錨注加固在山區(qū)水閘工程中的應(yīng)用研究

蔣 買 勇

(1.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410131；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072)

我國現(xiàn)有各類規(guī)模以上(過閘流量≥5 m3/s)水閘9萬多座，多建于20世紀(jì)七八十年代，由于歷史原因，不少水閘存在工程標(biāo)準(zhǔn)偏低、建設(shè)質(zhì)量較差、老化失修嚴(yán)重、工程管理落后、配套設(shè)施不全、管理運(yùn)行機(jī)制不完善等一系列問題，致使水閘安全隱患嚴(yán)重，病險(xiǎn)水閘數(shù)量龐大，其中水位陡漲陡落的山區(qū)河道水閘問題尤為突出[1,2]。

目前常用的水閘加固措施有“注漿”、“錨桿”、“植物筋”等[3]，都難以解決山區(qū)水閘底板的抗?jié)B、抗剪和變形協(xié)調(diào)問題。在高流速山區(qū)河道水閘底板要發(fā)揮錨桿支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，就要從提高底板基礎(chǔ)的強(qiáng)度、彈性模量和改變閘底板的變形規(guī)律入手，即采用錨注聯(lián)合支護(hù)體系。錨注聯(lián)合支護(hù)體系目前多用于隧道、井巷治理工程。由于這些工程安全受滲流場影響較小，因此其工作機(jī)制的探討基本上也不涉及滲流控制。對(duì)于山區(qū)河道水閘的穩(wěn)定性，不僅要求應(yīng)力應(yīng)變穩(wěn)定，對(duì)滲流場也需嚴(yán)格控制[4,5]。

本文擬結(jié)合注漿和錨桿的特點(diǎn)，分析錨注加固水閘底板的工作機(jī)制，并依托典型工程案例，采用數(shù)值模擬軟件對(duì)傳統(tǒng)注漿加固和錨注加固支護(hù)體系進(jìn)行對(duì)比分析。

1 錨注加固山區(qū)水閘的工作機(jī)制分析

在錨桿支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行閘底板注漿，可增強(qiáng)閘底板加固體結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，保證加固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，既具有錨桿加固的柔性與讓壓作用，又具有改善基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定性的功能，組成聯(lián)合加固體系，共同維持水閘的穩(wěn)定。加固機(jī)理包括以下幾個(gè)方面[6]。

(1)采用中空錨桿注漿，可利用漿液封堵閘底板滲漏通道，防止閘底板發(fā)生滲透破壞。

(2)中空錨桿注漿后將松散破碎的閘底板基礎(chǔ)膠結(jié)成整體，提高了基礎(chǔ)的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量，從而提高了基礎(chǔ)強(qiáng)度，可使基礎(chǔ)本身成為加固結(jié)構(gòu)的一部分。

(3)注漿錨桿本身為全長錨固的錨桿，通過注漿使端錨的普通錨桿變成全長錨固錨桿，提高了加固結(jié)構(gòu)的整體性。

(4)注漿使得加固結(jié)構(gòu)面尺寸加大，閘底板在加固結(jié)構(gòu)上的荷載所產(chǎn)生的彎矩減小，從而降低了加固結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，因此能承受更大的荷載，提高了加固結(jié)構(gòu)的承載能力，擴(kuò)大了加固結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。

(5)注漿后的基礎(chǔ)整體性好，與基巖形成一個(gè)整體，從而在高應(yīng)力作用下保持穩(wěn)定而不易產(chǎn)生破壞。

2 工程應(yīng)用研究

2.1 典型工程案例概況

本文選取湖南某大型水閘進(jìn)行研究，水閘控制流域面積2 314 km2，多年平均流量67.58 m3/s，主要由過木筏道、泄洪閘、船閘、右岸電站等建筑物組成。泄洪閘全長130.8 m，泄洪段按14孔布置，凈寬112 m，單孔凈寬8 m。溢流堰堰面曲線采用WES標(biāo)準(zhǔn)剖面線，堰體采用“金包銀”結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為漿砌石結(jié)構(gòu)，外包200 mm厚150號(hào)混凝土溢流面，堰頂高程63.7 m，堰高2.7 m。泄洪閘裝有提升式鋼平板門14扇，閘門尺寸為8.62 m×5.2 m (寬×高)，采用P形橡皮止水，閘墩厚度為1.2 m和2.0 m 2種，其中中墩、邊墩為1.2 m，縫墩為2.0 m。泄洪閘上部設(shè)工作橋，為鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)，橋長130 m，橋面高程79.00 m，橋面寬3.3 m。閘下游原設(shè)有消力池，池長為12 m，寬130 m，池深1.0 m，底板高程61.2 m，底板采用60 cm厚漿砌石外加20 cm厚混凝土，現(xiàn)已基本沖毀。

