水泥土攪拌樁防滲墻對(duì)土壩防滲效果的模擬研究

郝 潔，李 軍*，鄭國(guó)寶，賈海磊，潘文明

(1. 水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2. 丹陽(yáng)市長(zhǎng)江堤防工程管理處，江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

水泥土攪拌樁是通過(guò)施工機(jī)械在地基深處將軟土和水泥強(qiáng)制攪拌，經(jīng)一系列反應(yīng)硬結(jié)成具有整體性、阻水性和一定強(qiáng)度的承重樁，在壩體中連續(xù)的攪拌樁構(gòu)成了水泥土防滲墻。土質(zhì)防滲體需在筑壩期間施工且施工難度較高，而水泥土攪拌樁防滲墻具有經(jīng)濟(jì)、可靠、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，可用于后期澆筑。在工程實(shí)際中水泥土攪拌樁防滲墻多應(yīng)用在水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程[1-3]，目前針對(duì)防滲墻的施工工藝也有較多研究[4-5]。在水泥土攪拌樁防滲墻的效果方面，王靜芳[6]對(duì)比了無(wú)防滲、單排和雙排攪拌樁防滲墻，得出雙排水泥土攪拌樁防滲墻有更好的防滲效果。侯永峰等[7-9]分別以粘性土和砂土為原狀土，摻入不同比例的水泥進(jìn)行試驗(yàn)得出一系列的水泥土對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)。董凱赫[10]對(duì)不同水泥摻量水泥土的滲透性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。王丹[11]針對(duì)防滲墻滲透系數(shù)、成墻厚度、深度方面都做了一系列假設(shè)，進(jìn)行了滲流分析，但對(duì)滲流網(wǎng)和浸潤(rùn)線沒(méi)有作出分析對(duì)比。在滲流觀測(cè)資料分析方面，滿紅飛[12]對(duì)土石壩的滲流觀測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果作了對(duì)比，但實(shí)際分析過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行反演。

本文采用有限元分析方法和實(shí)測(cè)資料對(duì)水泥土攪拌樁防滲墻防滲效果進(jìn)行研究，在實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上對(duì)水泥土攪拌樁防滲的效果進(jìn)行分析，并通過(guò)有限元分析防滲墻墻體位置及墻體深度對(duì)抗?jié)B穩(wěn)定性指標(biāo)的影響，為水泥土防滲墻設(shè)計(jì)提供進(jìn)一步的優(yōu)化指標(biāo)。研究成果對(duì)于水泥土攪拌樁防滲墻的施工設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 水泥土攪拌樁防滲墻觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

1.1 水泥土攪拌樁防滲墻工況

江蘇省某水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，壩高14.90 m。除險(xiǎn)加固對(duì)大壩進(jìn)行了防滲處理，壩體采取多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻防滲，范圍為K0+000—K0+962，墻厚0.3 m，防滲墻進(jìn)入壩基粉質(zhì)粘土層不小于1 m。

攪拌樁防滲墻參數(shù)：施工單樁直徑500 mm，樁間中心距400 mm。固化劑采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量(占天然土重的百分比)15%。根據(jù)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，防滲墻成樁完整、連續(xù)、質(zhì)量穩(wěn)定，外觀質(zhì)量好，樁搭接滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果，防滲墻滲透系數(shù)在8.9×10-8～7.5×10-7cm/s之間。

本次滲流實(shí)驗(yàn)選取距大壩左起612 m作為典型斷面(該斷面有較全的地質(zhì)勘查參數(shù)，且有測(cè)壓管監(jiān)測(cè)斷面)，典型斷面滲流計(jì)算簡(jiǎn)化土質(zhì)材料分區(qū)見(jiàn)圖1。各土層原地勘測(cè)滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層滲透系數(shù)表

圖1 典型斷面滲流計(jì)算簡(jiǎn)化材料分區(qū)圖Fig.1 Simplified material partition graph for typical section seepage calculation

1.2 大壩測(cè)壓管布置及觀測(cè)結(jié)果

在大壩防滲墻前后(P5，防滲墻前1 m；P6，防滲墻后1 m)，下游(P7，防滲墻后13 m)、坡腳(P8，防滲墻后34 m)，各布置一個(gè)測(cè)壓管，同時(shí)觀測(cè)測(cè)壓管水位。水庫(kù)典型斷面2010年6月份測(cè)壓管水位觀測(cè)值如表2所示。

