堤壩劈裂灌漿造孔間距改變的灌漿效果評(píng)價(jià)

武 科，馬明月，孫 岳

（1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南250061；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部實(shí)驗(yàn)室，南京210098；3.山東科技大學(xué)，山東 青島266510；4.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 巖土工程分公司 北京100085）

堤壩劈裂灌漿作為一種非常有效的防滲加固技術(shù)，已在中國(guó)重多水庫(kù)防滲加固除險(xiǎn)工程得到推廣應(yīng)用。該技術(shù)是通過(guò)在壩軸線處施加一定的灌漿壓力，控制性劈裂壩體，灌入適宜的泥漿，填充壩體內(nèi)在孔洞、裂隙等病害體，形成有效的防滲實(shí)體，從而改善壩體應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到加固堤壩結(jié)構(gòu)的作用［1－3］，中國(guó)相應(yīng)的研究工作較多，而國(guó)外相對(duì)較少。趙軍輝［4］基于劈裂灌漿現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，通過(guò)改變?cè)炜组g距，評(píng)價(jià)劈裂灌漿加固效果。Liu［5］基于摩爾庫(kù)倫模型，采用有限元分析方法，研究了劈裂灌漿加固機(jī)理。武科［6］基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限差分計(jì)算方法，探討了劈裂灌漿加固技術(shù)在土石壩加固中的應(yīng)用。Berndt［7］采用數(shù)值計(jì)算分析方法，研究了漿液的滲透性和土體強(qiáng)度變化規(guī)律。然而，以上研究中缺少灌漿孔間距布設(shè)與防滲效果之間的相互作用規(guī)律的理論分析。為此，針對(duì)以上分析所存在的問(wèn)題，在大型有限元軟件ABAQUS上，基于流固耦合分析，采用Mohr－Coulomb Hardening本構(gòu)模型，通過(guò)布設(shè)不同間距灌漿孔的流固耦合計(jì)算，研究了堤壩劈裂灌漿過(guò)程中漿液所產(chǎn)生的孔隙水壓力、堤壩應(yīng)力應(yīng)變等分布規(guī)律，揭示了堤壩劈裂灌漿漿液在土體內(nèi)滲流固結(jié)機(jī)理，闡述了漿壩互壓機(jī)理，探討了其對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響。

1 計(jì)算模型與分析方法

作為大型通用有限元分析軟件，ABAQUS具有強(qiáng)大的非線性計(jì)算功能、豐富的本構(gòu)模型以及便利的用戶子程序接口，可以針對(duì)先進(jìn)本構(gòu)模型、復(fù)雜場(chǎng)變量、狀態(tài)變量及特殊單元、復(fù)雜邊界條件進(jìn)行二次開發(fā)［8］。

1.1 Mohr－Coulomb Hardening模型

該模型與 Mohr－Coulomb模型的不同之處是：當(dāng)某一區(qū)域發(fā)生塑性屈服時(shí)，土體的凝聚力、內(nèi)摩擦角、膨脹角以及抗拉強(qiáng)度等屬性在 Mohr－Coulomb模型中是恒定不變的，而在應(yīng)變硬化模型中則會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化——硬化。其破壞準(zhǔn)則、屈服函數(shù)等都與Mohr－Coulomb模型相同，模型中的兩個(gè)硬化參數(shù)分別為剪切硬化參數(shù)增量Δks和張拉硬化參數(shù)增量［9－10］：

根據(jù)Mohr－Coulomb破壞準(zhǔn)則的主應(yīng)力式形式可得：

將（2）式用Taylor級(jí)數(shù)展開式表示可得：

式中：c0、φ0分別表示為壩體內(nèi)的土灌漿前凝聚力和內(nèi)摩擦角的初始值；Δc、Δφ分別為壩體內(nèi)的土灌漿后凝聚力和內(nèi)摩擦角的變化值。

1.2 有限元計(jì)算模型與分析方法

考慮堤壩劈裂灌漿防滲加固技術(shù)施工工藝的特點(diǎn)及灌漿漿液滲流特性，以灌漿軸線為中心軸，取一半壩體為研究對(duì)象，基于ABAQUS大型數(shù)值計(jì)算軟件，建立三維半壩有限元計(jì)算模型，如圖1所示。其中，壩高10.0m，壩底長(zhǎng)20.0m，壩頂長(zhǎng)6.0m，灌漿孔位于灌漿軸線上。灌漿孔間距分別設(shè)定為5.0、7.0、10.0m，灌漿壓力（P＝0.5MPa）及漿液的施加都是通過(guò)在灌漿孔節(jié)點(diǎn)上改變孔隙水壓力大小實(shí)現(xiàn)。假定距離灌漿軸線0.5m范圍內(nèi)為灌漿帶，距離灌漿軸線3.0m范圍內(nèi)為灌漿影響帶［11－13］。模型單元采用實(shí)體單元C3D8P，壩體底部為不透水邊界，其他部位為透水邊界。灌漿孔布設(shè)如圖2所示。

圖1 土壩模型

圖2 灌漿孔布設(shè)

1.3 計(jì)算模型力學(xué)參數(shù)

在計(jì)算過(guò)程中，我們根據(jù)該工程的工程地質(zhì)勘察報(bào)告、水文資料以及室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)，參考《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)匯編》和《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》，取計(jì)算力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩體計(jì)算力學(xué)參數(shù)

