黃河大堤高聚物防滲墻穩(wěn)定性分析

王復(fù)明，李曼珺，方宏遠(yuǎn)，薛冰寒

（1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001；2.重大基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)修復(fù)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450001；3.水利與交通基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州450001）

鄭焦城際鐵路全長(zhǎng)77.78 km，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km/h，為打造以鄭州為中心的中原城市群，促進(jìn)中原區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展提供了有力支撐。但是，鄭焦鐵路橋跨越黃河的橋墩緊靠黃河大堤，洪水期壓縮水流將增大水流對(duì)大堤的淘刷程度，容易誘發(fā)橋墩附近大堤滲漏、脫坡、管涌等險(xiǎn)情，從而影響鄭焦鐵路的安全運(yùn)行。因此，需要對(duì)該段黃河大堤進(jìn)行防滲加固。

傳統(tǒng)的防滲加固技術(shù)主要有高壓噴漿成墻技術(shù)、振動(dòng)沉模板墻防滲技術(shù)、水泥土攪拌樁成墻技術(shù)等，這些防滲加固技術(shù)普遍存在著施工周期長(zhǎng)、效率低、對(duì)堤壩的擾動(dòng)或破壞較大等弊端。高聚物防滲墻技術(shù)是一種高效實(shí)用的新型堤壩除險(xiǎn)加固技術(shù)，具有施工工期短，對(duì)堤壩擾動(dòng)小，墻體薄，環(huán)保性、耐久性及抗?jié)B性良好的優(yōu)點(diǎn)［1］，其采用的非水反應(yīng)類高聚物材料具有密度小、無(wú)干縮、強(qiáng)度提升快、韌性好、抗?jié)B性能好等優(yōu)點(diǎn)［2］。

近年來(lái)，科研工作者在高聚物防滲墻理論和施工技術(shù)方面開(kāi)展了一定的研究工作。徐建國(guó)等［3］采用有限元模型對(duì)比分析了高聚物防滲墻與塑性混凝土、普通混凝土防滲墻在靜力與地震荷載下的應(yīng)力分布及破壞特性的差異，結(jié)果表明在同種工況下高聚物防滲墻應(yīng)力最小，不易發(fā)生破壞，具有較好的安全性。Guo等［4］采用有限元方法對(duì)堤壩高聚物防滲加固前后的滲流場(chǎng)進(jìn)行了分析，指出高聚物防滲墻可以有效地降低水頭和下游溢出點(diǎn)的位置。王復(fù)明等［5］在靜力荷載下對(duì)高聚物防滲墻和混凝土防滲墻進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元模擬，結(jié)果表明高聚物防滲墻與土體變形協(xié)調(diào)能力較好，不易發(fā)生破壞。石明生等［6］采用有限元方法對(duì)堤壩高聚物定向劈裂注漿進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。李嘉等［7］基于動(dòng)力離心試驗(yàn)成果研究了高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩和混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩在超重力和地震作用下的地震響應(yīng)特征，給出了傳統(tǒng)防滲墻土質(zhì)堤壩抗震不利部位。李嘉等［8］進(jìn)一步采用有限元方法結(jié)合黏彈人工邊界對(duì)堤壩高聚物防滲墻進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，并對(duì)墻體進(jìn)行了多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。但上述研究均未考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用。徐建國(guó)等［9］采用Goodman無(wú)厚度單元模擬墻體與土體之間的接觸面，在應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合作用下建立了高聚物防滲墻土石壩的二維有限元計(jì)算模型，結(jié)果表明忽略滲流與應(yīng)力耦合作用會(huì)導(dǎo)致壩體和墻體的位移、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏小。

本文針對(duì)鄭焦城際鐵路橋跨越黃河大堤段高聚物防滲墻注漿加固工程，介紹高聚物防滲墻施工技術(shù)，建立考慮滲流與應(yīng)力耦合作用的大堤三維有限元模型，分析堤前水位、防滲墻體厚度和密度等因素對(duì)高聚物防滲墻應(yīng)力變形規(guī)律的影響，為該防滲加固工程及其他堤壩除險(xiǎn)加固工程中高聚物防滲墻的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 高聚物防滲墻施工方法介紹

