土壩加固中高壓擺噴截滲墻截滲效果分析

付洪顏

我國土壩大多是在新中國成立初期修建，這些工程幾乎都是在邊勘測、邊設(shè)計、邊施工的“三邊”情況下完成的。不少工程雖然完成，但由于施工清基不徹底，壩體工程填筑質(zhì)量差，給工程留下了諸多的安全隱患，加之多年的運行，水庫病險情況更為嚴重。

根據(jù)1981年的統(tǒng)計資料，我國由滲流而引起的破壞事故率約占31.7%。至1981年全國有2391座水庫失事，其中大型11座，其余為中小型，由于中小型水庫缺少水文地質(zhì)資料，漫壩沖垮者最多，占51.5%，其次就是滲漏導(dǎo)致垮壩，占29.1%，說明由于滲漏而造成的潰壩問題是相當(dāng)嚴重的。所以土壩加固中防滲設(shè)計尤為重要，本文通過對某工程的高壓擺噴在加固設(shè)計截滲效果分析，為高壓擺噴截滲墻防滲設(shè)計提供可靠的設(shè)計依據(jù)。

一、工程概況

某水庫始建于1968年，后斷斷續(xù)續(xù)進行加高培厚，直至1985年才基本完成。水庫大壩為均質(zhì)土壩，全長381m，壩頂寬4.0m，壩頂高程47.68m（吳淞高程系，下同），最大壩高為17.9m。由于大壩施工期限較長和施工條件差，致使壩基清基不徹底，壩身填筑不密實，大壩滲漏十分嚴重。所以需對大壩進行截滲處理，工程加固設(shè)計中通過方案比選后確定采用高壓擺噴截滲墻。

二、計算原理

根據(jù)滲流流態(tài)的連續(xù)性和能量守恒原理，對于滲流場中任一單元土體，滲流的基本微分方程為：

式中：dx、dy、dz 為 x、y、z 方向的空間增量；kx、ky、kz為單元土體內(nèi)土體沿x、y、z方向的滲透系數(shù)；為滲透水頭；φ為滲流的勢能。

目前，諸多文獻中對于大壩滲流計算的理論求解計算方法較為成熟，計算理論也比較齊全；然而理論計算的過程較為復(fù)雜繁瑣。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元計算方法被廣泛應(yīng)用。滲流有限元分析計算是根據(jù)理論方程，用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。即將滲流體分成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。有限元滲流計算關(guān)系表達式為：

有限元分析主要根據(jù)式中單元剛度矩陣[h]e，位移矢量[H]e和近視于荷載矢量的[F]e組成的三者相互關(guān)系。利用計算機程序，根據(jù)公式（1）和公式（2）之間的相互關(guān)系，進行反復(fù)計算直至達到允許誤差范圍。本文借助河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制的二維有限元分析軟件（AutoBank5）對加固前后壩體滲流情況進行分析，以了解截滲效果。

三、壩體計算斷面和計算參數(shù)選取

1.計算斷面選取

根據(jù)以往工程經(jīng)驗和工程地質(zhì)勘查，大壩最大壩高處滲漏情況較為明顯。故本文滲流分析的計算斷面選取最大壩高斷面，如圖1。

2.計算參數(shù)選取

圖1 滲流計算斷面（最大壩高斷面）圖

表1 滲流穩(wěn)定分析計算參數(shù)表

表2 加固前各工況下滲流計算匯總表

圖2 高壓擺噴工序示意圖

由《勘察報告》可知，水庫大壩共分為四層。①層壩體填土：壩體填筑上部為灰黃色夾灰黑色，成份雜亂，主要為粉質(zhì)壤土、水泥土、粉煤灰等，其含量大致相等，稍密狀，中下部為棕黃、灰黃色含礫粉質(zhì)壤土，飽和，土呈軟塑狀，小礫石含量在10%左右。②層壩基表層：存在含礫粉質(zhì)粘土層，未能完全清基，該層土性不均一（本文按2m計），灰色、灰黃色，硬可塑狀，含礫石，礫石含量在10%～15%左右，局部含灰白色高嶺土，該層土較密實，透水性較差，以卵石、砂為主，粘粒、粉粒含量少于15%。③層強風(fēng)化巖層：為輝長巖強風(fēng)化層。④弱風(fēng)化巖層：為輝長巖弱風(fēng)化層。

滲流計算的各土層滲透系數(shù)取值，是在《勘察報告》中提供的試驗值基礎(chǔ)上，同時又考慮工程質(zhì)量、檢測、現(xiàn)場檢查，以及工程多年運行中的滲流情況和地區(qū)經(jīng)驗等因素綜合選取，具體指標(biāo)見表1。

四、截滲墻設(shè)計及計算參數(shù)

