深層攪拌樁在壩基滲流中的應用與研究

黃 健

(江西省水利水電開發有限公司，南昌 330001)

1 概 述

從水利工程的長久安全來看，滲流沖刷對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重，主要是因為壩基透水性以及土石壩自身的透水性。近年來，地基加固施工方法得以不斷創新和應用，尤其在透水性較強的軟土地基加固方面，深層攪拌樁應用較為廣泛。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，深層攪拌樁還用來進行碼頭岸壁滑動處理和高填方路堤基層等，除此之外還用深層攪拌樁進行加固大面積的地基以及墻下條形基礎處理等。由于其自身的特點和優勢較為明顯，深層攪拌樁不僅廣泛應用于加固病險水庫除險方面，還經常用來處理水利工程地基。

2 壩基深層攪拌樁加固防滲研究

2.1 滲流理論基礎

滲流對水利工程的危害非常大，因此對滲流現象進行深入分析對水工建筑物結構的安全十分重要。國內外學者對滲流理論進行了深入研究并總結出相關理論成果，其中以Darcy通過滲流試驗總結出的達西定律最為常用，見式(1)、式(2)：

(1)

其微分形式為：

(2)

式(1)、式(2)中，各符號代表具體含義見表1。

表1 達西定律公式符號含義表

達西定律的推導是通過多孔介質層流在運動過程中所受到的阻力規律得到的，對于線性阻力導致的滲流現象能夠進行很好的解釋，但是達西定律并不適用于非線性阻力導致的滲流現象。對于非線性阻力導致的滲流現象，學術界將其稱為非達西流。通過大量理論與實際研究，將雷諾數Re不同數值范圍作為非達西流不同階段劃分的依據，見表2。

表2 非達西流階段劃分標準表

2.2 深層攪拌樁壩基加固防滲機理

起初，高速公路路基工程一般用深層攪拌樁進行加固，深層攪拌樁剛開始的應用面較窄。后來隨著施工機具和技術的發展，深層攪拌樁逐漸被各類建筑工程越來越廣泛的應用。目前，淮河、松花江以及長江和珠江包括黃河等流域的一些水利工程也在運用深層攪拌樁防滲墻技術。根據已有的工程應用實例，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特的優點和明顯的優勢，具體見表3。

表3 深層攪拌樁加固防滲優勢

深層攪拌樁現在廣泛應用于一些加固工程中，如閘基、水庫大壩以及基坑等，主要是因為深層攪拌樁在加固防滲方面獨特的優勢。隨著深層攪拌技術日新月異的發展以及對深層攪拌樁相應性能特征的深入研究，目前堤防以及年久水庫除險加固工程中已應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施工工藝流程圖

特定施工設備通過多頭鉆進的方式在土層不斷噴入固化劑并進行連續攪拌，在各種物理化學反應的作用下，土體與噴入土層的固化劑會形成穩定性較好的固結樁體。樁體通過連續搭接形成一個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構。

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目是一座以土壩為壩型的水庫，水庫相關工程概況參數見表4。經前期地質勘察結果，水庫施工區域地層分布情況較為復雜，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

對該壩段進行物探測試及鉆孔測試后，測試結果顯示壩基深度低于30 m的范圍內，沖洪積粉細砂的含量是最多的，由滲透系數為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的土層進行室內試驗，結果見表5。通過這些數據可知，該層土體不能作為相對隔水層，是由于以上深度范圍內的土體屬于微弱透水層且土體的強度較低，是中壓縮性土。

表5 土體試驗結果

由于施工質量比較差，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間比較久，造成該水庫壩基的滲漏情況比較嚴重。根據上述試驗結果和壩基實際滲漏情況，該水庫壩基被鑒定為三類病險壩。通過分析研究之后，最終決定對壩基進行防滲處理，采用深層攪拌樁來減少滲漏破壞，深層攪拌樁施工設計參數見表6。

