基于高壓旋噴灌漿技術(shù)的水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析

黃云飛

(廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620)

大中型水庫(kù)大壩大多運(yùn)用高壓旋噴灌漿技術(shù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，這項(xiàng)技術(shù)能夠有效的對(duì)水庫(kù)進(jìn)行防滲處理且施工占地面積較小，不會(huì)產(chǎn)生大的波動(dòng)以及噪音。在一些軟地基或者淤泥質(zhì)土的地基上利用高壓旋噴灌漿技術(shù)進(jìn)行施工也能夠保障高效的施工質(zhì)量，所以高壓旋噴灌漿技術(shù)能夠較多的在水庫(kù)大壩的除險(xiǎn)加固中應(yīng)用。高壓旋噴灌漿是一個(gè)對(duì)專業(yè)要求高、灌漿指標(biāo)控制嚴(yán)格的可靠性分析實(shí)踐過(guò)程[1]。高壓旋噴的灌漿速度、灌漿流量及漿液量對(duì)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻的效果有較大影響。水庫(kù)加固工程中混凝土防滲墻由于受到混凝土強(qiáng)度、鋼筋銹蝕速率等因素的影響，導(dǎo)致混凝土防滲墻的承載力不斷劣化[2-4]，因此，需對(duì)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻進(jìn)行可靠性分析。

目前，國(guó)外針對(duì)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析研究比較先進(jìn)，美國(guó)針對(duì)水庫(kù)的加固工作普遍采用混凝土防滲墻、黏土心墻等技術(shù)，大大提高了水庫(kù)的防滲效果。我國(guó)也有許多學(xué)者取得了一定的研究成果。其中，基于響應(yīng)面法的水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析是將響應(yīng)面法引入到混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)的有限元模型中，對(duì)防滲墻結(jié)構(gòu)的有限元模型展開(kāi)修正，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性分析，選取水庫(kù)加固混凝土防滲墻作為算例，利用混凝土構(gòu)件的彈性模量，降低可靠性的模擬損傷，縮小了計(jì)算偏差，證明了該方法的有效性[5]；基于蒙特卡羅法的水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析是利用蒙特卡洛法從混凝土防滲墻的兩個(gè)極限狀態(tài)出發(fā)，對(duì)水庫(kù)加固混凝土防滲墻進(jìn)行了可靠性分析，實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可靠性更強(qiáng)[6]。

基于以上背景，考慮到水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析存在的不足，本文將高壓旋噴灌漿技術(shù)應(yīng)用到水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析中，來(lái)提高水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析能力。

1 水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析方法設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)置高壓旋噴灌漿技術(shù)施工參數(shù)

高壓旋噴灌漿技術(shù)在水庫(kù)防滲加固工程中的應(yīng)用，直接受水庫(kù)地層結(jié)構(gòu)、旋噴灌漿的壓力、漿體流量、提升施工速度及土層強(qiáng)度等因素的影響。而水庫(kù)地層表面壓力和漿體注入壓力對(duì)混凝土防滲墻效果的影響最直接。水庫(kù)土壤成分和加固強(qiáng)度指標(biāo)隨著水庫(kù)深度的變化而變化[7]。采用高壓旋噴灌漿技術(shù)加固凝結(jié)體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 采用高壓旋噴灌漿技術(shù)加固凝結(jié)體結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，高壓旋噴灌漿壓力的大小不僅決定了混凝土防滲墻的破壞程度，而且對(duì)漿液輸送的密實(shí)度和充填度有很大影響。因此，要提高水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻的抗?jié)B性和加固質(zhì)量，就必須合理設(shè)置施工參數(shù)。

如果確定了水庫(kù)加固區(qū)的土壤環(huán)境，其注入壓力的控制尤為關(guān)鍵。高壓旋噴灌漿的速度和灌漿流量是影響旋噴灌漿壓力的兩個(gè)重要因素[8]。為實(shí)現(xiàn)高壓旋噴灌漿技術(shù)在水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析中的合理應(yīng)用，通過(guò)公式計(jì)算噴射速度：