2 分析與討論

2.1 孔隙水壓力分析

圖3給出了堤壩劈裂灌漿不同造孔間距情況下的漿液固結(jié)效果分布圖。由圖可知：1）漿液在壩體內(nèi)滲透所產(chǎn)生的孔隙水壓力，以灌漿軸線為中心，向四周擴(kuò)散，對(duì)稱分布，其大小以灌漿軸線處最大，逐漸向遠(yuǎn)離灌漿軸線處減小；在沿壩軸線方向，其大小以底部最大，隨著高程的增加而減小。這與漿液在壩體內(nèi)滲流矢量趨勢(shì)基本一致。2）在相同的灌漿壓力和灌漿時(shí)間下，造孔間距越小，通過(guò)劈裂灌漿技術(shù)加固的壩體越容易形成連貫的防滲帷幕；其中造孔間距為5.0m的灌漿實(shí)例，已在壩體內(nèi)形成連貫的防滲體，而造孔間距為10.0m的灌漿實(shí)例，還未形成連貫的防滲體。3）漿液分布始終以灌漿軸線為中心，向四周擴(kuò)散，且主要影響灌漿軸線附近有效區(qū)域，這與實(shí)際工程灌漿效果也基本一致［14－15］。為此，在劈裂灌漿防滲加固施工過(guò)程中，根據(jù)壩體實(shí)際情況，建議只需造孔間距為5.0m的灌漿孔，不必采用先灌注間距為10.0m的灌漿孔，再灌注間距為5.0m的，這樣可以節(jié)省大量的人員、材料、機(jī)械消耗。

圖3 不同造孔間距情況下的漿液固結(jié)效果

2.2 應(yīng)力分析

圖4、5分別給出了不同造孔間距情況下堤壩劈裂灌漿后壩體最小、最大主應(yīng)力分布圖。由圖可知：1）隨著劈裂灌漿防滲加固施工過(guò)程，灌漿后壩體內(nèi)部形成防滲帷幕心墻，壩體應(yīng)力將進(jìn)行二次調(diào)整，灌漿帷幕帶內(nèi)部的最小、最大主應(yīng)力均以拉應(yīng)力為主，這是由于漿液滲透壩體內(nèi)部，致使壩體土體內(nèi)有效應(yīng)力增大，擠壓壩體土體，從而又反作用于漿液，造成灌漿軸線附件應(yīng)力都得到顯著提高，改善壩體應(yīng)力狀態(tài)；與此同時(shí)，由于漿液與壩體互壓作用，灌漿孔處容易出現(xiàn)冒漿，這與實(shí)際工程情況是一致的。2）造孔間距越小，其最小、最大主應(yīng)力改善效果越明顯，如造孔間距為5.0m的灌漿體，其最小、最大主應(yīng)力通過(guò)劈裂灌漿加固技術(shù)改善后，形成連貫的應(yīng)力加強(qiáng)區(qū)域，達(dá)到了加固效果；而造孔間距為10.0m的灌漿體，其最大、最小主應(yīng)力改善效果不如造孔間距為5.0m的顯著。

圖4 不同造孔間距情況下的壩體最小主應(yīng)力分布

圖5 不同造孔間距情況下的壩體最大主應(yīng)力分布

2.3 變形分析

圖6、7、8分別給出了不同造孔間距情況下堤壩劈裂灌漿后壩體豎直位移與垂直于灌漿軸線、平行于灌漿軸線的水平位移分布圖。由圖可知：1）豎直位移，隨著造孔間距的減小，在堤壩頂部產(chǎn)生的豎直位移越明顯，這是由于漿液灌入壩體內(nèi)，漿液擠壓壩體，改善灌漿區(qū)域土體力學(xué)強(qiáng)度，使灌漿軸線附近區(qū)域產(chǎn)生豎直位移，致使灌漿區(qū)域與非灌漿區(qū)域產(chǎn)生沉降差，從而造成壩肩部位容易產(chǎn)生開裂，這與實(shí)際工程情況是一致的。2）垂直于灌漿軸線的水平位移，以灌漿軸線為中心線，水平位移量逐漸向兩側(cè)增加，這是由于漿液灌入后，漿液擠壓壩體，使壩體產(chǎn)生水平位移量。3）平行于灌漿軸線的水平位移，灌漿孔與灌漿孔之間的兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生顯著的擠壓位移，這是由于漿液在灌漿壓力作用下，與壩體擠壓所致，通過(guò)有效的漿壩互壓，才能更好地改善壩體應(yīng)力狀態(tài)；其中隨著造孔間距的增大，其漿壩互壓效果明顯降低。

圖6 不同造孔間距情況下的壩體豎直位移分布

圖7 不同造孔間距情況下的垂直于灌漿軸線壩體水平位移分布

圖8 不同造孔間距情況下的平行于灌漿軸線壩體水平位移分布

3 結(jié) 論

針對(duì)灌漿孔間距布設(shè)與劈裂灌漿防滲實(shí)際效果之間的相互作用規(guī)律，在大型有限元軟件ABAQUS上，基于流固耦合分析，采用Mohr－Coulomb Hardening本構(gòu)模型，通過(guò)布設(shè)不同間距灌漿孔的流固耦合計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1）漿液分布始終以灌漿軸線為中心，向四周擴(kuò)散，且主要影響灌漿軸線附近有效區(qū)域。在相同的灌漿壓力和灌漿時(shí)間下，造孔間距越小，通過(guò)劈裂灌漿技術(shù)加固的壩體越容易形成連貫的防滲帷幕。

2）隨著劈裂灌漿防滲加固施工過(guò)程，灌漿后壩體內(nèi)部形成防滲帷幕心墻，壩體應(yīng)力將進(jìn)行二次調(diào)整，造孔間距越小，其最小、最大主應(yīng)力改善效果越明顯。

3）由于漿液在灌漿壓力作用下，通過(guò)有效的漿壩互壓，才能更好地改善壩體應(yīng)力狀態(tài)；其中，隨著造孔間距的增大，其漿壩互壓效果明顯降低。

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