堤防一體化復(fù)合灌漿軟件開發(fā)及工程應(yīng)用

付建軍，胡大可，張 景，李永豐，肖衛(wèi)華

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

0 引 言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)加劇，河流、滯(蓄)洪區(qū)的部分侵占及樞紐建筑物運(yùn)行調(diào)度不合理，洪水安全問題又逐漸成為民生重要問題之一，城市已有防洪堤需進(jìn)行提標(biāo)改造加固，灌漿作為重要防滲加固方法之一，在工程中得到廣泛的應(yīng)用。受現(xiàn)有城市堤防存在地層復(fù)雜、環(huán)保嚴(yán)格、作業(yè)空間受限等影響，傳統(tǒng)的單一灌漿技術(shù)及工藝進(jìn)行深厚軟基加固時(shí)，普遍存在的成孔困難，處理不均、可控性差、不環(huán)保等技術(shù)問題，很難滿足工程需求，因此，基于“自上而下鉆灌一體脈沖灌漿”+“自下而上無返漿高壓旋噴灌漿”城鎮(zhèn)堤防一體化復(fù)合灌漿技術(shù)應(yīng)用越來越廣[1-5](見圖1)。

圖1 城鎮(zhèn)堤防一體化復(fù)合灌漿技術(shù)

堤防一體化復(fù)合灌漿技術(shù)將脈沖灌漿法和高壓旋噴灌漿法進(jìn)行時(shí)序上的結(jié)合，可分別發(fā)揮兩種注漿加固方法各自的優(yōu)點(diǎn)，又可克服各自的技術(shù)和工藝缺陷，使地基基礎(chǔ)加固和防滲的成功率得到了提高并且擴(kuò)大了加固范圍。采用本技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜地層加固處理，較現(xiàn)有常規(guī)的軟基加固處理工法相比，具有鉆孔安全快捷、鉆灌一體，高壓旋噴可控、環(huán)保無返漿、施工限制小等特點(diǎn)，尤其是在進(jìn)行沿江地基加固和防滲聯(lián)合處理時(shí)，它能處理擋墻、雜填土、黏土、粉土、淤泥、粉細(xì)砂、砂卵石層等的沿江各類復(fù)雜地層，適用性強(qiáng)。

堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計(jì)需進(jìn)行滲流分析、穩(wěn)定分析、承載力計(jì)算、變形計(jì)算、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)等，目前國(guó)外成熟的商業(yè)化計(jì)算軟件較多，但能集上述5種功能于一體的商業(yè)軟件幾乎空白；同時(shí)，近十年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者更注重商業(yè)軟件二次開發(fā)，而基于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范程序開發(fā)的可實(shí)施的功能性軟件甚少，設(shè)計(jì)公司也著重生產(chǎn)而疏于基礎(chǔ)軟件開發(fā)?；诖耍疚拈_發(fā)了堤防一體化復(fù)合灌漿軟件，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證對(duì)比。自然狀態(tài)堤防計(jì)算分析示意見圖2，復(fù)合灌漿狀態(tài)堤防計(jì)算分析示意見圖3。

圖2 自然狀態(tài)堤防計(jì)算分析示意

圖3 復(fù)合灌漿狀態(tài)堤防計(jì)算分析示意

1 理論基礎(chǔ)

(1)滲流計(jì)算分析。根據(jù)水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第三冊(cè)(結(jié)構(gòu)計(jì)算)第十五章[6]，堤防滲流計(jì)算主要在于確定浸潤(rùn)線、滲流坡降、滲流量等參數(shù)。

(2)整體穩(wěn)定分析。根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.2.2條[7]，可采用瑞典圓弧法或畢肖普法計(jì)算堤防整體穩(wěn)定性。

(3)承載力計(jì)算分析。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]及GB/T 50783—2012《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》[9]計(jì)算堤防復(fù)合地基承載力。

(4)沉降計(jì)算分析。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]進(jìn)行復(fù)合地基沉降計(jì)算。

2 一體化復(fù)合灌漿軟件程序開發(fā)

