深層攪拌樁在壩基滲流中的應(yīng)用與研究

黃 健

(江西省水利水電開發(fā)有限公司，南昌 330001)

1 概 述

從水利工程的長(zhǎng)久安全來(lái)看，滲流沖刷對(duì)水利工程的破壞危害非常大，是水利工程地基方面較為突出的問題，特別是土石壩滲流問題更加嚴(yán)重，主要是因?yàn)閴位杆砸约巴潦瘔巫陨淼耐杆浴＝陙?lái)，地基加固施工方法得以不斷創(chuàng)新和應(yīng)用，尤其在透水性較強(qiáng)的軟土地基加固方面，深層攪拌樁應(yīng)用較為廣泛。作為一種新型的地基加固施工方法，深層攪拌樁不僅可以有效加固各種軟土地基，還可以起到地基防滲的作用。同時(shí)，深層攪拌樁還用來(lái)進(jìn)行碼頭岸壁滑動(dòng)處理和高填方路堤基層等，除此之外還用深層攪拌樁進(jìn)行加固大面積的地基以及墻下條形基礎(chǔ)處理等。由于其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)較為明顯，深層攪拌樁不僅廣泛應(yīng)用于加固病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)方面，還經(jīng)常用來(lái)處理水利工程地基。

2 壩基深層攪拌樁加固防滲研究

2.1 滲流理論基礎(chǔ)

滲流對(duì)水利工程的危害非常大，因此對(duì)滲流現(xiàn)象進(jìn)行深入分析對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)的安全十分重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滲流理論進(jìn)行了深入研究并總結(jié)出相關(guān)理論成果，其中以Darcy通過(guò)滲流試驗(yàn)總結(jié)出的達(dá)西定律最為常用，見式(1)、式(2)：

(1)

其微分形式為：

(2)

式(1)、式(2)中，各符號(hào)代表具體含義見表1。

表1 達(dá)西定律公式符號(hào)含義表

達(dá)西定律的推導(dǎo)是通過(guò)多孔介質(zhì)層流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的阻力規(guī)律得到的，對(duì)于線性阻力導(dǎo)致的滲流現(xiàn)象能夠進(jìn)行很好的解釋，但是達(dá)西定律并不適用于非線性阻力導(dǎo)致的滲流現(xiàn)象。對(duì)于非線性阻力導(dǎo)致的滲流現(xiàn)象，學(xué)術(shù)界將其稱為非達(dá)西流。通過(guò)大量理論與實(shí)際研究，將雷諾數(shù)Re不同數(shù)值范圍作為非達(dá)西流不同階段劃分的依據(jù)，見表2。

表2 非達(dá)西流階段劃分標(biāo)準(zhǔn)表

2.2 深層攪拌樁壩基加固防滲機(jī)理

起初，高速公路路基工程一般用深層攪拌樁進(jìn)行加固，深層攪拌樁剛開始的應(yīng)用面較窄。后來(lái)隨著施工機(jī)具和技術(shù)的發(fā)展，深層攪拌樁逐漸被各類建筑工程越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，淮河、松花江以及長(zhǎng)江和珠江包括黃河等流域的一些水利工程也在運(yùn)用深層攪拌樁防滲墻技術(shù)。根據(jù)已有的工程應(yīng)用實(shí)例，相較于常用的工程建筑物防滲方法，深層攪拌樁在工程建筑物加固防滲方面有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和明顯的優(yōu)勢(shì)，具體見表3。

表3 深層攪拌樁加固防滲優(yōu)勢(shì)

深層攪拌樁現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于一些加固工程中，如閘基、水庫(kù)大壩以及基坑等，主要是因?yàn)樯顚訑嚢铇对诩庸谭罎B方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著深層攪拌技術(shù)日新月異的發(fā)展以及對(duì)深層攪拌樁相應(yīng)性能特征的深入研究，目前堤防以及年久水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中已應(yīng)用多頭小直徑深層攪拌樁。圖1為深層攪拌樁加固施工工藝流程。

