土壩加固中高壓擺噴截滲墻截滲效果分析

付洪顏

我國土壩大多是在新中國成立初期修建，這些工程幾乎都是在邊勘測、邊設計、邊施工的“三邊”情況下完成的。不少工程雖然完成，但由于施工清基不徹底，壩體工程填筑質量差，給工程留下了諸多的安全隱患，加之多年的運行，水庫病險情況更為嚴重。

根據1981年的統計資料，我國由滲流而引起的破壞事故率約占31.7%。至1981年全國有2391座水庫失事，其中大型11座，其余為中小型，由于中小型水庫缺少水文地質資料，漫壩沖垮者最多，占51.5%，其次就是滲漏導致垮壩，占29.1%，說明由于滲漏而造成的潰壩問題是相當嚴重的。所以土壩加固中防滲設計尤為重要，本文通過對某工程的高壓擺噴在加固設計截滲效果分析，為高壓擺噴截滲墻防滲設計提供可靠的設計依據。

一、工程概況

某水庫始建于1968年，后斷斷續續進行加高培厚，直至1985年才基本完成。水庫大壩為均質土壩，全長381m，壩頂寬4.0m，壩頂高程47.68m（吳淞高程系，下同），最大壩高為17.9m。由于大壩施工期限較長和施工條件差，致使壩基清基不徹底，壩身填筑不密實，大壩滲漏十分嚴重。所以需對大壩進行截滲處理，工程加固設計中通過方案比選后確定采用高壓擺噴截滲墻。

二、計算原理

根據滲流流態的連續性和能量守恒原理，對于滲流場中任一單元土體，滲流的基本微分方程為：

式中：dx、dy、dz 為 x、y、z 方向的空間增量；kx、ky、kz為單元土體內土體沿x、y、z方向的滲透系數；為滲透水頭；φ為滲流的勢能。

目前，諸多文獻中對于大壩滲流計算的理論求解計算方法較為成熟，計算理論也比較齊全；然而理論計算的過程較為復雜繁瑣。隨著計算機技術的飛速發展，有限元計算方法被廣泛應用。滲流有限元分析計算是根據理論方程，用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。即將滲流體分成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。有限元滲流計算關系表達式為：

有限元分析主要根據式中單元剛度矩陣[h]e，位移矢量[H]e和近視于荷載矢量的[F]e組成的三者相互關系。利用計算機程序，根據公式（1）和公式（2）之間的相互關系，進行反復計算直至達到允許誤差范圍。本文借助河海大學工程力學研究所研制的二維有限元分析軟件（AutoBank5）對加固前后壩體滲流情況進行分析，以了解截滲效果。

三、壩體計算斷面和計算參數選取

1.計算斷面選取

根據以往工程經驗和工程地質勘查，大壩最大壩高處滲漏情況較為明顯。故本文滲流分析的計算斷面選取最大壩高斷面，如圖1。

2.計算參數選取

圖1 滲流計算斷面（最大壩高斷面）圖

表1 滲流穩定分析計算參數表

表2 加固前各工況下滲流計算匯總表

圖2 高壓擺噴工序示意圖

由《勘察報告》可知，水庫大壩共分為四層。①層壩體填土：壩體填筑上部為灰黃色夾灰黑色，成份雜亂，主要為粉質壤土、水泥土、粉煤灰等，其含量大致相等，稍密狀，中下部為棕黃、灰黃色含礫粉質壤土，飽和，土呈軟塑狀，小礫石含量在10%左右。②層壩基表層：存在含礫粉質粘土層，未能完全清基，該層土性不均一（本文按2m計），灰色、灰黃色，硬可塑狀，含礫石，礫石含量在10%～15%左右，局部含灰白色高嶺土，該層土較密實，透水性較差，以卵石、砂為主，粘粒、粉粒含量少于15%。③層強風化巖層：為輝長巖強風化層。④弱風化巖層：為輝長巖弱風化層。

滲流計算的各土層滲透系數取值，是在《勘察報告》中提供的試驗值基礎上，同時又考慮工程質量、檢測、現場檢查，以及工程多年運行中的滲流情況和地區經驗等因素綜合選取，具體指標見表1。

