鄭源

（潮州市湘橋區(qū)財(cái)政局投資審核中心，廣東 潮州 521000）

0 引言

土壩充填灌漿是利用漿液壓力，充填壩體內(nèi)已有的裂縫、洞穴等壩體隱患，以達(dá)到加固堤壩的一種灌漿方法。目的是通過(guò)充填裂縫、漏洞以提高壩體的防滲能力，同時(shí)通過(guò)漿液與松散壩體相互融壓、固結(jié)，一定程度改善土體剪應(yīng)力，進(jìn)而提高壩體的滲流穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。充填灌漿良好的工程效果使其被廣泛用于處理壩體裂縫、壩體蟻穴、壩下涵管接觸帶、壩體滲漏和渠道防水等工程問(wèn)題。

由此可知充填灌漿范圍是影響土壩滲流分析和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的重要因素，但充填灌漿范圍理論計(jì)算目前暫不明晰，大漿量的灌漿方案可能因?yàn)橥馏w特性無(wú)法形成大灌漿半徑而造成浪費(fèi)，小漿量的灌漿方案可能因?yàn)榭拙噙^(guò)密給后續(xù)施工質(zhì)量把控和工期帶來(lái)不便。因此，為確保工程能夠發(fā)揮功效同時(shí)提高財(cái)政資金的使用效益，文章提出了充填灌漿范圍理論計(jì)算公式并研究不同灌漿布置方案對(duì)工程造價(jià)的影響，可供設(shè)計(jì)人員參考使用。

1 工程概況

某小（1）型水庫(kù)壩址位于寧江一級(jí)支流曾坑河上游，集雨面積為0.90 km2，于1980 年竣工，本次大壩主要加固內(nèi)容為重建上游護(hù)坡、完善壩頂結(jié)構(gòu)、重建部分反濾棱體，壩體增設(shè)充填灌漿。加固后大壩最大壩高17.30 m，壩頂寬4.90 m，壩頂長(zhǎng)度70 m。迎水坡坡比1:2.50，背水坡坡比1:2.50，壩后坡設(shè)置棱體排水。大壩壩體主要以雜填土為主，由砂巖殘積土、砂土、粘土、礫石、粉土組成，滲透系數(shù)K=3.19×10-3cm/s，天然孔隙率0.35，壩基土主要為殘積土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。

加固前經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，主壩外觀情況完好。壩頂未發(fā)現(xiàn)積水、變形、裂縫等異?，F(xiàn)象；背水坡未發(fā)現(xiàn)裂縫、剝落、滑動(dòng)等異?，F(xiàn)象。

2 充填灌漿有效半徑理論計(jì)算

2.1 灌漿量的確定

土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成的三相體系，充填灌漿為漿液填滿土中空隙的過(guò)程，因此土體天然孔隙率是影響灌漿量的重要因素，多年的灌漿實(shí)踐也表明，充填灌漿量與壩體土料顆粒組成及壩體的填筑狀況密切相關(guān)，當(dāng)土料含礫量大及土質(zhì)松散時(shí)，灌漿量較大。鑒于漿液在填充土體過(guò)程中不可能飽和填充，且填充介質(zhì)存在各向異性等復(fù)雜的邊界條件，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》對(duì)漿液填充孔隙系數(shù)的研究，填充孔隙系數(shù)取0.60～0.80，黏性土壩每孔每米灌漿量大多集中在1～3 t/m。

2.2 灌漿半徑

灌漿模擬分析目前存在漿液擴(kuò)散規(guī)律復(fù)雜、地質(zhì)條件隱蔽等問(wèn)題，充填灌漿流動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律擬定沿注漿管四周均勻擴(kuò)散，參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》單液硅化法加固黃土溶液用量公式反推充填灌漿有效加固半徑r計(jì)算公式如下：

式（1）中：α—漿液填充孔隙系數(shù)，可取0.60～0.80，出于安全考慮此次取0.80；Q—每孔漿液灌注量（t）；n—擬加固土的天然孔隙率；l—灌注孔長(zhǎng)度（m）；d—灌注漿液的相對(duì)密度。

2.3 灌漿布置方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選

結(jié)合《土壩灌漿技術(shù)規(guī)范》（SL564-2014）規(guī)范與項(xiàng)目實(shí)際，漿液相對(duì)密度根據(jù)規(guī)范要求取1.50 g/cm3，灌漿孔距取1～2 m，鉆孔深度進(jìn)入殘積土壩基1 m。