由表2可知，防滲墻前后水位落差明顯，均達(dá)到2 m以上，說(shuō)明防滲墻有降低壩體內(nèi)水頭的效果。根據(jù)朱朝陽(yáng)[13]對(duì)混凝土防滲墻浸潤(rùn)線位勢(shì)的分析，經(jīng)過(guò)混凝土防滲墻后的剩余位勢(shì)在40%時(shí)判斷防滲墻效果較好。由表3可知，當(dāng)庫(kù)水位在24.98～25.11 m時(shí)，典型斷面經(jīng)過(guò)水泥土攪拌樁防滲墻后的剩余位勢(shì)在69.80%～70.04%之間，由于水泥土攪拌樁防滲墻與土體結(jié)合，本身作用效果不及混凝土防滲墻，經(jīng)過(guò)防滲墻后位勢(shì)變動(dòng)較大(在15%以上)也能說(shuō)明該工程中防滲墻防滲效果較好。實(shí)測(cè)各點(diǎn)水位在上游水位變動(dòng)情況下都有所變化，說(shuō)明測(cè)壓管對(duì)水位變動(dòng)反應(yīng)靈敏。鑒于以上特點(diǎn)，2016年現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大壩進(jìn)行檢查時(shí)，未發(fā)現(xiàn)大壩有明顯滲漏異常，結(jié)合施工期滲流數(shù)據(jù)，可判斷測(cè)壓管數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，符合實(shí)際滲流情況。

表2 典型斷面大壩測(cè)壓管水位

表3 典型斷面測(cè)點(diǎn)位勢(shì)統(tǒng)計(jì)表

2 滲流有限元模型構(gòu)建和驗(yàn)證

目前常用的滲流模型主要有：基于拉普拉斯方程的流網(wǎng)法，根據(jù)流線和等勢(shì)線的關(guān)系及水頭損失繪制流網(wǎng)；求基本方程數(shù)值解的有限單元法；用電磁場(chǎng)模擬滲流場(chǎng)的電擬試驗(yàn)法；在平面滲流條件下求解穩(wěn)定滲流的水力學(xué)方法。滲流模型不考慮滲流在土壤孔隙中流動(dòng)路徑的迂回曲折，只考慮滲流的主要流向，并認(rèn)為全部滲流空間均被水所充滿。本文采用能夠描述復(fù)雜滲流情況的有限單元數(shù)值解法。

2.1 模型構(gòu)建和網(wǎng)格剖分

根據(jù)大壩壩體、壩基填筑和地質(zhì)情況，選取典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算。建模時(shí)下邊界取壩體向下延伸1倍壩高的位置，上游邊界延伸0.5倍壩寬的位置。網(wǎng)格劃分參考簡(jiǎn)化的各土質(zhì)材料分區(qū)邊界，網(wǎng)格單元基本采用四邊形，個(gè)別部位采用三角形過(guò)渡，該模型總單元數(shù)為13 166個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)13 438個(gè)。滲流平面有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 典型斷面滲流有限元平面網(wǎng)格圖Fig.2 Seepage finite element plane grid of typical section

2.2 模型驗(yàn)證

表1中各土層原地勘測(cè)滲透系數(shù)是針對(duì)某一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，不能完全代表各土層平均滲透系數(shù)的真值，因此在模型計(jì)算中需針對(duì)滲透系數(shù)合理取值范圍進(jìn)行調(diào)試反演，獲得更符合實(shí)際情況的模型參數(shù)。選取典型斷面附近的監(jiān)測(cè)斷面，選取實(shí)測(cè)資料中2010年6月5日的數(shù)值作為本次計(jì)算的依據(jù)。

根據(jù)表1中滲透系數(shù)小值平均值計(jì)算浸潤(rùn)線，與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算斷面實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位比較

由表4可知，直接使用地勘資料所得浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)水位有一定差別，尤其是防滲墻前后水位差與實(shí)際情況不符，故結(jié)合地勘的滲透系數(shù)范圍和2010年6月5日監(jiān)測(cè)斷面的水位取值，對(duì)計(jì)算斷面的滲透系數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，反演計(jì)算結(jié)果如表5和圖3，反演得到各土層滲透系數(shù)見(jiàn)表6。

表5 計(jì)算斷面實(shí)測(cè)水位和反演后計(jì)算水位比較

圖3 反演后計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比Fig.3 Comparison of measured water level and calculated water level after inversion

經(jīng)過(guò)反演計(jì)算，浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)相近，防滲墻前后的水頭變化及防滲墻后的三個(gè)測(cè)壓管水位更接近實(shí)測(cè)值，整體浸潤(rùn)線和實(shí)測(cè)值相近，可認(rèn)為滲透系數(shù)反演取值比較合理。故選取表6滲透系數(shù)進(jìn)行滲流驗(yàn)算。

表6 反演后各土層滲透系數(shù)

2.3 防滲墻效果分析

為了說(shuō)明水庫(kù)水泥土攪拌樁防滲墻的作用效果，上游采用水位26.38 m，對(duì)比加入防滲墻前后的工況進(jìn)行分析。分析結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5和表7。