表6 根據設計確定的深層攪拌樁參數

3.2 基于ANSYS的滲流模擬分析

ANSYS的圖形處理功能比較強大，而且預處理器和后處理器的功能也比較完善，目前應用十分廣泛，是一種有限元工程分析軟件。ANSYS集網格劃分和后期圖形處理包括建模以及荷載計算等方面于一體，不管是非常簡單的結構靜力分析，還是相對復雜的非線性動態分析都可以用它進行處理。ANSYS熱分析模塊通過使用有限元來對各節點溫度進行計算，并且是基于熱平衡方程建立的熱分析模塊，通過對各節點溫度進行計算來導出其他方面的熱物理參數。由此看出，對滲流進行分析可以采用熱分析模塊，并且將ANSYS熱分析模塊應用于工程實例的滲流分析，也證明了這是行之有效的。

結合工程地質的有關情況并根據本文的研究內容，選取表7所示大壩的計算模型參數對斷面進行網格劃分。通過ANSYS軟件來進行計算，根據選取的模型材料性質進行滲流模擬，各模擬結果圖分別見圖3、圖4、圖5。

表7 選取的大壩計算模型參數

圖3 流場模擬矢量圖

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果為基礎，對不同的滲流情況采用GeoStudio的滲流分析模塊進行分析，以便對ANSYS軟件的滲流分析結果的合理性進行更好的驗證。

3.3 基于GeoStudio的壩基滲流模擬分析

對于壩基滲流情況的模擬，GeoStudio軟件內置的seep/w模塊可以通過設置邊界條件以及建模這兩個方面得到滲流分析結果。為了保證壩基滲流模擬結果對比分析的準確性，這里采用和上述ANSYS軟件一模一樣的滲透系數和計算斷面，主要從設置和不設置深層攪拌樁這兩種情況進行模擬分析。無深層攪拌樁的GeoStudio滲流模擬結果見圖6-圖9，有深層攪拌樁的GeoStudio滲流模擬結果見圖10-圖13。

圖6 無深層攪拌樁的壩基滲流模擬網格劃分圖

圖7 無深層攪拌樁的壩基滲流模擬流網圖

圖8 無深層攪拌樁的壩基滲流模擬壓力水頭等值線圖

圖9 無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格劃分圖

圖11 有深層攪拌樁的壩基滲流模擬流網圖

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 無深層攪拌樁的滲流分析

GeoStudio軟件通過內置的seep/w模塊得到的無深層攪拌樁壩基滲流模擬網格劃分見圖6。

進行滲流模擬分析之前，要先設置好相應的模擬參數，設置完成以后再進行分析。

3.3.2 有深層攪拌樁的滲流分析

按照工程的實際情況在壩踵設置深層攪拌樁，選取深7 m且樁徑1 m的深層攪拌樁，按照與無深層攪拌樁滲流模擬相同的方法進行網格劃分，見圖10。

有深層攪拌樁的滲流情況模擬采用與無深層攪拌樁相同的模擬參數進行設置，設置完成以后再進行分析。

3.4 壩基滲流模擬結果對比分析

為驗證ANSYS和GeoStudio兩種軟件壩基滲流模擬結果的可信性，根據兩種軟件模擬出的各模擬結果圖進行對比分析。通過對比分析可以看出，ANSYS和GeoStudio兩種軟件對于該水庫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果具有較大可信度。同時，GeoStudio軟件分無深層攪拌樁加固和有深層攪拌樁加固兩種情況對壩基滲流加固情況進行了對比模擬分析。對比分析結果顯示，壩基斷面經過深層攪拌樁加固后的滲流量小于無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行防滲時，壩基滲流量明顯減小，加固效果優于其他壩基滲流加固方法。

4 結 論

因在軟土地基加固防滲方面具有特定優勢，深層攪拌樁在壩基滲流防滲中得到了較好應用。本文基于相關滲流理論，以某水庫壩基滲流加固項目為依托，采用ANSYS、GeoStudio軟件對深層攪拌樁壩基滲流加固進行了模擬、分析，并與其他方法壩基滲流加固模擬效果進行對比分析。通過對比分析可知，相較于其他壩基滲流加固方法，該水庫壩基滲流水頭、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，對于后續類似的壩基滲流處理具有一定的參考意義。