(1)

式中：V0為高壓旋噴設(shè)備噴口處的實(shí)際漿體流速；φ為高壓旋噴設(shè)備噴口處的漿體流速系數(shù)；P為高壓旋噴灌漿介質(zhì)的重力加速度；ρ為高壓旋噴設(shè)備噴口處的壓力，表示漿體密度。

高壓旋噴灌漿技術(shù)在水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析中的應(yīng)用，直接影響水庫(kù)的加固質(zhì)量。根據(jù)高壓旋噴灌漿系統(tǒng)的施工參數(shù)，確定高壓旋噴灌漿技術(shù)的漿體噴射壓力在20～50兆帕之間[9]。在實(shí)現(xiàn)高壓旋噴灌漿時(shí)，控制高壓旋噴灌漿設(shè)備的灌漿速度和轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵。一般而言，旋噴灌漿過(guò)程中，起升灌漿設(shè)備的速度和轉(zhuǎn)速應(yīng)合理匹配，以保證每次旋噴灌漿的起升速度保持在0.5～1.25 cm之間。另外，在水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析的其他控制因素方面，表1中的指標(biāo)也應(yīng)引起系統(tǒng)滿意度的重視。

利用表1中的施工參數(shù)，得到了高壓旋噴灌漿技術(shù)的應(yīng)用流程，如圖2所示。

表1 高壓旋噴灌漿技術(shù)的施工參數(shù)

圖2 高壓旋噴灌漿技術(shù)的應(yīng)用流程

針對(duì)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，首先估算出水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析中的高壓旋噴注漿技術(shù)參數(shù)，然后根據(jù)水庫(kù)加固施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，對(duì)估算參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和修正。觀察灌漿壓力、漿液消耗量、出漿量、水庫(kù)壩體位移和裂縫情況，并根據(jù)水庫(kù)壩段具體地質(zhì)條件調(diào)整高壓旋噴灌漿技術(shù)的有關(guān)參數(shù)，確定高壓旋噴技術(shù)在水庫(kù)除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用參數(shù)[10]。

1.2 建立水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型

在水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型中，包括混凝土防滲墻的重量和密度兩個(gè)因素，為了考慮混凝土防滲墻的時(shí)變性，將可靠性分析的隨機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)化為隨機(jī)變量，可靠性分析的時(shí)間區(qū)間由可靠性分析基準(zhǔn)期T轉(zhuǎn)化為t，在可靠性分析區(qū)間t內(nèi)，水庫(kù)加固混凝土防滲墻可靠度的最大值分布為：

Ft(x，t)=exp{-λt[1-FM(x)]}

(2)

式中：Ft(x，t)為水庫(kù)加固混凝土防滲墻可靠度的最大值分布；FM(x)為水庫(kù)加固混凝土防滲墻在一年內(nèi)的可靠度最大值分布；λ為時(shí)間間隔參數(shù)。

采用有限元計(jì)算原理，計(jì)算出水庫(kù)加固混凝土防滲墻可靠度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并由極大似然估計(jì)得到其概率分布的參數(shù)Tt、Ut，此時(shí)Ft(x，t)可以表示為：

(3)

當(dāng)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠度為最大值分布時(shí)，采用安全比降法判斷水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻的穩(wěn)定性，以水庫(kù)土層滲透比降J小于或等于水庫(kù)允許比降Jer作為穩(wěn)定性判斷的指標(biāo)，如果存在J>Jer，就可以認(rèn)為混凝土防滲墻的滲透變形將失去滲透穩(wěn)定性。為了在水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析中，計(jì)算混凝土的滲流量，進(jìn)行了水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型的建立，將有限元模型考慮為飽和滲流狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究[11]，水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻的滲流控制方程為：

(4)

水庫(kù)加固混凝土防滲墻的滲流控制邊界條件為：

給定水庫(kù)加固混凝土防滲墻邊界上的邊界r1條件為：

h|r1=H(x，y)

(5)

給定水庫(kù)加固混凝土流量邊界上的邊界條件為：

(6)