2.1 程序功能分析

程序設(shè)計(jì)功能主要有：①滲流計(jì)算，計(jì)算自然狀態(tài)、復(fù)合灌漿狀態(tài)浸潤(rùn)線、滲流坡降、滲漏量；②穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算自然狀態(tài)、復(fù)合灌漿狀態(tài)迎水側(cè)、背水側(cè)安全系數(shù)；③計(jì)算復(fù)合灌漿后地基承載力及單樁承載力；④計(jì)算自然狀態(tài)或復(fù)合灌漿狀態(tài)沉降；⑤確定一體化復(fù)合灌漿工藝參數(shù)。

2.2 程序設(shè)計(jì)流程

程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計(jì)流程

2.3 程序開發(fā)結(jié)果

采用c++語言進(jìn)行了一體化復(fù)合灌漿軟件進(jìn)行了程序開發(fā)，該程序含兩層功能菜單，一層功能菜單含打開、保存、參數(shù)輸入、計(jì)算、幫助功能，二層功能菜單含整體穩(wěn)定、滲流穩(wěn)定、承載力計(jì)算、沉降計(jì)算、工藝參數(shù)確定功能。程序的輸入?yún)?shù)含堤防幾何參數(shù)、土體性能參數(shù)、復(fù)合樁參數(shù)、穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)、滲流計(jì)算參數(shù)等，共計(jì)52項(xiàng)參數(shù)，其中部分參數(shù)通過程序默認(rèn)計(jì)算也可手寫輸入，程序的結(jié)果輸出界面見圖5。

圖5 程序結(jié)果輸出界面

3 程序驗(yàn)證及應(yīng)用

為檢驗(yàn)研發(fā)程序計(jì)算結(jié)果的正確性，采用本單位已經(jīng)實(shí)施工程進(jìn)行驗(yàn)證，分別采用理正軟件與本軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比兩者計(jì)算結(jié)果。

3.1 案例簡(jiǎn)介

本次工程所在流域?qū)贈(zèng)_積寬闊河谷地貌，地勢(shì)較平坦，河道平直，流域內(nèi)植被條件一般，為城郊種植區(qū)。據(jù)調(diào)查該防洪堤始建于1970年，為人工從河床中挑土填筑形成，堤高2～4 m；在1981 年時(shí)進(jìn)行了第一次加高培厚作業(yè)，亦為人工從河床中挑土填筑，完成作業(yè)后堤高4～6 m；在1994 年采用機(jī)械方式進(jìn)行了第二次加高培厚，形成了現(xiàn)狀土堤。土堤為均質(zhì)土堤，現(xiàn)狀高度5～9 m，堤頂寬5～8 m，迎水面按1∶2.00～1∶2.50的坡比放坡，背水面按1∶1.50～1∶2.00的坡比放坡；堤面植草，堤頂為碎石路。

3.2 堤防設(shè)計(jì)方案

堤防加高培厚，其中迎水側(cè)堤腳新建2.5 m高混凝土擋墻，背水側(cè)堤腳新建4 m高擋墻，迎水側(cè)擋墻頂部至2年一遇洪水位高程部分坡面采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，2年一遇洪水位至100年一遇設(shè)計(jì)洪水位高程部分坡面采用連鎖磚護(hù)坡，其余迎水側(cè)及背水側(cè)坡面采用草皮護(hù)坡(撒草籽)，為解決地方管涌問題，于堤防迎水側(cè)采用高壓擺噴灌漿的形成連續(xù)防滲墻。設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6 堤防設(shè)計(jì)方案

3.3 地層參數(shù)

根據(jù)本次勘察結(jié)果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，場(chǎng)地內(nèi)揭露地層自上而下依次為：

素填土①為防洪堤體填土。褐黃、灰褐色，稍濕～濕，多呈稍密狀態(tài)，局部松散狀態(tài)。主要填料為黏性土，表面有少量建筑垃圾和砂礫石。厚度介于1.1～7.1 m，平均厚度4.66 m。