為保障鄭焦城際鐵路橋跨越黃河北岸大堤段的安全，在原有混凝土防滲墻的基礎(chǔ)上，在其兩端分別續(xù)做130 m長(zhǎng)的高聚物防滲墻。高聚物防滲實(shí)施方案如下。

（1）布置注漿孔。在混凝土防滲墻兩端沿壩軸線方向以80 cm間距布置注漿孔。

（2）施工注漿孔模。①首次注漿孔模。采用步履式靜力壓孔機(jī)將三錐頭成槽板壓入土中并拔出后，形成超薄型注漿孔模。②二序注漿孔模。將成槽板的一個(gè)側(cè)翼探頭對(duì)準(zhǔn)前次生成孔模的側(cè)邊孔，把前次生成孔模的側(cè)邊孔作為本次成孔的引導(dǎo)孔，用靜力壓孔機(jī)將其壓入壩體中，生成2個(gè)連續(xù)的注漿孔模。③土工布袋封孔。在2個(gè)孔模之間的連接孔中植入土工布袋，并在布袋內(nèi)植入注漿管，然后采用布袋內(nèi)注漿的方法封孔。④注漿孔模內(nèi)提升注漿。在注漿孔（中間孔）內(nèi)植入注漿管，采用提升注漿方法注漿，在注漿孔模內(nèi)形成高聚物薄片體。⑤形成連續(xù)搭接防滲墻。連續(xù)重復(fù)上述施工工序，注漿完成后形成連續(xù)搭接的超薄高聚物防滲墻，如圖1所示。

2 高聚物防滲墻數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)鄭焦城際鐵路橋跨越黃河大堤段資料，采用ABAQUS軟件建立如圖2所示的三維有限元模型，其中：堤身高度為13.0 m，堤基高度為20.0 m，整體沿X軸方向長(zhǎng)160.0 m，沿Z軸方向?qū)?30.0 m，防滲墻高度為15.0 m，其下部嵌入堤基2.0 m。堤身采用三維8節(jié)點(diǎn)孔壓?jiǎn)卧?，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，單元總數(shù)為102 900個(gè)、節(jié)點(diǎn)總數(shù)為117 543個(gè)，其中防滲墻部分單元數(shù)為19 040個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)為24 675個(gè)。防滲墻和堤體接觸面采用無(wú)厚度Goodman接觸單元進(jìn)行模擬。材料參數(shù)見(jiàn)表1。

為對(duì)比高聚物防滲墻與混凝土防滲墻的穩(wěn)定性和防滲效果，分別建立剛性混凝土墻和塑性混凝土墻模型，墻體厚度均為0.5 m，高度與高聚物防滲墻的相同；為了模擬高聚物防滲墻厚度D對(duì)墻體應(yīng)力變形規(guī)律的影響，將厚度 D 分別設(shè)為 2.0、3.0、4.0、5.0 cm；為了模擬堤前水深對(duì)墻體應(yīng)力變形規(guī)律的影響，將堤前水深H分別設(shè)為11.0、9.0、7.0 m；為了模擬高聚物防滲墻密度對(duì)墻體應(yīng)力變形規(guī)律的影響，密度取表1中高聚物1～5對(duì)應(yīng)密度。

表1 高聚物防滲墻及土體材料參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同材料防滲墻防滲效果及應(yīng)力變形情況對(duì)比

當(dāng)高聚物防滲墻厚度取2.0 cm、密度為270 kg/m3、堤前水位為11.0 m時(shí)，不同材料防滲墻堤身孔壓分布如圖3所示。剛性混凝土防滲墻與塑性混凝土防滲墻的堤身孔壓分布規(guī)律基本一致，墻體前后水頭差均為2.5 m。高聚物防滲墻堤身與混凝土防滲墻堤身的孔壓分布規(guī)律基本相同，但高聚物防滲墻體的前后水頭差為4.5 m，表明在同等滲流條件下高聚物防滲墻的防滲效果優(yōu)于混凝土防滲墻。

不同材料防滲墻水平位移分布如圖4所示，剛性混凝土防滲墻、塑性混凝土防滲墻和高聚物防滲墻的水平位移變化趨勢(shì)相似，均在墻體中部出現(xiàn)向下游擠壓的趨勢(shì)，最大水平位移分別為0.27、0.30、0.46 cm。

