基于高壓旋噴灌漿技術的水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析

黃云飛

(廣東省基礎工程集團有限公司，廣東 廣州 510620)

大中型水庫大壩大多運用高壓旋噴灌漿技術進行除險加固，這項技術能夠有效的對水庫進行防滲處理且施工占地面積較小，不會產生大的波動以及噪音。在一些軟地基或者淤泥質土的地基上利用高壓旋噴灌漿技術進行施工也能夠保障高效的施工質量，所以高壓旋噴灌漿技術能夠較多的在水庫大壩的除險加固中應用。高壓旋噴灌漿是一個對專業要求高、灌漿指標控制嚴格的可靠性分析實踐過程[1]。高壓旋噴的灌漿速度、灌漿流量及漿液量對水庫加固工程混凝土防滲墻的效果有較大影響。水庫加固工程中混凝土防滲墻由于受到混凝土強度、鋼筋銹蝕速率等因素的影響，導致混凝土防滲墻的承載力不斷劣化[2-4]，因此，需對水庫加固工程混凝土防滲墻進行可靠性分析。

目前，國外針對水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析研究比較先進，美國針對水庫的加固工作普遍采用混凝土防滲墻、黏土心墻等技術，大大提高了水庫的防滲效果。我國也有許多學者取得了一定的研究成果。其中，基于響應面法的水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析是將響應面法引入到混凝土防滲墻結構的有限元模型中，對防滲墻結構的有限元模型展開修正，實現水庫加固混凝土防滲墻的可靠性分析，選取水庫加固混凝土防滲墻作為算例，利用混凝土構件的彈性模量，降低可靠性的模擬損傷，縮小了計算偏差，證明了該方法的有效性[5]；基于蒙特卡羅法的水庫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極限狀態出發，對水庫加固混凝土防滲墻進行了可靠性分析，實例驗證了該方法的可靠性更強[6]。

基于以上背景，考慮到水庫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應用到水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析中，來提高水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析能力。

1 水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析方法設計

1.1 設置高壓旋噴灌漿技術施工參數

高壓旋噴灌漿技術在水庫防滲加固工程中的應用，直接受水庫地層結構、旋噴灌漿的壓力、漿體流量、提升施工速度及土層強度等因素的影響。而水庫地層表面壓力和漿體注入壓力對混凝土防滲墻效果的影響最直接。水庫土壤成分和加固強度指標隨著水庫深度的變化而變化[7]。采用高壓旋噴灌漿技術加固凝結體結構圖如圖1所示。

圖1 采用高壓旋噴灌漿技術加固凝結體結構圖

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，而且對漿液輸送的密實度和充填度有很大影響。因此，要提高水庫加固工程混凝土防滲墻的抗滲性和加固質量，就必須合理設置施工參數。

如果確定了水庫加固區的土壤環境，其注入壓力的控制尤為關鍵。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重要因素[8]。為實現高壓旋噴灌漿技術在水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析中的合理應用，通過公式計算噴射速度：

(1)

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

高壓旋噴灌漿技術在水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析中的應用，直接影響水庫的加固質量。根據高壓旋噴灌漿系統的施工參數，確定高壓旋噴灌漿技術的漿體噴射壓力在20～50兆帕之間[9]。在實現高壓旋噴灌漿時，控制高壓旋噴灌漿設備的灌漿速度和轉速是關鍵。一般而言，旋噴灌漿過程中，起升灌漿設備的速度和轉速應合理匹配，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中的指標也應引起系統滿意度的重視。

利用表1中的施工參數，得到了高壓旋噴灌漿技術的應用流程，如圖2所示。

表1 高壓旋噴灌漿技術的施工參數

圖2 高壓旋噴灌漿技術的應用流程

針對水庫加固工程混凝土防滲墻的結構布置特點，首先估算出水庫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參數，然后根據水庫加固施工現場的地質條件，對估算參數進行改進和修正。觀察灌漿壓力、漿液消耗量、出漿量、水庫壩體位移和裂縫情況，并根據水庫壩段具體地質條件調整高壓旋噴灌漿技術的有關參數，確定高壓旋噴技術在水庫除險加固中的應用參數[10]。