粉質(zhì)粘土②為褐黃，灰黃色，呈可塑～硬塑狀態(tài)。含約10%～30%粉細(xì)砂。干強(qiáng)度及韌性中等，無搖震反應(yīng)。在場(chǎng)地內(nèi)普遍分布，厚度介于2.5～7.1 m，平均厚度5.9 m。

細(xì)砂③為灰黃色，多呈稍密狀態(tài)，局部松散狀態(tài)，飽和，含10～15%的細(xì)粒土。主要在分布在工程區(qū)東段。層厚1.1～2.8 m。

圓礫④為灰白色、褐紅色，顆粒磨圓度較好，形狀以亞圓形為主，礫石母巖母巖成份主要為石英質(zhì)、砂巖質(zhì)、硅質(zhì)，粒徑大于2 mm的顆粒含量約占65%，一般粒徑2.0～10 mm，孔隙由砂及粘性土充填，稍密，稍濕，層厚1.2～8.1 m。

礫質(zhì)粘性土⑤為褐紅色，硬塑狀，主要成分為粘性土，含20%～40%粗礫砂和少量碎石土。干強(qiáng)度中等，韌性中等，無搖震反應(yīng)，密實(shí)，稍濕。層厚1.00～22.90 m。具體參數(shù)見表1。

表1 基礎(chǔ)參數(shù)

3.4 結(jié)果對(duì)比分析

本次計(jì)算采用某商業(yè)軟件和自主研發(fā)程序分別計(jì)算驗(yàn)證案例的滲流穩(wěn)定和整體穩(wěn)定，主要計(jì)算堤防在設(shè)計(jì)洪水位情況下，堤防有防滲心墻和無防滲心墻兩種情況。計(jì)算結(jié)果見表2及表3，計(jì)算結(jié)果表明，開發(fā)的軟件和商業(yè)軟件計(jì)算成果相近，說明開發(fā)軟件具有一定適用性。

表2 滲流分析計(jì)算結(jié)果

表3 整體穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

近十年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者更注重商業(yè)軟件二次開發(fā)，而基于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范程序開發(fā)的可實(shí)施的功能性軟件甚少，設(shè)計(jì)公司也著重生產(chǎn)而疏于基礎(chǔ)軟件開發(fā)，基于此，本文基于C++編程語言，研發(fā)了堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計(jì)軟件，堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計(jì)軟件將滲流分析、穩(wěn)定分析、承載力計(jì)算、變形計(jì)算、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)等五種功能于一體的商業(yè)軟件，通過對(duì)軟件的測(cè)試、案例的驗(yàn)證，研究得到以下結(jié)論：

(1)堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計(jì)軟件，堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計(jì)軟件將滲流分析、穩(wěn)定分析、承載力計(jì)算、變形計(jì)算、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)等五種功能于一體的商業(yè)軟件，在很大程度上，簡(jiǎn)化了計(jì)算流程，使得使用者更易于操作。

(2)通過采用已有工程案例，采用理正軟件計(jì)算結(jié)果與堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計(jì)軟件分別分析計(jì)算工程案例中堤防的滲流穩(wěn)定和整體穩(wěn)定，本次自主研發(fā)軟件計(jì)算結(jié)果與理正計(jì)算結(jié)果基本吻合，可作為后期工程計(jì)算軟件。

(3)堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計(jì)軟件融合了灌漿設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，在一定程度上可指導(dǎo)后續(xù)工程施工。

總之，通過研發(fā)堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計(jì)軟件，開發(fā)含堤防幾何參數(shù)、土體性能參數(shù)、復(fù)合樁參數(shù)、穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)、滲流計(jì)算參數(shù)五類參數(shù)輸入，整體穩(wěn)定、滲流穩(wěn)定、承載力計(jì)算、沉降計(jì)算、工藝參數(shù)五類結(jié)果輸出為主的堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)與其他國(guó)外通用商業(yè)軟件對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果相對(duì)吻合，計(jì)算程序更適用于設(shè)計(jì)人員，程序可以用于土石壩、堤防設(shè)計(jì)計(jì)算。