圖4 無(wú)防滲墻時(shí)的滲流計(jì)算結(jié)果Fig.4 Seepage calculation results without impervious wall

圖5 防滲墻加固處理后的滲流計(jì)算結(jié)果Fig.5 Seepage calculation results of impervious wall reinforcement

由圖4和圖5可知，加入防滲墻后，墻前有一定的壅水，墻后浸潤(rùn)線降低，防滲墻前后水位差明顯；由表7可知，加入防滲墻后，滲流量減少，下游出逸點(diǎn)高程降低，下游最大滲透坡降減小?？梢?jiàn)加入防滲墻后，滲流穩(wěn)定性增加，防滲效果明顯。

表7 加入防滲墻前后的滲流計(jì)算結(jié)果

3 防滲墻墻體位置及墻體深度對(duì)防滲效果的影響

針對(duì)實(shí)際壩體，設(shè)立防滲墻位置在壩體上游壩坡(53 m)、壩頂上游(63.62 m)、壩頂中部靠前(66 m，原防滲墻位置)、壩頂下游(70.22 m)和下游壩坡(80 m)五種情景(圖6)，利用有限單元法進(jìn)行模擬計(jì)算，分析防滲墻的位置對(duì)防滲效果的影響。同時(shí)對(duì)比防滲墻底位于不同深度時(shí)的防滲效果。表8為不同防滲墻位置和深度對(duì)防滲效果的計(jì)算結(jié)果。

圖6 防滲墻位置布置圖Fig.6 Position layout of impervious wall

表8 防滲墻位置和深度對(duì)于防滲效果的影響計(jì)算

圖7(a)(b)(c)中橫坐標(biāo)為防滲墻位置，不同顏色折線代表防滲墻貫入不同的深度。在相同的成墻深度下，總滲流量隨防滲墻的后移有增大的趨勢(shì)，墻前后水位落差隨防滲墻的后移有減小的趨勢(shì)，壩基及背水坡最大滲透坡降隨防滲墻后移有增大的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，防滲墻越靠前，壩體的滲流穩(wěn)定性越好。

圖7 滲流量變化、防滲墻處水位落差及滲透坡降變化圖Fig.7 Graph of seepage flow changes, water level drop at the cutoff and permeability gradient change

圖7(d)(e)(f)中橫坐標(biāo)為防滲墻高程，不同顏色折線代表防滲墻處于不同的位置。防滲墻位置相同時(shí)，總滲流量隨防滲墻貫入深度的增加而減少，墻前后水位落差隨防滲墻貫入深度的增加而增加，壩基及背水坡最大滲透坡降隨防滲墻成墻深度的增加而降低。由此可見(jiàn)，防滲墻貫入深度越深，壩體的滲流穩(wěn)定性越好。

以防滲墻實(shí)際成墻深度16 m處為例，壩體滲流量隨防滲墻位置前移有減小的趨勢(shì)，滲流量隨防滲墻位置的變化斜率為2.9×10-9，即防滲墻每向前移動(dòng)1 m，單寬流量減小2.9×10-9m3/s。

考慮到壩體穩(wěn)定性和滲流量等因素，防滲墻應(yīng)布置在壩頂上游(63.62 m)處，單寬流量為1.41×10-6m3/s。實(shí)際工程中為施工方便，將防滲墻布置在壩頂中部偏上游的位置(66 m)，該位置距壩頂上游位置2.38 m，單寬流量差為10.0×10-8m3/s，占防滲墻位于壩頂上游時(shí)單寬流量的0.7%，該差值對(duì)于防滲效果的影響較小，故綜合考慮，將防滲墻的位置布置在壩體中部靠近上游處較為合理。

4 結(jié)論

1)加入防滲墻后，滲流穩(wěn)定性增加，防滲效果明顯。

2)在防滲墻高程取實(shí)際深度情況下，由壩下游至壩上游單寬滲流量變化為1.44×10-6～1.36×10-6m3/s，壩前后水位差變化為2.39～2.91 m，防滲墻越靠上游，單寬滲流量減少，墻前后水位落差增加，壩基及背水坡最大滲透坡降降低，壩體的滲流穩(wěn)定性越好。

3)在防滲墻高程取實(shí)際位置(66 m)情況下，防滲墻越深，單寬滲流量減少，墻前后水位落差增加，壩基及背水坡最大滲透坡降降低，壩體的滲流穩(wěn)定性越好。

4)防滲墻的位置布置在壩體中部靠近上游處較為合理，但考慮實(shí)際工程中施工要求，適當(dāng)將防滲墻位置后移布置在大壩軸線處，對(duì)于滲流量變化影響較小。