不同材料防滲墻豎向應(yīng)力分布如圖5所示。剛性混凝土防滲墻上游面的下部墻體和下游面的中部墻體出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，其中上游面最大豎向拉應(yīng)力達(dá)2.56 MPa，最大豎向壓應(yīng)力達(dá)1.19 MPa，防滲墻整體豎向應(yīng)力變化較大，不利于墻體穩(wěn)定。塑性混凝土防滲墻整體受壓，上游和下游的豎向應(yīng)力相差不大且規(guī)律相似，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上游面，僅為0.29 MPa。高聚物防滲墻上游和下游豎向應(yīng)力均為壓應(yīng)力且均小于塑性混凝土墻的，最大值為0.15 MPa。高聚物作為柔性材料，既彌補(bǔ)了剛性混凝土防滲墻彈性模量太大易出現(xiàn)裂縫的弱點(diǎn)，又彌補(bǔ)了塑性混凝土防滲墻強(qiáng)度低導(dǎo)致防滲效果差的弱點(diǎn)，與土體共同變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)。因此，高聚物防滲墻受力性能優(yōu)于混凝土防滲墻。

3.2 不同厚度的高聚物防滲墻防滲效果及應(yīng)力變形情況對(duì)比

當(dāng)?shù)糖八顬?1.0 m，高聚物密度為270 kg/m3，高聚物防滲墻厚度分別取為2.0、3.0、4.0、5.0 cm時(shí)，堤身孔壓分布規(guī)律相似，其中厚度為2.0 cm和5.0 cm的高聚物防滲墻堤身孔壓分布情況如圖6所示。隨著防滲墻厚度的增大，墻體前后水頭差增大，即高聚物防滲墻越厚，墻體防滲效果越明顯。

不同墻厚高聚物防滲墻水平位移分布如圖7所示，4種厚度高聚物防滲墻規(guī)律一致，上游面水平位移均沿墻體高度方向先增大后減小，最大水平位移出現(xiàn)在墻體中部靠上位置，符合壩體內(nèi)水的滲流路徑規(guī)律。當(dāng)墻厚為2.0 cm時(shí)，防滲墻水平位移最大，墻高7 m處達(dá)到最大位移（0.53 cm）。隨著墻厚的增大，防滲墻變形減小，墻厚為5.0 cm時(shí)，防滲墻整體水平位移最小。

不同墻厚高聚物防滲墻豎向應(yīng)力分布如圖8所示，高聚物防滲墻上下游面豎向應(yīng)力分布規(guī)律相似，嵌入堤基部分豎向應(yīng)力均發(fā)生突變，這與堤基強(qiáng)度大、對(duì)防滲墻約束較強(qiáng)有關(guān)。4種厚度的防滲墻均受壓應(yīng)力，且隨著防滲墻厚度的增大，墻體受到的豎向壓應(yīng)力逐漸減小。對(duì)于同一厚度防滲墻來(lái)說(shuō)，隨著墻體高度的增加，防滲墻豎向壓應(yīng)力呈減小的趨勢(shì)。2.0 cm厚高聚物防滲墻受到的壓應(yīng)力最大，數(shù)值范圍為0.10～0.16 MPa，而密度大于100 kg/m3的聚氨酯高聚物材料抗壓強(qiáng)度大于1.18 MPa，遠(yuǎn)大于墻體受到的最大壓應(yīng)力，因此仍可保證墻體的穩(wěn)定性。

3.3 堤前不同水位對(duì)高聚物防滲墻應(yīng)力變形的影響

當(dāng)高聚物防滲墻厚度為2.0 cm，密度為270 kg/m3，堤前水深 H 分別為7.0、9.0、11.0 m 時(shí)，在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)共同作用下防滲墻水平位移隨堤前水深變化的規(guī)律如圖9所示。堤前水深越低，高聚物防滲墻水平位移越小。堤前水深為11.0 m時(shí)，高聚物防滲墻的變形最顯著，最大水平位移即最大變形出現(xiàn)在墻體8.5 m高度附近，最大位移值為0.22 cm；而7.0 m水深時(shí)，防滲墻變形很小，最大變形出現(xiàn)在墻體6.5 m高度附近，最大位移值為0.08 cm。