壩下強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板夾泥質(zhì)板巖厚2.0～4.0 m，其巖體破碎，巖心呈碎塊夾泥或泥加碎石狀，其性狀差，抗剪強(qiáng)度低，與混凝土的黏結(jié)力差。同時(shí)壩區(qū)斷層雖不發(fā)育，但發(fā)育斜河向和順河向2組節(jié)理裂隙，構(gòu)成側(cè)向和后緣切割面，而層面構(gòu)成底滑動(dòng)面，加之下游沖刷坑已鄰近閘踵，閘基存在表部及淺部滑動(dòng)，嚴(yán)重危及水閘安全運(yùn)行。

現(xiàn)場查勘分析表明，造成水閘不均勻沉降的原因有以下幾方面。

(1)水閘施工時(shí)對(duì)表部的砂礫石覆蓋層及上部的基巖碎塊進(jìn)行了清理，但沒能把強(qiáng)風(fēng)化層全部清理干凈，造成了大壩壩基滲漏。

(2)水閘基礎(chǔ)下軟弱淤泥層厚且不均勻，是造成水閘不均勻沉陷的根本原因，而且隨著水閘的持續(xù)運(yùn)行，不均勻沉陷量還會(huì)加大。

(3)水閘地基處理不當(dāng)，原設(shè)計(jì)碎石樁復(fù)合地基理論承載力不夠，加上施工時(shí)碎石樁采用人工夯擠成樁質(zhì)量差，因此原設(shè)計(jì)的碎石樁承載力無法滿足水閘基礎(chǔ)承載要求。

(4)水閘閘室長期受高速水流作用，加速了閘室沉陷。

除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)考慮將閘墩往上游方向延長5.0 m，并對(duì)閘基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，現(xiàn)采用數(shù)值模擬方法分別對(duì)注漿加固(帷幕灌漿)、錨注加固(帷幕灌漿并將灌漿管預(yù)留深入巖體)2種加固方案進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 計(jì)算模型建立和參數(shù)選取

以水閘閘底板為研究對(duì)象的典型模型，利用多孔彈性介質(zhì)進(jìn)行研究，根據(jù)研究區(qū)域的水文地質(zhì)條件，充分考慮地下水系統(tǒng)的完整性和獨(dú)立性，孔隙水壓力的變化反過來又將影響底板的應(yīng)力狀態(tài)，而應(yīng)力狀態(tài)改變引起的底板體積變化導(dǎo)致孔隙水壓力的變化。建立二維水文地質(zhì)模型，對(duì)底板天然滲流場進(jìn)行分析，并研究錨固注漿后底板的變形規(guī)律[7]。

為了問題研究的需要，應(yīng)力-滲流耦合分析所采用的基本假定如下。

(1)巖體介質(zhì)為飽和的多孔彈性介質(zhì)，巖體骨架變形為小變形。

(2)巖體為單相流體(地下水)所飽和，只考慮固液2相。

(3)巖體骨架可壓縮(固體顆粒可壓縮，空隙可壓縮)，地下水可壓縮。

(4)地下水服從達(dá)西定律。

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際相對(duì)位置關(guān)系，模型尺寸長30 m，高22 m。

該模型共分為5個(gè)網(wǎng)格組，分別為：泄水閘門、混凝土底板、地層1、地層2、基巖區(qū)。網(wǎng)格自由化分，采用三角形網(wǎng)格，具體劃分情況見圖1。

圖1 模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Model grid diagram

水閘閘壩區(qū)巖土主要有板溪群上亞群拉欖組：灰綠色砂質(zhì)板巖夾泥質(zhì)板巖，壩基持力層以砂質(zhì)板巖為主，第四系全新統(tǒng)沖積堆積由壤土、粉細(xì)砂、砂礫石等組成。根據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)試驗(yàn)成果，結(jié)合區(qū)內(nèi)或鄰區(qū)已建工程經(jīng)驗(yàn)類比，取值原則為一般物理性參數(shù)采用統(tǒng)計(jì)值的平均值，滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)采用統(tǒng)計(jì)大值平均值，抗壓強(qiáng)度、壓縮模量、指標(biāo)采用小值平均值，允許承載力根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)貫、動(dòng)力觸探及工程經(jīng)驗(yàn)綜合選取，抗剪強(qiáng)度綜合室內(nèi)試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)類比選取。推薦各類主要巖土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 加固效果對(duì)比分析