式中：h為水庫(kù)深度；n為混凝土防滲墻的滲流量；r為邊界；H為防滲墻的高度；q為水庫(kù)流量。

水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 有限元模型的實(shí)現(xiàn)流程

以上根據(jù)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠度的最大值分布，得到了水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻的滲流控制方程，通過(guò)設(shè)置水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻的滲流控制邊界條件，完成水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型的建立[12]；最后通過(guò)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析流程設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻的可靠性分析。

1.3 分析水庫(kù)加固混凝土防滲墻可靠性

在水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析中，利用混凝土防滲墻可靠性設(shè)計(jì)模塊，對(duì)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻進(jìn)行可靠性分析，采用高壓旋噴灌漿技術(shù)評(píng)估有限元模型中不確定因素對(duì)可靠性分析結(jié)果的影響程度[13]，在混凝土防滲墻可靠性設(shè)計(jì)模塊中，分析水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性的具體步驟如下：

Step1：建立一個(gè)可以用于水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析的文件。

該分析文件一般應(yīng)包含采用前面提到的高壓旋噴灌漿技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的全部步驟。為了確定可靠性分析的相關(guān)變量，在建立有限元模型時(shí)，應(yīng)采用參數(shù)化建模方法。可靠度分析中，這些變量分別定義為輸入和輸出。

Step2：進(jìn)入水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析模塊，添加待分析的文件；

Step3：界定在輸入變量的簡(jiǎn)稱基礎(chǔ)上，確定了各變量服從可靠性分析的分布類型、函數(shù)及其對(duì)應(yīng)的分析參數(shù)，并確定了它們之間的相關(guān)性；

Step4：將水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析的輸出變量作為可靠性分析的結(jié)果，包括水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)；

Step5：選擇適合水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析的方法

水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析采用高壓旋噴灌漿技術(shù)，可用于混凝土防滲墻的可靠性設(shè)計(jì)。

Step6：循環(huán)對(duì)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析文件進(jìn)行分析，將可靠性分析結(jié)果保存在資料庫(kù)中；

Step7：后處理水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析結(jié)果，獲取水庫(kù)加固混凝土防滲墻功能函數(shù)的均值和方差等數(shù)據(jù)，從而分析混凝土防滲墻的可靠性。

將有限元方法用于水庫(kù)加固混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)分析，尤其是混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)的非線性分析，需要對(duì)混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧卧獢?shù)量的多少?zèng)Q定了整個(gè)可靠性分析過(guò)程的精確度，甚至對(duì)可靠性分析結(jié)果有影響。但由于有限元模型中單元分割的次數(shù)較多，使得有限元計(jì)算需要花費(fèi)很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間[14]。但采用混凝土防滲墻可靠性設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性分析時(shí)，其實(shí)質(zhì)是分析文件的重復(fù)執(zhí)行，每一次執(zhí)行都是有限元分析。

混凝土防滲墻可靠性分析數(shù)據(jù)流向圖如圖4所示。

圖4 混凝土防滲墻可靠性分析數(shù)據(jù)流向圖

綜上所述，利用高壓旋噴灌漿技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)置了高壓旋噴灌漿技術(shù)的施工參數(shù)，將有限元分析法應(yīng)用到了水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型的建立中，最后通過(guò)分析水庫(kù)加固混凝土防滲墻可靠性的具體步驟，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性分析[15]。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在一定的水壓條件下，分別采用響應(yīng)面法、蒙特卡羅法以及高壓旋噴灌漿技術(shù)進(jìn)行水庫(kù)加固測(cè)試，以基于響應(yīng)面法的可靠性分析方法和基于蒙特卡羅法的可靠性分析方法作為對(duì)比對(duì)象，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試在不同水壓條件設(shè)置下，水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析誤差和時(shí)間，對(duì)可靠性分析誤差和時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和記錄，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 可靠性分析誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析誤差實(shí)驗(yàn)利用基于響應(yīng)面法的可靠性分析方法、基于蒙特卡羅法的可靠性分析方法和基于高壓旋噴灌漿技術(shù)的可靠性分析方法進(jìn)行對(duì)比，在一定水壓條件下，采用響應(yīng)面法、蒙特卡羅法以及高壓旋噴灌漿技術(shù)對(duì)水庫(kù)進(jìn)行加固，記錄三種方法的水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析誤差對(duì)比結(jié)果，如圖5所示。

