堤壩劈裂灌漿造孔間距改變的灌漿效果評價

武 科，馬明月，孫 岳

（1.山東大學 巖土與結構工程研究中心，濟南250061；2.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部實驗室，南京210098；3.山東科技大學，山東 青島266510；4.中國石油集團工程設計有限責任公司 巖土工程分公司 北京100085）

堤壩劈裂灌漿作為一種非常有效的防滲加固技術，已在中國重多水庫防滲加固除險工程得到推廣應用。該技術是通過在壩軸線處施加一定的灌漿壓力，控制性劈裂壩體，灌入適宜的泥漿，填充壩體內在孔洞、裂隙等病害體，形成有效的防滲實體，從而改善壩體應力狀態，達到加固堤壩結構的作用［1－3］，中國相應的研究工作較多，而國外相對較少。趙軍輝［4］基于劈裂灌漿現場施工工藝，通過改變造孔間距，評價劈裂灌漿加固效果。Liu［5］基于摩爾庫倫模型，采用有限元分析方法，研究了劈裂灌漿加固機理。武科［6］基于現場試驗和有限差分計算方法，探討了劈裂灌漿加固技術在土石壩加固中的應用。Berndt［7］采用數值計算分析方法，研究了漿液的滲透性和土體強度變化規律。然而，以上研究中缺少灌漿孔間距布設與防滲效果之間的相互作用規律的理論分析。為此，針對以上分析所存在的問題，在大型有限元軟件ABAQUS上，基于流固耦合分析，采用Mohr－Coulomb Hardening本構模型，通過布設不同間距灌漿孔的流固耦合計算，研究了堤壩劈裂灌漿過程中漿液所產生的孔隙水壓力、堤壩應力應變等分布規律，揭示了堤壩劈裂灌漿漿液在土體內滲流固結機理，闡述了漿壩互壓機理，探討了其對壩體穩定性的影響。

1 計算模型與分析方法

作為大型通用有限元分析軟件，ABAQUS具有強大的非線性計算功能、豐富的本構模型以及便利的用戶子程序接口，可以針對先進本構模型、復雜場變量、狀態變量及特殊單元、復雜邊界條件進行二次開發［8］。

1.1 Mohr－Coulomb Hardening模型

該模型與 Mohr－Coulomb模型的不同之處是：當某一區域發生塑性屈服時，土體的凝聚力、內摩擦角、膨脹角以及抗拉強度等屬性在 Mohr－Coulomb模型中是恒定不變的，而在應變硬化模型中則會發生相應地變化——硬化。其破壞準則、屈服函數等都與Mohr－Coulomb模型相同，模型中的兩個硬化參數分別為剪切硬化參數增量Δks和張拉硬化參數增量［9－10］：

根據Mohr－Coulomb破壞準則的主應力式形式可得：

將（2）式用Taylor級數展開式表示可得：

式中：c0、φ0分別表示為壩體內的土灌漿前凝聚力和內摩擦角的初始值；Δc、Δφ分別為壩體內的土灌漿后凝聚力和內摩擦角的變化值。

1.2 有限元計算模型與分析方法

考慮堤壩劈裂灌漿防滲加固技術施工工藝的特點及灌漿漿液滲流特性，以灌漿軸線為中心軸，取一半壩體為研究對象，基于ABAQUS大型數值計算軟件，建立三維半壩有限元計算模型，如圖1所示。其中，壩高10.0m，壩底長20.0m，壩頂長6.0m，灌漿孔位于灌漿軸線上。灌漿孔間距分別設定為5.0、7.0、10.0m，灌漿壓力（P＝0.5MPa）及漿液的施加都是通過在灌漿孔節點上改變孔隙水壓力大小實現。假定距離灌漿軸線0.5m范圍內為灌漿帶，距離灌漿軸線3.0m范圍內為灌漿影響帶［11－13］。模型單元采用實體單元C3D8P，壩體底部為不透水邊界，其他部位為透水邊界。灌漿孔布設如圖2所示。

圖1 土壩模型

圖2 灌漿孔布設

1.3 計算模型力學參數

在計算過程中，我們根據該工程的工程地質勘察報告、水文資料以及室內土工實驗，參考《中小型水利水電工程地質勘察經驗匯編》和《巖石力學參數手冊》，取計算力學參數見表1。

