡出现管涌，出浑水，到大坝右岸冲开豁口，用了约50 min。左岸自发生管涌群到大坝冲开豁口用了约30 min。自出现管涌洞至两豁口连在一起垮坝，前后不足3 h。
（2）两岸坡段地势陡
右岸坡度为1∶0.65，左岸为1∶1。加之人工填筑，土体疏松，坝体已出现较大沉降，不同土柱高产生了大的变形差，两岸坡段的土体处于沿坝轴线的纵向受拉状态，洪水位上升之前，坝体内已产生了大面积的弱应力破坏土区，为洪水位上升后发生水力劈裂创造了条件。
2.重要教训
我国大部分水库土坝的变形尚未稳定，由于变形差积累的弱应力破坏土区相当大。一旦有产生水力劈裂的条件，就会很快形成危害。我国有不少这样的工程实例，如云南省的澄碧河水库、江西省的柘林水库等。虽然打了混凝土防渗墙，但由于混凝土和土的变形模量相差悬殊，在变形过程中，第一主应力和第二主应力减少，混凝土防渗墙和大坝土体之间被拉开裂缝，有的沿坝轴线纵向裂缝宽度达到30 cm。但如果采用劈裂灌浆技术，不仅能构筑可靠的防渗泥墙帷幕，尤其是整体的大坝应力场得到充分调整和补充，而且使大坝的渗流和变形稳定问题都得到解决。
三、解决土坝弱应力破坏的工艺技术
解决土坝坝体渗流稳定和变形稳定的技术，目前首推劈裂灌浆技术。自该项技术发明推广以来，国内已有3 000 余座病险土坝处理成功，有些已超过30 年，至今无任何再破坏现象。其中有少数已处理过的土坝出现反复，经总结，主要是因施工队伍素质低，不掌握规范所致。土坝劈裂灌浆技术比其他加固技术有以下优势：
1.劈裂灌浆的应力调整作用
土坝变形破坏的原因是由于坝体内某些土区拉应变能长期积累发展的结果。劈裂灌浆沿坝轴线小主应力作用面布置灌浆孔，通过灌浆压力对坝体土的劈裂挤压，使拉应变能充分释放，对主应力不足的土体进行补充，使土体变形稳定。灌浆压力在施工复灌的过程中经多次对坝体土的劈裂和对劈裂缝两侧土体的压缩、充填、渗透，应力得到充分调整；同时又经多次停灌使坝体土的压缩泥浆回弹，促使泥浆脉的排水固结硬化。劈裂灌浆的过程，是一个在坝体内部不同应力场土区的应力调整和应力再分配过程。在某一时段、土区的某一高程灌浆压力是一常量，而在同一高程土区的土体主应力是一变量，压力泥浆的劈裂、发展及走向，遵守最少功能原理。凡是某些土区已拉开裂缝或主应力不足，就会被压力泥浆扩宽或劈开，主应力不足的部分由灌浆压力补充，达到同一高程土区的应力平衡。对某些已发生变形破坏了的土坝，灌浆压力对坝体某方向的主应力补充值会更大。
2.劈裂灌浆的抗渗作用
劈裂灌浆的抗渗作用主要是靠基本垂直坝体渗流方向沿坝轴线所形成的竖直连续的防渗泥墙和压力泥浆，通过挤压、充填、渗透、湿化固结，形成宽约10 m的防渗带。该防渗带所营造的抗渗坡降，有足够的抗渗强度来消解库水位在坝体土中所发生的渗透力。
如灌浆压力可视为压力泥浆在坝体内所产生的压力水头，设防渗泥墙至坝后滤水体的水平距离为渗径L，则压力泥浆所形成的抗渗坡降为：
坝体内浸润线的水力坡降为：
式中，H 为水库水位，m；h 为坝后滤水体水位，m；△P 为注浆管顶部的孔口压力，t/m2；r′h′为注浆管孔口至坝体内部某一高程的泥浆柱压力，t /m2。
显然，△P+r′h′＞（H-h）r，所以i1 ＞ i2。
防渗带的抗渗效果还决定于泥墙的连续性。由于坝体的梯形横断面几何形状，沿坝轴线沉降变形量最大，横向的小主应力σ3最小，压力泥浆很容易沿坝轴线有规律地沿σ3的作用面劈开坝体，形成防渗带保证了其连续性。凡通过防渗带的弱抗渗土体中i1＜i2的部分都会被击穿，然后被泥浆堵死，保证了压力泥浆的抗渗强度。所以劈裂灌浆所形成的防渗帷幕，抗渗安全度较高，造价只是混凝土防渗墙的1/3，可以在高水位情况下施工，不误水库蓄水。
参考文献：
[1] 白永年，刘宪奎.土坝坝体和堤防灌浆[M].北京：中国水利电力出版社，1985.
[2] 白永年.用土坝劈裂灌浆代替混凝土防渗墙[J].中国水利，2009（14）.
[3] 顾淦臣.劈裂灌浆的理论根据和实践创新[J].水利建设与管理，2000（5）.
[4] 白永年.对土坝劈裂灌浆几种特殊工艺的要求[J].水利建设与管理，2009（1）.
作者简介：白永年，教授级高级工程师。
