土壩充填灌漿設計計算及分析

鄭源

（潮州市湘橋區財政局投資審核中心，廣東 潮州 521000）

0 引言

土壩充填灌漿是利用漿液壓力，充填壩體內已有的裂縫、洞穴等壩體隱患，以達到加固堤壩的一種灌漿方法。目的是通過充填裂縫、漏洞以提高壩體的防滲能力，同時通過漿液與松散壩體相互融壓、固結，一定程度改善土體剪應力，進而提高壩體的滲流穩定和結構穩定。充填灌漿良好的工程效果使其被廣泛用于處理壩體裂縫、壩體蟻穴、壩下涵管接觸帶、壩體滲漏和渠道防水等工程問題。

由此可知充填灌漿范圍是影響土壩滲流分析和結構穩定分析的重要因素，但充填灌漿范圍理論計算目前暫不明晰，大漿量的灌漿方案可能因為土體特性無法形成大灌漿半徑而造成浪費，小漿量的灌漿方案可能因為孔距過密給后續施工質量把控和工期帶來不便。因此，為確保工程能夠發揮功效同時提高財政資金的使用效益，文章提出了充填灌漿范圍理論計算公式并研究不同灌漿布置方案對工程造價的影響，可供設計人員參考使用。

1 工程概況

某小（1）型水庫壩址位于寧江一級支流曾坑河上游，集雨面積為0.90 km2，于1980 年竣工，本次大壩主要加固內容為重建上游護坡、完善壩頂結構、重建部分反濾棱體，壩體增設充填灌漿。加固后大壩最大壩高17.30 m，壩頂寬4.90 m，壩頂長度70 m。迎水坡坡比1:2.50，背水坡坡比1:2.50，壩后坡設置棱體排水。大壩壩體主要以雜填土為主，由砂巖殘積土、砂土、粘土、礫石、粉土組成，滲透系數K=3.19×10-3cm/s，天然孔隙率0.35，壩基土主要為殘積土、全風化、強風化砂巖。

加固前經現場檢查，主壩外觀情況完好。壩頂未發現積水、變形、裂縫等異常現象；背水坡未發現裂縫、剝落、滑動等異常現象。

2 充填灌漿有效半徑理論計算

2.1 灌漿量的確定

土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成的三相體系，充填灌漿為漿液填滿土中空隙的過程，因此土體天然孔隙率是影響灌漿量的重要因素，多年的灌漿實踐也表明，充填灌漿量與壩體土料顆粒組成及壩體的填筑狀況密切相關，當土料含礫量大及土質松散時，灌漿量較大。鑒于漿液在填充土體過程中不可能飽和填充，且填充介質存在各向異性等復雜的邊界條件，根據《建筑地基處理技術規范》對漿液填充孔隙系數的研究，填充孔隙系數取0.60～0.80，黏性土壩每孔每米灌漿量大多集中在1～3 t/m。

2.2 灌漿半徑

灌漿模擬分析目前存在漿液擴散規律復雜、地質條件隱蔽等問題，充填灌漿流動擴散規律擬定沿注漿管四周均勻擴散，參照《建筑地基處理技術規范》單液硅化法加固黃土溶液用量公式反推充填灌漿有效加固半徑r計算公式如下：

式（1）中：α—漿液填充孔隙系數，可取0.60～0.80，出于安全考慮此次取0.80；Q—每孔漿液灌注量（t）；n—擬加固土的天然孔隙率；l—灌注孔長度（m）；d—灌注漿液的相對密度。

2.3 灌漿布置方案經濟技術比選

結合《土壩灌漿技術規范》（SL564-2014）規范與項目實際，漿液相對密度根據規范要求取1.50 g/cm3，灌漿孔距取1～2 m，鉆孔深度進入殘積土壩基1 m。