1.2 建立水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型

在水庫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因素，為了考慮混凝土防滲墻的時變性，將可靠性分析的隨機過程轉化為隨機變量，可靠性分析的時間區間由可靠性分析基準期T轉化為t，在可靠性分析區間t內，水庫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)為水庫加固混凝土防滲墻可靠度的最大值分布；FM(x)為水庫加固混凝土防滲墻在一年內的可靠度最大值分布；λ為時間間隔參數。

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

(3)

當水庫加固工程混凝土防滲墻可靠度為最大值分布時，采用安全比降法判斷水庫加固工程混凝土防滲墻的穩定性，以水庫土層滲透比降J小于或等于水庫允許比降Jer作為穩定性判斷的指標，如果存在J>Jer，就可以認為混凝土防滲墻的滲透變形將失去滲透穩定性。為了在水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析中，計算混凝土的滲流量，進行了水庫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，進行數值模擬分析研究[11]，水庫加固工程混凝土防滲墻的滲流控制方程為：

(4)

水庫加固混凝土防滲墻的滲流控制邊界條件為：

給定水庫加固混凝土防滲墻邊界上的邊界r1條件為：

h|r1=H(x，y)

(5)

給定水庫加固混凝土流量邊界上的邊界條件為：

(6)

式中：h為水庫深度；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為水庫流量。

水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型的實現流程如圖3所示。

圖3 有限元模型的實現流程

以上根據水庫加固工程混凝土防滲墻可靠度的最大值分布，得到了水庫加固工程混凝土防滲墻的滲流控制方程，通過設置水庫加固工程混凝土防滲墻的滲流控制邊界條件，完成水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型的建立[12]；最后通過水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析流程設計，來實現水庫加固工程混凝土防滲墻的可靠性分析。

1.3 分析水庫加固混凝土防滲墻可靠性

在水庫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計模塊，對水庫加固工程混凝土防滲墻進行可靠性分析，采用高壓旋噴灌漿技術評估有限元模型中不確定因素對可靠性分析結果的影響程度[13]，在混凝土防滲墻可靠性設計模塊中，分析水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性的具體步驟如下：

Step1：建立一個可以用于水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析的文件。

該分析文件一般應包含采用前面提到的高壓旋噴灌漿技術進行結構分析的全部步驟。為了確定可靠性分析的相關變量，在建立有限元模型時，應采用參數化建模方法。可靠度分析中，這些變量分別定義為輸入和輸出。

Step2：進入水庫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稱基礎上，確定了各變量服從可靠性分析的分布類型、函數及其對應的分析參數，并確定了它們之間的相關性；

Step4：將水庫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果，包括水庫加固工程混凝土防滲墻的結構功能函數；

Step5：選擇適合水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析的方法

水庫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，可用于混凝土防滲墻的可靠性設計。

Step6：循環對水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析文件進行分析，將可靠性分析結果保存在資料庫中；

Step7：后處理水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析結果，獲取水庫加固混凝土防滲墻功能函數的均值和方差等數據，從而分析混凝土防滲墻的可靠性。

將有限元方法用于水庫加固混凝土防滲墻結構分析，尤其是混凝土防滲墻結構的非線性分析，需要對混凝土防滲墻結構進行單元劃分。單元數量的多少決定了整個可靠性分析過程的精確度，甚至對可靠性分析結果有影響。但由于有限元模型中單元分割的次數較多，使得有限元計算需要花費很長的計算時間[14]。但采用混凝土防滲墻可靠性設計模塊進行結構可靠性分析時，其實質是分析文件的重復執行，每一次執行都是有限元分析。