不同壩前水深高聚物防滲墻上、下游面的應(yīng)力分布情況如圖10所示，在不同堤前水深下，高聚物防滲墻整體均受壓應(yīng)力，墻體上游面與下游面受力規(guī)律相似，即堤前水深越高，墻體所受壓應(yīng)力越小。原因是水位上升時(shí)，雖然施加于墻體的水壓力增大，但同時(shí)堤身的容重由濕容重變?yōu)楦∪葜?，施加于墻體的土壓力反而減小，兩者發(fā)生部分抵消后，防滲墻受到的壓應(yīng)力呈現(xiàn)隨水位升高而略有減小的趨勢(shì)。此外，在防滲墻嵌入堤基的位置，由于約束條件發(fā)生改變，因此墻體應(yīng)力發(fā)生突變，所受壓應(yīng)力先變小再陡然增大，防滲墻底部受到的壓應(yīng)力是整個(gè)墻體中最大的。

3.4 不同高聚物密度對(duì)壩體及墻體的影響

當(dāng)墻體厚度為2.0 cm、堤前水深為11 m時(shí)，不同密度高聚物防滲墻水平位移如圖11所示，隨著高聚物材料密度的改變，墻體水平位移變化規(guī)律一致。當(dāng)密度取最小值270 kg/m3時(shí)，墻體水平位移達(dá)最大值0.53 cm，而其余4種密度的防滲墻水平位移變化規(guī)律和數(shù)值基本相同。

不同密度高聚物防滲墻上游面最大主應(yīng)力和下游面最大主應(yīng)力變化規(guī)律如圖12所示，不同密度高聚物防滲墻上、下游面最大主應(yīng)力分布規(guī)律相似，防滲墻整體受壓應(yīng)力，僅在與堤基連接處受到拉應(yīng)力，且防滲墻上游面的最大主應(yīng)力小于下游面的。隨著高聚物材料密度的增大，防滲墻的最大主應(yīng)力數(shù)值變化不大，說(shuō)明高聚物材料密度對(duì)墻體受力情況影響較小。

4 結(jié) 論

針對(duì)鄭焦城際鐵路橋跨越黃河北岸大堤段高聚物防滲墻注漿加固工程，采用有限元軟件ABAQUS對(duì)防滲墻進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)高聚物防滲墻與混凝土防滲墻防滲效果和受力特性的對(duì)比，以及不同堤前水深、不同厚度和不同密度的高聚物防滲墻防滲效果和受力特性的對(duì)比，得出以下結(jié)論。

（1）高聚物防滲墻防滲效果明顯優(yōu)于混凝土防滲墻，在受力特性方面，剛性混凝土防滲墻出現(xiàn)較大區(qū)域的拉應(yīng)力區(qū)，不利于墻體穩(wěn)定。塑性混凝土防滲墻和高聚物防滲墻整體受壓，墻體穩(wěn)定性較好，但混凝土防滲墻所受壓應(yīng)力值比高聚物墻的大。在墻體變形方面，高聚物防滲墻水平位移比混凝土防滲墻的大得多，作為柔性材料，高聚物墻與周圍壩體的變形協(xié)調(diào)性好。

（2）不同墻厚的高聚物防滲墻受力規(guī)律相似，均受壓應(yīng)力，且隨著防滲墻厚度的增大，墻體受到的豎向壓應(yīng)力逐漸減小，水平位移也減小。

（3）當(dāng)?shù)糖八畈煌瑫r(shí)，高聚物防滲墻受力規(guī)律相似，整體受壓應(yīng)力，且堤前水深越高墻體所受壓應(yīng)力越??；在墻體變形方面，堤前水深越高，墻體水平位移越大，最低水位工況的防滲墻變形不明顯。

（4）高聚物材料密度改變對(duì)高聚物防滲墻的應(yīng)力影響不大，在墻體水平位移方面，隨著高聚物材料密度的增大，墻體水平位移變化規(guī)律一致，均為先增大后減小，位移最大部位在墻體中部。

（5）經(jīng)過(guò)不同工況的對(duì)比，高聚物防滲墻防滲效果以及受力特性都優(yōu)于混凝土防滲墻，考慮到實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)厚度2 cm、密度為270 kg/m3的高聚物防滲墻可取得理想的防滲效果。