圖1 多頭小直徑深層攪拌樁的詳細(xì)施工工藝流程圖

特定施工設(shè)備通過(guò)多頭鉆進(jìn)的方式在土層不斷噴入固化劑并進(jìn)行連續(xù)攪拌，在各種物理化學(xué)反應(yīng)的作用下，土體與噴入土層的固化劑會(huì)形成穩(wěn)定性較好的固結(jié)樁體。樁體通過(guò)連續(xù)搭接形成一個(gè)具有較好整體性的防滲墻體，從而提高土體的防滲性能。圖2為深層攪拌樁防滲結(jié)構(gòu)。

圖2 深層攪拌樁防滲墻斷面圖

3 壩基深層攪拌樁加固防滲案例分析

3.1 工程概況

本次所依托的工程項(xiàng)目是一座以土壩為壩型的水庫(kù)，水庫(kù)相關(guān)工程概況參數(shù)見表4。經(jīng)前期地質(zhì)勘察結(jié)果，水庫(kù)施工區(qū)域地層分布情況較為復(fù)雜，在很大程度上影響了壩基滲流加固效果。

表4 工程概況參數(shù)

對(duì)該壩段進(jìn)行物探測(cè)試及鉆孔測(cè)試后，測(cè)試結(jié)果顯示壩基深度低于30 m的范圍內(nèi)，沖洪積粉細(xì)砂的含量是最多的，由滲透系數(shù)為9.35×10-3cm/s可以得出大壩的透水層為中等，取樣大壩深度范圍3～10 m的土層進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果見表5。通過(guò)這些數(shù)據(jù)可知，該層土體不能作為相對(duì)隔水層，是由于以上深度范圍內(nèi)的土體屬于微弱透水層且土體的強(qiáng)度較低，是中壓縮性土。

表5 土體試驗(yàn)結(jié)果

由于施工質(zhì)量比較差，且壩體材料干密度比較低，再加上是早期人工填筑的工程并且時(shí)間比較久，造成該水庫(kù)壩基的滲漏情況比較嚴(yán)重。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和壩基實(shí)際滲漏情況，該水庫(kù)壩基被鑒定為三類病險(xiǎn)壩。通過(guò)分析研究之后，最終決定對(duì)壩基進(jìn)行防滲處理，采用深層攪拌樁來(lái)減少滲漏破壞，深層攪拌樁施工設(shè)計(jì)參數(shù)見表6。

表6 根據(jù)設(shè)計(jì)確定的深層攪拌樁參數(shù)

3.2 基于ANSYS的滲流模擬分析

ANSYS的圖形處理功能比較強(qiáng)大，而且預(yù)處理器和后處理器的功能也比較完善，目前應(yīng)用十分廣泛，是一種有限元工程分析軟件。ANSYS集網(wǎng)格劃分和后期圖形處理包括建模以及荷載計(jì)算等方面于一體，不管是非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)靜力分析，還是相對(duì)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)分析都可以用它進(jìn)行處理。ANSYS熱分析模塊通過(guò)使用有限元來(lái)對(duì)各節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算，并且是基于熱平衡方程建立的熱分析模塊，通過(guò)對(duì)各節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算來(lái)導(dǎo)出其他方面的熱物理參數(shù)。由此看出，對(duì)滲流進(jìn)行分析可以采用熱分析模塊，并且將ANSYS熱分析模塊應(yīng)用于工程實(shí)例的滲流分析，也證明了這是行之有效的。

結(jié)合工程地質(zhì)的有關(guān)情況并根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容，選取表7所示大壩的計(jì)算模型參數(shù)對(duì)斷面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過(guò)ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)選取的模型材料性質(zhì)進(jìn)行滲流模擬，各模擬結(jié)果圖分別見圖3、圖4、圖5。

表7 選取的大壩計(jì)算模型參數(shù)

圖3 流場(chǎng)模擬矢量圖

圖4 總水頭等值線云圖

圖5 壓力水頭等值線圖

以上述ANSYS軟件滲流模擬分析結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)不同的滲流情況采用GeoStudio的滲流分析模塊進(jìn)行分析，以便對(duì)ANSYS軟件的滲流分析結(jié)果的合理性進(jìn)行更好的驗(yàn)證。