混凝土防滲墻可靠性分析數據流向圖如圖4所示。

圖4 混凝土防滲墻可靠性分析數據流向圖

綜上所述，利用高壓旋噴灌漿技術的特點，設置了高壓旋噴灌漿技術的施工參數，將有限元分析法應用到了水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型的建立中，最后通過分析水庫加固混凝土防滲墻可靠性的具體步驟，實現了水庫加固混凝土防滲墻的可靠性分析[15]。

2 實驗分析

2.1 實驗過程

實驗過程中，在一定的水壓條件下，分別采用響應面法、蒙特卡羅法以及高壓旋噴灌漿技術進行水庫加固測試，以基于響應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比對象，進行對比實驗，測試在不同水壓條件設置下，水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析誤差和時間，對可靠性分析誤差和時間兩個指標進行統計和記錄，觀察實驗結果。

2.2 可靠性分析誤差實驗結果分析

水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析誤差實驗利用基于響應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的可靠性分析方法進行對比，在一定水壓條件下，采用響應面法、蒙特卡羅法以及高壓旋噴灌漿技術對水庫進行加固，記錄三種方法的水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析誤差對比結果，如圖5所示。

圖5 水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析誤差對比結果

從圖5的實驗結果可以看出，在水泥加固混凝土防滲墻密度不同的情況下，采用基于響應面法的可靠性分析方法來分析水庫加固混凝土防滲墻的可靠性時，水泥加固混凝土防滲墻的可靠性分析誤差波動較大，同時也造成可靠性分析誤差也比較大，嚴重影響了水庫加固施工的難度，使得水庫加固施工隊不得不面對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分析水庫加固混凝土防滲墻的可靠性時，可靠性分析誤差優于基于響應面法的可靠性分析方法，且可靠性分析誤差波動很小，但是最大分析誤差卻接近了25%，使得水庫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的可靠性分析方法來分析水庫加固混凝土防滲墻的可靠性時，可靠性分析誤差波動較大，但是整體可靠性分析誤差很低，完全可以確保水庫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 可靠性分析時間實驗結果分析

水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析時間實驗利用基于響應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的可靠性分析方法進行對比，在一定水壓條件下，采用響應面法、蒙特卡羅法以及高壓旋噴灌漿技術對水庫進行加固，記錄三種方法的水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析時間對比結果，如圖6所示。

圖6 水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析時間對比結果

從圖6的實驗結果可以看出，在水泥加固混凝土防滲墻密度不同的情況下，采用基于響應面法的可靠性分析方法來分析水庫加固混凝土防滲墻的可靠性時，可靠性分析時間有縮短的趨勢，但是當水泥加固混凝土防滲墻的密度超過600 kg/m3時，可靠性分析時間開始延長，不僅降低了可靠性分析的效率，還降低了可靠性分析精度，原因可能是當水泥加固混凝土防滲墻的密度超過600 kg/m3時，有限元分析模型的計算復雜度增大，導致的可靠性分析時間過長；采用基于蒙特卡羅法的可靠性分析方法來分析水庫加固混凝土防滲墻的可靠性時，可靠性分析時間較短，經計算，水泥加固混凝土防滲墻可靠性分析時間的平均值為8.34 s；而采用基于高壓旋噴灌漿技術的可靠性分析方法來分析水庫加固混凝土防滲墻的可靠性時，可靠性分析時間逐漸縮短，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。

基于以上結果，無論是在可靠性分析誤差還是時間方面，基于高壓旋噴灌漿技術的可靠性分析方法的精度更高。

3 結語

提出基于高壓旋噴灌漿技術的水庫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施工參數的設置，將有限元分析法應用到了水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析有限元模型的建立中，最后通過水庫加固工程混凝土防滲墻可靠性分析步驟，實現了水庫加固混凝土防滲墻的可靠性分析。結果顯示，基于高壓旋噴灌漿技術的可靠性分析方法具有較高的分析精度。