林 鵬,陳慧美,王艷群,黃滌宇

(1.同濟大學(xué)地下建筑與工程系,上海200092;2.汕頭大學(xué)土木工程系,廣東汕頭 515063)

0 前 言

全球變暖,多雨和干旱季節(jié)頻繁,在多雨的季節(jié),隨著河道水位的驟漲或驟降,堤壩兩側(cè)形成一個較大的水頭差,土體以及壩身的滲流出現(xiàn)不穩(wěn)定性,引起管涌、流沙等工程現(xiàn)象,滲流所引起的管涌、流沙現(xiàn)象在每年的洪汛季節(jié)會造成很嚴重的工程事故。目前水利工程中的防滲處理主要是灌漿帷幕方法[1～3],但在縱向很長的堤圍工程中,灌漿法存在著造價很高而且定向加固不能很好確定的問題。深層攪拌水泥土墻作為防滲墻在基坑工程中應(yīng)用非常廣泛[4,5],但在水利工程中,如何根據(jù)堤圍的工程特點,合理應(yīng)用深層攪拌水泥土墻,降低造價,滿足工程要求則存在著很多問題[6,7]。

汕頭市梅溪河是韓江流經(jīng)汕頭出海的主要支流,兩岸是汕頭的主要工業(yè)基地及民居密集地,每年汛期兩岸堤圍都有不同程度的滲流破壞情況,需要對堤壩進行滲流分析,采取必要的加固措施。本文研究深層攪拌水泥土墻作為土石壩堤圍防滲加固措施的可行性及適用情況,以汕頭梅溪河堤圍一試驗段為研究分析對象,進行一系列現(xiàn)場、室內(nèi)實驗,包括現(xiàn)場施工工藝試驗、鉆孔抽芯試驗、注水試驗和室內(nèi)滲壓試驗等,分析水泥土的防滲加固效果。采用有限元數(shù)值方法建立堤圍滲流的分析模型,分析不同水位下加固前、后堤圍的滲流規(guī)律。為考慮極端氣候造成水位突變的影響,采用非穩(wěn)態(tài)滲流理論[8],分析水位變化對堤圍的滲流影響,得到一些有用的結(jié)果,對整個大壩加固的設(shè)計、施工起到很好的指導(dǎo)作用,對深層攪拌水泥土墻作為防滲墻在類似水利工程中的應(yīng)用有一定的推廣價值。

1 堤圍水泥土防滲墻試驗區(qū)效果分析

梅溪河堤身及地質(zhì)剖面情況如圖1,堤身為人工填土,由花崗巖風(fēng)化土和粉質(zhì)粘土組成,厚度5.96 m,密度ρ=1.89 g/cm3,含水率 w=27.6%,孔隙比 e=0.778,滲透系數(shù) k=4.3×10-4cm/s;堤基第一層為粉質(zhì)粘土,厚度 1.24 m,密度ρ=1.81 g/cm3,含水率 w=40.2%,孔隙比 e=1.062,滲透系數(shù) k=3.9×10-6cm/s;第二層為淤泥質(zhì)土,厚度1.3 m,密度ρ=1.76 g/cm3,含水率 w=43.5%,孔隙比 e=1.147,滲透系數(shù) k=1.6×10-6cm/s;第三層為中砂,厚度2.2 m,密度 ρ=2.01 g/cm3,含水率 w=18.9%,滲透系數(shù) k=1.762×10-2cm/s;第四層為淤泥質(zhì)土,厚度1.4 m,密度ρ=1.72 g/cm3,含水率w=42.5%,孔隙比 e=1.12,滲透系數(shù) k=7.04×10-6cm/s。

圖1 堤壩及地質(zhì)剖面情況

根據(jù)地質(zhì)情況,梅溪河左岸采用深層攪拌水泥土防滲墻方法加固大壩,為了解防滲墻的工作情況和適合本工程地質(zhì)情況的最佳技術(shù)參數(shù),施工一段深層攪拌水泥土防滲墻作為防滲試驗區(qū)。在離岸邊2 500 mm的堤圍處打兩排深層攪拌樁,形成水泥土防滲墻,攪拌樁樁徑D=500 mm,樁中心距d=400 mm,防滲墻寬度900 mm,長度 l=12 100 mm,采用32.5 R號普通硅酸鹽水泥,水泥漿的水灰比為0.50,水泥土墻剖面情況如圖2所示。

1.1 現(xiàn)場試驗及效果分析

1.1.1 抽芯試驗

在水泥土墻不同位置、不同深度進行鉆孔抽芯試驗,試驗結(jié)果表明各位置的水泥土完整性良好,取若干位置的水泥土樣進行室內(nèi)滲壓試驗。抽芯鉆孔位置見圖3。

圖2 水泥土防滲墻位置圖

圖3 防滲井布置圖

1.1.2 防滲井注水試驗

將抽芯試驗留下的鉆孔形成防滲井,進行注水試驗,確定各段水泥土的滲透系數(shù),評價加固、施工效果。防滲井位置見圖3,注水試驗測得的水泥土的滲透系數(shù)如表1。從表中結(jié)果可看到,滲透系數(shù)隨水泥滲入量的增加而減少,采用復(fù)攪的施工工藝有更好的質(zhì)量穩(wěn)定性,土體滲透性降低明顯。原來透水性相對較好的人工填土層、中砂層經(jīng)處理改良后,水泥土滲透性降低明顯,原來相對隔水的粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)土層的滲透性也相應(yīng)降低,此處進行大面積加固處理時水泥漿可適當(dāng)減少。

表1 現(xiàn)場注水試驗測得的水泥土滲透系數(shù)