四、截滲墻設計及計算參數

加固設計中對多頭小直徑截滲墻、高壓旋噴截滲墻、套孔沖抓截滲墻和高壓擺噴截滲墻等方案，從可行性、合理性、可靠性和經濟性等方面進行比較，最終選用高壓擺噴截滲加固措施。高壓噴射灌漿（簡稱高噴灌漿或高噴）采用高壓水或高壓漿液形成高速噴射流束，沖擊、切割、破壞地層土體，并以水泥基質漿液充填、摻混其中，形成樁柱或板墻狀的凝結體，用以提高地基防滲或承載能力，達到防滲加固大壩目的。高壓擺噴工藝流程如圖2所示。

加固設計中高壓擺噴截滲墻布置在壩體中部，墻底深入強分化巖1.0m，墻頂高程為49.50m，孔距為1.5m，成墻墻有效厚度為0.22m。根據相關工程和施工經驗，截滲墻布置于壩頂中軸線上，高壓擺噴截滲墻滲透系數為i×10-6cm/s。此次分析計算墻體厚度按0.22m計，墻體滲透系數按1×10-6cm/s計。

五、截滲墻加固效果計算分析

此次滲流分析按照《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）的要求，針對水庫運行中下列四種工況，用運二維有限元分析軟件AutoBank5對水庫大壩加固前、加固后大壩滲流情況進行模擬分析計算。

（1）上游正常蓄水位44.5m與下游相應的水位。

（2）上游設計水位45.81m與下游相應的水位。

（3）上游校核水位46.46m與下游相應的水位。

（4）水庫驟降時，大壩由庫水位46.46m分別驟降至35.38 m（1/3壩高處）。

各工況下的大壩下游水位均采用平下游壩腳處的地面高程為29.25m。

通過二維有限元分析軟件AutoBank5計算，各工況下加固前、后滲流計算結果匯總于表2。

1.出逸點高程及滲流量分析

由表2可知，加固前出逸點高程較高，位于壩坡上，易使壩坡濕軟、散浸等，造成壩坡滲流破壞；加固后出逸點從壩坡降到壩腳，下游壩坡不會出現散浸現象，使得邊坡抗滑穩定系數增強；加固后壩坡出逸比降明顯降低，壩體單寬滲流量明顯減小，壩坡滲流性態更安全。

2.出逸點允許比降分析

根據相關規范所提供的土的滲流允許比降J允許均為壩基垂直向上的允許值，不適合壩坡出逸情況，本文按《滲流計算分析與控制》文獻介紹自由出滲坡面的臨界比降計算方法，浸潤線出逸點處的臨界比降可用以下公式進行計算：

式中：γ'為坡面土的浮容重；γ為水的容重；β為出逸點所在坡面的坡角；為壩坡坡面土層的內摩擦角；C為壩坡坡面土層單位土體的凝聚力。

允許比降計算時考慮到以下因素：①本次加固未對原壩體填筑情況進行處理，該水庫大壩是在特定的條件下采用人工挑抬填筑而成；各施工段之間存在界溝界墻，壩體填筑不夠密實等質量問題。②對大壩現場檢查與檢測結果表明，大壩施工存在諸多的質量問題，如清基不徹底、岸坡處理不規范、部分筑壩土料不符合要求。③工程運行中也暴露出一些嚴重的質量問題，如壩坡散浸現象嚴重、壩基滲漏嚴重等。綜合考慮各方面的影響因素，計算時取其安全系數為1.5，即：

經計算得出浸潤線出逸點處的允許比降J允許＝0.287。由表2可知，從壩體總的滲流坡降背水側壩坡最大壩高斷面幾種組合最大滲流出逸坡降為0.265，較加固前出逸比降降低了10%，亦小于容許比降，滿足壩體滲流穩定的要求。

六、小結

（1）采用高壓擺噴截滲墻有效降低壩坡出逸點高程和壩坡出逸比降，對壩體的截滲效果十分明顯。

（2）加固后出逸點從壩坡降到壩腳，下游壩坡不會出現散浸現象，增強了邊坡抗滑穩定系數。

（3）加固后壩坡出逸比降明顯降低，壩坡滲流性態更安全。

（4）此次分析計算均在理論狀態下進行的，需在加固后進行進一步驗證。

（5）施工過程中需嚴格控制高壓擺噴截滲墻施工質量，確保截滲墻的成墻效果