為保證滲流安全，擬定充填灌漿防滲墻有效寬度為1.40 m，以灌漿量和孔距為控制參數布置了三個灌漿方案，如圖1所示。主要施工工藝為鉆孔和灌漿充填，充填灌漿造價依據采用《廣東省水利水電工程設計概（估）算編制規定》和《廣東省水利水電建筑工程預算定額》，材料價格采用當地最新信息價，方案布置參數詳見表1。

圖1 灌漿布置方案經濟技術比選圖

表1 灌漿布置方案經濟技術比選表

由上表可知，在充填灌漿防滲墻有效寬度一定的情況下，大灌漿量形成大灌漿半徑的方案更具經濟性，造價節省近35%，因此選定方案三。

3 大壩滲流安全分析

3.1 滲流計算方法和計算工況

此次滲流分析采用理正軟件滲流計算模塊有限元分析方法進行計算。根據SL189-2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》要求，此次滲流計算采用以下四種工況進行分析：①正常運用條件：上游正常蓄水位與下游不利水位；上游設計水位與相應下游水位；上游庫水位降落。②非常運用條件：上游校核水位與相應下游水位。

3.2 計算參數的選定

根據灌漿規范和多地充填灌漿實踐研究表明，灌漿后滲透系數可取1×10e-6 cm/s，出于安全考慮此次取5×10e-5 cm/s。其余參數根據現場原位檢測和壩體鉆孔勘探成果。此次壩體滲流安全分析壩體、壩基滲透系數取值如表2所示。

表2 滲流分析計算參數采用值表

3.3 滲流計算結果

按照擬定的滲流計算模型和滲流有限元方法進行滲流計算，各工況下的滲流計算浸潤線如圖2、3、4、5所示。

圖2 上游正常蓄水位與下游不利水位工況圖

圖3 上游設計水位與相應下游水位工況圖

圖4 上游正常水位降落工況圖

圖5 上游校核水位與相應下游水位工況圖

經分析計算，壩體經充填灌漿后浸潤線明顯下降，浸潤線低于排水棱體頂部的距離滿足要求；出逸點最大比降小于壩坡的允許滲透比降，滲流比降滿足要求。因此大壩的滲流安全評價是安全的。各工況滲流計算成果如表3所示。

表3 各工況滲流計算成果表

4 大壩結構穩定分析

4.1 結構穩定分析法和計算工況

此次結構穩定分析采用理正軟件邊坡穩定模塊簡化畢肖普方法進行計算。結構穩定分析工況對應滲流分析各計算工況。

4.2 計算參數的選定

充填灌漿通過膠結加固，一定程度改善土體剪應力，經相關注漿土體抗剪強度試驗結果表明，灌漿后土體內摩擦角與粘聚力提高值為30%左右。其余參數根據現場原位檢測和壩體鉆孔勘探成果。此次壩體結構穩定分析取值如表4所示。

表4 結構穩定分析參數采用值表

4.3 結構穩定分析結果

經過對大壩進行加固處理，大壩浸潤線在壩體中部有明顯的下降，壩體的抗滑穩定安全系數比加固前變大，大壩在各種工況下抗滑穩定最小安全系數滿足規范要求。各工況滲流計算成果如表5所示。

表5 各工況結構穩定分析成果表

5 結論

通過大壩滲流安全分析及結構穩定分析可知，充填灌漿有效降低了壩體浸潤線的高度和內部的滲透比降，有效提高壩體滲流穩定性。另外灌漿形成的水泥黏土墻也增加了壩體抗滑阻力，一定程度提高壩體穩定性。但在充填灌漿的設計過程中應注意以下兩點：①在灌漿處理長度一定的情況下，優選單位注漿量大形成大注漿半徑的灌漿布置方案，可以節省工程造價和縮短工期；②壩體滲流和結構建模分析需要的充填灌漿范圍可通過理論公式擬定，但在實施過程中應通過現場注漿試驗確定，若試驗結果與理論效果偏差大，應對灌漿方案做出相應調整。