1.2 水泥土室內(nèi)滲壓實驗

對現(xiàn)場深層攪拌水泥土墻抽芯取樣,進行室內(nèi)滲壓試驗,即讓水泥土樣在一定壓力下進行側(cè)限壓縮試驗,變形穩(wěn)定后再施加一定水頭壓力進行滲透試驗,試驗裝置如圖4。抽芯水泥土樣進行了 0 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa壓力狀態(tài)下的滲壓試驗,部分試驗成果如表2(水泥滲入量均為15%)。

從表2可看到,與現(xiàn)場注水試驗結(jié)果相同,原來透水性相對較好的人工填土層、中砂層經(jīng)處理改良后,水泥土滲透性降低明顯。上覆土的壓力對水泥土的滲透性有一定影響,進行滲流過程數(shù)值分析時可適當(dāng)考慮。

根據(jù)現(xiàn)場注水試驗、室內(nèi)滲壓試驗結(jié)果,考慮水泥土的完整性及防滲要求,建議水泥土防滲墻采用15%的水泥摻入量,原來透水性相對較好的土層采用復(fù)攪工藝施工。

圖4 滲壓試驗壓力室裝置圖

表2 室內(nèi)滲壓試驗得到的水泥土滲透系數(shù)

2 加固前、后堤圍滲流的數(shù)值分析

為分析加固前、后堤圍的滲流情況,本文采用PlaxFlow有限元程序,考慮不同水位對堤圍滲流的影響,對堤圍進行數(shù)值分析。壩頂標高0.00 m,平時正常水位為-4.0 m,50 a一遇洪汛水位為-1.2 m,堤內(nèi)地下水位為-4.7 m。

2.1 加固前堤圍滲流情況分析

為了分析加固前堤圍可能存在的問題,在數(shù)值分析中比較正常水位、洪汛水位以及水位暴漲至洪汛水位三種不同情況對堤壩的影響。其中,正常水位、洪汛水位兩種情況采用穩(wěn)態(tài)滲流分析;水位暴漲至洪汛水位情況采用非穩(wěn)態(tài)滲流分析。不同水位下的堤圍滲流情況見圖5、圖6、圖7,滲流分析結(jié)果見表3。

圖5 正常水位下的流場

圖6 洪訊水位下的流場

從有限元分析的滲流圖可以看出,滲流量主要集中在中砂層。從表3滲流的分析結(jié)果可以看出,在洪汛水位和水位暴漲情況下,最大滲流量已達3.14～3.15 m3/(d·m)。在水位暴漲的過程中,壩身中的浸潤線要比其它兩種情況的浸潤線更高更陡,壩身出滲點的位置也有所上升。

圖7 水位暴漲下的流場

表3 不同水位下加固前堤圍的滲流結(jié)果

2.2 加固后堤圍滲流的有限元分析

加固后的水泥土防滲墻位置見圖2,考慮正常水位、洪汛水位以及水位暴漲至洪汛水位三種不同情況對加固后堤圍滲流的影響,在有限元數(shù)值分析中,水泥土的水泥摻入量為15%,水泥土的滲透系數(shù)根據(jù)室內(nèi)滲壓試驗,按照其不同位置、不同壓力綜合考慮。正常水位、洪汛水位以及水位暴漲至洪汛水位三種不同情況下加固后堤圍的滲流圖見圖8、圖9、圖10,分析得到不同水位下堤圍滲流的最大滲流速度、最大滲流量、水力坡降等結(jié)果見表4。

圖8 防滲墻在正常水位下的流場

圖9 防滲墻在洪訊水位下的流場

圖10 防滲墻在水位暴漲下的流場

表4 不同水位下加固后堤圍的滲流結(jié)果

以水位暴漲的滲流過程分析為例,對比圖7和圖10,可以發(fā)現(xiàn),加入水泥防滲墻后的壩身,水體在壩體內(nèi)的流線長度比未加防滲墻時的長度要長,在水位情況一定的條件下,加入水泥土防滲墻后的水力坡降會大大減小,壩身的滲流水量也明顯減少,這對堤圍的安全性是十分有利的。由表4可以看到,在不同水位下,加固后的滲流量、滲流速度、水力坡降均有很大的改善,滲流量只有原來的1/15～1/20。

3 結(jié) 論

經(jīng)過以上的試驗和計算分析,可以得到以下結(jié)論:

(1)現(xiàn)場和室內(nèi)滲壓試驗表明,原來透水性相對較好的人工填土層、中砂層經(jīng)處理改良后,水泥土滲透性降低明顯。水泥土的滲透系數(shù)隨著上覆壓力的增加而減少,進行具體滲流分析時可根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力及所處位置取值。

(2)滲流過程的有限元數(shù)值分析表明,在洪汛水位及水位暴漲情況下,未加固的堤圍有一定的安全隱患,特別是壩基的透水層滲水量偏大。水位突變對堤圍滲流的安全性有極大的影響,進行非穩(wěn)態(tài)的滲流分析是必要的。

(3)堤圍經(jīng)過深層攪拌水泥土防滲墻的加固后,達到了滲流控制的預(yù)期效果。各土層的滲透系數(shù)均有所降低,特別是中砂層的滲透系數(shù)由k=1.762×10-2cm/s減少到約k=2.0×10-6cm/s。汛期時加固后的滲流量、滲流速度、水力坡降均有很大的改善,滲流量只有原來的1/15～1/20,效果非常顯著。說明深層攪拌水泥土防滲墻應(yīng)用于堤圍大壩的滲流控制是可行的,是堤圍大壩加固的一種合理、經(jīng)濟的方法。

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