COMSOL是一個(gè)基于偏微分方程的專業(yè)有限元數(shù)值分析軟件包，是一種針對(duì)各學(xué)科的科學(xué)和工程問題進(jìn)行建模和仿真計(jì)算的文互式開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)。COMSOL基于偏微分方程的有限元解法來求解工程和物理問題，針對(duì)不同的具體問題，可進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，線性和非線性分析，特征值和模態(tài)分析等各種數(shù)值分析，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如果一個(gè)科學(xué)或工程問題可以簡化為偏微分方程形式的數(shù)學(xué)模型，幾乎都可以借助于COMSOL進(jìn)行求解。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)推薦值Tab.1 Recommended values for the physical andmechanical parameters of the rock

通過COMSOL的多物理場功能，可以選擇不同的模塊，同時(shí)模擬任意物理場組合進(jìn)行耦合分析；還可通過使用相應(yīng)模塊直接定義物理參數(shù)創(chuàng)建模型；在使用基于偏微分方程的模型時(shí)可自由定義自己的方程；其中巖土力學(xué)模塊提供了專門分析巖體和土體的塑形、變形、失效的應(yīng)用接口，并且可以考慮巖體土體與混凝土以及其他人工建筑結(jié)構(gòu)的相互作用問題。

(1)滲流場分析。基于流固耦合原理，采用COMSOL軟件對(duì)正常蓄水位(68.7 m)條件下水閘注漿加固和錨注加固前后滲流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 注漿加固后滲流場Fig.2 Seepage field after grouting reinforcement

圖3 錨注加固后滲流場Fig.3 Seepage field after anchor injection and reinforcement

由圖2可以看出，采用注漿加固，水閘閘底板加固后最大滲透壓力減小至708.3 kPa，最小滲透壓力125.0 kPa。由圖3可以看出，采用錨注加固，水閘閘底板加固后最大滲透壓力減小至458.3 kPa，最小滲透壓力41.67 kPa。采用注漿加固和錨注加固后，水閘閘底板加固后滲透壓力均顯著減小。對(duì)比分析可知，錨注加固能較好地提高基礎(chǔ)的抗?jié)B能力，最大滲透壓力減小35%，最小滲透壓力減小60%。

(2)位移場分析。采用COMSOL軟件對(duì)正常蓄水位(68.7 m)條件下水閘注漿加固和錨注加固前后位移場進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 注漿加固后位移場Fig.4 Displacement field after grouting reinforcement

圖5 錨注加固后位移場Fig.5 Displacement field after anchoring and grouting reinforcement

由圖4、圖5可以看出，采用注漿加固和錨注加固后，水閘閘底板各處豎向位移均出現(xiàn)不同程度的減小。采用注漿加固，水閘閘底板加固后最大豎向位移減小至30.8 mm，最小豎向位移減小至1.62 mm；采用錨注加固，水閘閘底板加固后最大豎向位移減小至13.7 mm，最小豎向位移減小至0.721 mm。對(duì)比分析可知，錨注加固能較好地提高基礎(chǔ)承載力，最大豎向位移減小55%，最小豎向位移減小45%。

3 結(jié) 論

(1)理論分析了錨注加固的工作機(jī)制，與錨桿加固相比，由于錨注加固注漿既加固了閘底板基礎(chǔ)，又給錨桿提供了可靠的著力基礎(chǔ)，同時(shí)改善了基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定性。

(2)采用COMSOL軟件，對(duì)傳統(tǒng)注漿加固和錨注加固后山區(qū)水閘滲流場、位移場進(jìn)行了對(duì)比分析，錨注加固能較好地提高基礎(chǔ)抗?jié)B能力，最大滲透壓力減小35%，最小滲透壓力減小60%；錨注加固能較好地提高基礎(chǔ)承載力，最大豎向位移減小55%，最小豎向位移減小45%，加固效果顯著。

錨注加固山區(qū)水閘閘底板完全可行，且較大地節(jié)省了成本，提高了工效，可在山區(qū)水閘加固工程中推廣應(yīng)用。

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