表1 壩體計算力學參數

2 分析與討論

2.1 孔隙水壓力分析

圖3給出了堤壩劈裂灌漿不同造孔間距情況下的漿液固結效果分布圖。由圖可知：1）漿液在壩體內滲透所產生的孔隙水壓力，以灌漿軸線為中心，向四周擴散，對稱分布，其大小以灌漿軸線處最大，逐漸向遠離灌漿軸線處減小；在沿壩軸線方向，其大小以底部最大，隨著高程的增加而減小。這與漿液在壩體內滲流矢量趨勢基本一致。2）在相同的灌漿壓力和灌漿時間下，造孔間距越小，通過劈裂灌漿技術加固的壩體越容易形成連貫的防滲帷幕；其中造孔間距為5.0m的灌漿實例，已在壩體內形成連貫的防滲體，而造孔間距為10.0m的灌漿實例，還未形成連貫的防滲體。3）漿液分布始終以灌漿軸線為中心，向四周擴散，且主要影響灌漿軸線附近有效區域，這與實際工程灌漿效果也基本一致［14－15］。為此，在劈裂灌漿防滲加固施工過程中，根據壩體實際情況，建議只需造孔間距為5.0m的灌漿孔，不必采用先灌注間距為10.0m的灌漿孔，再灌注間距為5.0m的，這樣可以節省大量的人員、材料、機械消耗。

圖3 不同造孔間距情況下的漿液固結效果

2.2 應力分析

圖4、5分別給出了不同造孔間距情況下堤壩劈裂灌漿后壩體最小、最大主應力分布圖。由圖可知：1）隨著劈裂灌漿防滲加固施工過程，灌漿后壩體內部形成防滲帷幕心墻，壩體應力將進行二次調整，灌漿帷幕帶內部的最小、最大主應力均以拉應力為主，這是由于漿液滲透壩體內部，致使壩體土體內有效應力增大，擠壓壩體土體，從而又反作用于漿液，造成灌漿軸線附件應力都得到顯著提高，改善壩體應力狀態；與此同時，由于漿液與壩體互壓作用，灌漿孔處容易出現冒漿，這與實際工程情況是一致的。2）造孔間距越小，其最小、最大主應力改善效果越明顯，如造孔間距為5.0m的灌漿體，其最小、最大主應力通過劈裂灌漿加固技術改善后，形成連貫的應力加強區域，達到了加固效果；而造孔間距為10.0m的灌漿體，其最大、最小主應力改善效果不如造孔間距為5.0m的顯著。

圖4 不同造孔間距情況下的壩體最小主應力分布

圖5 不同造孔間距情況下的壩體最大主應力分布

2.3 變形分析

圖6、7、8分別給出了不同造孔間距情況下堤壩劈裂灌漿后壩體豎直位移與垂直于灌漿軸線、平行于灌漿軸線的水平位移分布圖。由圖可知：1）豎直位移，隨著造孔間距的減小，在堤壩頂部產生的豎直位移越明顯，這是由于漿液灌入壩體內，漿液擠壓壩體，改善灌漿區域土體力學強度，使灌漿軸線附近區域產生豎直位移，致使灌漿區域與非灌漿區域產生沉降差，從而造成壩肩部位容易產生開裂，這與實際工程情況是一致的。2）垂直于灌漿軸線的水平位移，以灌漿軸線為中心線，水平位移量逐漸向兩側增加，這是由于漿液灌入后，漿液擠壓壩體，使壩體產生水平位移量。3）平行于灌漿軸線的水平位移，灌漿孔與灌漿孔之間的兩個區域產生顯著的擠壓位移，這是由于漿液在灌漿壓力作用下，與壩體擠壓所致，通過有效的漿壩互壓，才能更好地改善壩體應力狀態；其中隨著造孔間距的增大，其漿壩互壓效果明顯降低。

圖6 不同造孔間距情況下的壩體豎直位移分布

圖7 不同造孔間距情況下的垂直于灌漿軸線壩體水平位移分布

圖8 不同造孔間距情況下的平行于灌漿軸線壩體水平位移分布

3 結 論

針對灌漿孔間距布設與劈裂灌漿防滲實際效果之間的相互作用規律，在大型有限元軟件ABAQUS上，基于流固耦合分析，采用Mohr－Coulomb Hardening本構模型，通過布設不同間距灌漿孔的流固耦合計算，得到以下結論：

1）漿液分布始終以灌漿軸線為中心，向四周擴散，且主要影響灌漿軸線附近有效區域。在相同的灌漿壓力和灌漿時間下，造孔間距越小，通過劈裂灌漿技術加固的壩體越容易形成連貫的防滲帷幕。

2）隨著劈裂灌漿防滲加固施工過程，灌漿后壩體內部形成防滲帷幕心墻，壩體應力將進行二次調整，造孔間距越小，其最小、最大主應力改善效果越明顯。

3）由于漿液在灌漿壓力作用下，通過有效的漿壩互壓，才能更好地改善壩體應力狀態；其中，隨著造孔間距的增大，其漿壩互壓效果明顯降低。

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