加固設(shè)計中對多頭小直徑截滲墻、高壓旋噴截滲墻、套孔沖抓截滲墻和高壓擺噴截滲墻等方案，從可行性、合理性、可靠性和經(jīng)濟性等方面進行比較，最終選用高壓擺噴截滲加固措施。高壓噴射灌漿（簡稱高噴灌漿或高噴）采用高壓水或高壓漿液形成高速噴射流束，沖擊、切割、破壞地層土體，并以水泥基質(zhì)漿液充填、摻混其中，形成樁柱或板墻狀的凝結(jié)體，用以提高地基防滲或承載能力，達到防滲加固大壩目的。高壓擺噴工藝流程如圖2所示。

加固設(shè)計中高壓擺噴截滲墻布置在壩體中部，墻底深入強分化巖1.0m，墻頂高程為49.50m，孔距為1.5m，成墻墻有效厚度為0.22m。根據(jù)相關(guān)工程和施工經(jīng)驗，截滲墻布置于壩頂中軸線上，高壓擺噴截滲墻滲透系數(shù)為i×10-6cm/s。此次分析計算墻體厚度按0.22m計，墻體滲透系數(shù)按1×10-6cm/s計。

五、截滲墻加固效果計算分析

此次滲流分析按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）的要求，針對水庫運行中下列四種工況，用運二維有限元分析軟件AutoBank5對水庫大壩加固前、加固后大壩滲流情況進行模擬分析計算。

（1）上游正常蓄水位44.5m與下游相應(yīng)的水位。

（2）上游設(shè)計水位45.81m與下游相應(yīng)的水位。

（3）上游校核水位46.46m與下游相應(yīng)的水位。

（4）水庫驟降時，大壩由庫水位46.46m分別驟降至35.38 m（1/3壩高處）。

各工況下的大壩下游水位均采用平下游壩腳處的地面高程為29.25m。

通過二維有限元分析軟件AutoBank5計算，各工況下加固前、后滲流計算結(jié)果匯總于表2。

1.出逸點高程及滲流量分析

由表2可知，加固前出逸點高程較高，位于壩坡上，易使壩坡濕軟、散浸等，造成壩坡滲流破壞；加固后出逸點從壩坡降到壩腳，下游壩坡不會出現(xiàn)散浸現(xiàn)象，使得邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)增強；加固后壩坡出逸比降明顯降低，壩體單寬滲流量明顯減小，壩坡滲流性態(tài)更安全。

2.出逸點允許比降分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范所提供的土的滲流允許比降J允許均為壩基垂直向上的允許值，不適合壩坡出逸情況，本文按《滲流計算分析與控制》文獻介紹自由出滲坡面的臨界比降計算方法，浸潤線出逸點處的臨界比降可用以下公式進行計算：

式中：γ'為坡面土的浮容重；γ為水的容重；β為出逸點所在坡面的坡角；為壩坡坡面土層的內(nèi)摩擦角；C為壩坡坡面土層單位土體的凝聚力。

允許比降計算時考慮到以下因素：①本次加固未對原壩體填筑情況進行處理，該水庫大壩是在特定的條件下采用人工挑抬填筑而成；各施工段之間存在界溝界墻，壩體填筑不夠密實等質(zhì)量問題。②對大壩現(xiàn)場檢查與檢測結(jié)果表明，大壩施工存在諸多的質(zhì)量問題，如清基不徹底、岸坡處理不規(guī)范、部分筑壩土料不符合要求。③工程運行中也暴露出一些嚴重的質(zhì)量問題，如壩坡散浸現(xiàn)象嚴重、壩基滲漏嚴重等。綜合考慮各方面的影響因素，計算時取其安全系數(shù)為1.5，即：

經(jīng)計算得出浸潤線出逸點處的允許比降J允許＝0.287。由表2可知，從壩體總的滲流坡降背水側(cè)壩坡最大壩高斷面幾種組合最大滲流出逸坡降為0.265，較加固前出逸比降降低了10%，亦小于容許比降，滿足壩體滲流穩(wěn)定的要求。

六、小結(jié)

（1）采用高壓擺噴截滲墻有效降低壩坡出逸點高程和壩坡出逸比降，對壩體的截滲效果十分明顯。

（2）加固后出逸點從壩坡降到壩腳，下游壩坡不會出現(xiàn)散浸現(xiàn)象，增強了邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)。

（3）加固后壩坡出逸比降明顯降低，壩坡滲流性態(tài)更安全。

（4）此次分析計算均在理論狀態(tài)下進行的，需在加固后進行進一步驗證。

（5）施工過程中需嚴格控制高壓擺噴截滲墻施工質(zhì)量，確保截滲墻的成墻效果