為保證滲流安全，擬定充填灌漿防滲墻有效寬度為1.40 m，以灌漿量和孔距為控制參數(shù)布置了三個(gè)灌漿方案，如圖1所示。主要施工工藝為鉆孔和灌漿充填，充填灌漿造價(jià)依據(jù)采用《廣東省水利水電工程設(shè)計(jì)概（估）算編制規(guī)定》和《廣東省水利水電建筑工程預(yù)算定額》，材料價(jià)格采用當(dāng)?shù)刈钚滦畔r(jià)，方案布置參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖1 灌漿布置方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選圖

表1 灌漿布置方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選表

由上表可知，在充填灌漿防滲墻有效寬度一定的情況下，大灌漿量形成大灌漿半徑的方案更具經(jīng)濟(jì)性，造價(jià)節(jié)省近35%，因此選定方案三。

3 大壩滲流安全分析

3.1 滲流計(jì)算方法和計(jì)算工況

此次滲流分析采用理正軟件滲流計(jì)算模塊有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)SL189-2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，此次滲流計(jì)算采用以下四種工況進(jìn)行分析：①正常運(yùn)用條件：上游正常蓄水位與下游不利水位；上游設(shè)計(jì)水位與相應(yīng)下游水位；上游庫(kù)水位降落。②非常運(yùn)用條件：上游校核水位與相應(yīng)下游水位。

3.2 計(jì)算參數(shù)的選定

根據(jù)灌漿規(guī)范和多地充填灌漿實(shí)踐研究表明，灌漿后滲透系數(shù)可取1×10e-6 cm/s，出于安全考慮此次取5×10e-5 cm/s。其余參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位檢測(cè)和壩體鉆孔勘探成果。此次壩體滲流安全分析壩體、壩基滲透系數(shù)取值如表2所示。

表2 滲流分析計(jì)算參數(shù)采用值表

3.3 滲流計(jì)算結(jié)果

按照擬定的滲流計(jì)算模型和滲流有限元方法進(jìn)行滲流計(jì)算，各工況下的滲流計(jì)算浸潤(rùn)線如圖2、3、4、5所示。

圖2 上游正常蓄水位與下游不利水位工況圖

圖3 上游設(shè)計(jì)水位與相應(yīng)下游水位工況圖

圖4 上游正常水位降落工況圖

圖5 上游校核水位與相應(yīng)下游水位工況圖

經(jīng)分析計(jì)算，壩體經(jīng)充填灌漿后浸潤(rùn)線明顯下降，浸潤(rùn)線低于排水棱體頂部的距離滿足要求；出逸點(diǎn)最大比降小于壩坡的允許滲透比降，滲流比降滿足要求。因此大壩的滲流安全評(píng)價(jià)是安全的。各工況滲流計(jì)算成果如表3所示。

表3 各工況滲流計(jì)算成果表

4 大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

4.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析法和計(jì)算工況

此次結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析采用理正軟件邊坡穩(wěn)定模塊簡(jiǎn)化畢肖普方法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析工況對(duì)應(yīng)滲流分析各計(jì)算工況。

4.2 計(jì)算參數(shù)的選定

充填灌漿通過(guò)膠結(jié)加固，一定程度改善土體剪應(yīng)力，經(jīng)相關(guān)注漿土體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，灌漿后土體內(nèi)摩擦角與粘聚力提高值為30%左右。其余參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位檢測(cè)和壩體鉆孔勘探成果。此次壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析取值如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析參數(shù)采用值表

4.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)大壩進(jìn)行加固處理，大壩浸潤(rùn)線在壩體中部有明顯的下降，壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)比加固前變大，大壩在各種工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。各工況滲流計(jì)算成果如表5所示。

表5 各工況結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析成果表

5 結(jié)論

通過(guò)大壩滲流安全分析及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析可知，充填灌漿有效降低了壩體浸潤(rùn)線的高度和內(nèi)部的滲透比降，有效提高壩體滲流穩(wěn)定性。另外灌漿形成的水泥黏土墻也增加了壩體抗滑阻力，一定程度提高壩體穩(wěn)定性。但在充填灌漿的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：①在灌漿處理長(zhǎng)度一定的情況下，優(yōu)選單位注漿量大形成大注漿半徑的灌漿布置方案，可以節(jié)省工程造價(jià)和縮短工期；②壩體滲流和結(jié)構(gòu)建模分析需要的充填灌漿范圍可通過(guò)理論公式擬定，但在實(shí)施過(guò)程中應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)確定，若試驗(yàn)結(jié)果與理論效果偏差大，應(yīng)對(duì)灌漿方案做出相應(yīng)調(diào)整。