圖5 水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析誤差對(duì)比結(jié)果

從圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在水泥加固混凝土防滲墻密度不同的情況下，采用基于響應(yīng)面法的可靠性分析方法來(lái)分析水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性時(shí)，水泥加固混凝土防滲墻的可靠性分析誤差波動(dòng)較大，同時(shí)也造成可靠性分析誤差也比較大，嚴(yán)重影響了水庫(kù)加固施工的難度，使得水庫(kù)加固施工隊(duì)不得不面對(duì)大量的防滲維修工作；采用基于蒙特卡羅法的可靠性分析方法來(lái)分析水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性時(shí)，可靠性分析誤差優(yōu)于基于響應(yīng)面法的可靠性分析方法，且可靠性分析誤差波動(dòng)很小，但是最大分析誤差卻接近了25%，使得水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性不高；而采用基于高壓旋噴灌漿技術(shù)的可靠性分析方法來(lái)分析水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性時(shí)，可靠性分析誤差波動(dòng)較大，但是整體可靠性分析誤差很低，完全可以確保水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性，從而提高可靠性分析精度。

2.3 可靠性分析時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析時(shí)間實(shí)驗(yàn)利用基于響應(yīng)面法的可靠性分析方法、基于蒙特卡羅法的可靠性分析方法和基于高壓旋噴灌漿技術(shù)的可靠性分析方法進(jìn)行對(duì)比，在一定水壓條件下，采用響應(yīng)面法、蒙特卡羅法以及高壓旋噴灌漿技術(shù)對(duì)水庫(kù)進(jìn)行加固，記錄三種方法的水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析時(shí)間對(duì)比結(jié)果，如圖6所示。

圖6 水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析時(shí)間對(duì)比結(jié)果

從圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在水泥加固混凝土防滲墻密度不同的情況下，采用基于響應(yīng)面法的可靠性分析方法來(lái)分析水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性時(shí)，可靠性分析時(shí)間有縮短的趨勢(shì)，但是當(dāng)水泥加固混凝土防滲墻的密度超過(guò)600 kg/m3時(shí)，可靠性分析時(shí)間開(kāi)始延長(zhǎng)，不僅降低了可靠性分析的效率，還降低了可靠性分析精度，原因可能是當(dāng)水泥加固混凝土防滲墻的密度超過(guò)600 kg/m3時(shí)，有限元分析模型的計(jì)算復(fù)雜度增大，導(dǎo)致的可靠性分析時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；采用基于蒙特卡羅法的可靠性分析方法來(lái)分析水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性時(shí)，可靠性分析時(shí)間較短，經(jīng)計(jì)算，水泥加固混凝土防滲墻可靠性分析時(shí)間的平均值為8.34 s；而采用基于高壓旋噴灌漿技術(shù)的可靠性分析方法來(lái)分析水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性時(shí)，可靠性分析時(shí)間逐漸縮短，完全不受混凝土防滲墻的密度影響，大大提高了其可靠性分析精度。

基于以上結(jié)果，無(wú)論是在可靠性分析誤差還是時(shí)間方面，基于高壓旋噴灌漿技術(shù)的可靠性分析方法的精度更高。

3 結(jié)語(yǔ)

提出基于高壓旋噴灌漿技術(shù)的水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析。利用高壓旋噴灌漿技術(shù)施工參數(shù)的設(shè)置，將有限元分析法應(yīng)用到了水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型的建立中，最后通過(guò)水庫(kù)加固工程混凝土防滲墻可靠性分析步驟，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)加固混凝土防滲墻的可靠性分析。結(jié)果顯示，基于高壓旋噴灌漿技術(shù)的可靠性分析方法具有較高的分析精度。