3.3 基于GeoStudio的壩基滲流模擬分析

對(duì)于壩基滲流情況的模擬，GeoStudio軟件內(nèi)置的seep/w模塊可以通過(guò)設(shè)置邊界條件以及建模這兩個(gè)方面得到滲流分析結(jié)果。為了保證壩基滲流模擬結(jié)果對(duì)比分析的準(zhǔn)確性，這里采用和上述ANSYS軟件一模一樣的滲透系數(shù)和計(jì)算斷面，主要從設(shè)置和不設(shè)置深層攪拌樁這兩種情況進(jìn)行模擬分析。無(wú)深層攪拌樁的GeoStudio滲流模擬結(jié)果見圖6-圖9，有深層攪拌樁的GeoStudio滲流模擬結(jié)果見圖10-圖13。

圖6 無(wú)深層攪拌樁的壩基滲流模擬網(wǎng)格劃分圖

圖7 無(wú)深層攪拌樁的壩基滲流模擬流網(wǎng)圖

圖8 無(wú)深層攪拌樁的壩基滲流模擬壓力水頭等值線圖

圖9 無(wú)深層攪拌樁的壩基滲流模擬滲透坡降等值線圖

圖10 有深層攪拌樁的壩基滲流模擬網(wǎng)格劃分圖

圖11 有深層攪拌樁的壩基滲流模擬流網(wǎng)圖

圖12 有深層攪拌樁的壩基滲流模擬壓力水頭等值線圖

圖13 有深層攪拌樁的壩基滲流模擬滲透坡降等值線圖

3.3.1 無(wú)深層攪拌樁的滲流分析

GeoStudio軟件通過(guò)內(nèi)置的seep/w模塊得到的無(wú)深層攪拌樁壩基滲流模擬網(wǎng)格劃分見圖6。

進(jìn)行滲流模擬分析之前，要先設(shè)置好相應(yīng)的模擬參數(shù)，設(shè)置完成以后再進(jìn)行分析。

3.3.2 有深層攪拌樁的滲流分析

按照工程的實(shí)際情況在壩踵設(shè)置深層攪拌樁，選取深7 m且樁徑1 m的深層攪拌樁，按照與無(wú)深層攪拌樁滲流模擬相同的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖10。

有深層攪拌樁的滲流情況模擬采用與無(wú)深層攪拌樁相同的模擬參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成以后再進(jìn)行分析。

3.4 壩基滲流模擬結(jié)果對(duì)比分析

為驗(yàn)證ANSYS和GeoStudio兩種軟件壩基滲流模擬結(jié)果的可信性，根據(jù)兩種軟件模擬出的各模擬結(jié)果圖進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比分析可以看出，ANSYS和GeoStudio兩種軟件對(duì)于該水庫(kù)壩基滲流深層攪拌樁加固模擬效果基本相同，所揭示的壩基滲流模擬分析結(jié)果具有較大可信度。同時(shí)，GeoStudio軟件分無(wú)深層攪拌樁加固和有深層攪拌樁加固兩種情況對(duì)壩基滲流加固情況進(jìn)行了對(duì)比模擬分析。對(duì)比分析結(jié)果顯示，壩基斷面經(jīng)過(guò)深層攪拌樁加固后的滲流量小于無(wú)深層攪拌樁加固的滲流量。由此可知，壩基斷面采用深層攪拌樁加固進(jìn)行防滲時(shí)，壩基滲流量明顯減小，加固效果優(yōu)于其他壩基滲流加固方法。

4 結(jié) 論

因在軟土地基加固防滲方面具有特定優(yōu)勢(shì)，深層攪拌樁在壩基滲流防滲中得到了較好應(yīng)用。本文基于相關(guān)滲流理論，以某水庫(kù)壩基滲流加固項(xiàng)目為依托，采用ANSYS、GeoStudio軟件對(duì)深層攪拌樁壩基滲流加固進(jìn)行了模擬、分析，并與其他方法壩基滲流加固模擬效果進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比分析可知，相較于其他壩基滲流加固方法，該水庫(kù)壩基滲流水頭、滲透坡降、滲流量在采用深層攪拌樁加固后都有很大程度的削減，壩基滲漏也得到了有效控制，對(duì)于后續(xù)類似的壩基滲流處理具有一定的參考意義。