錨注加固在山區水閘工程中的應用研究

蔣 買 勇

(1.湖南水利水電職業技術學院，長沙 410131；2.武漢大學水利水電學院，武漢 430072)

我國現有各類規模以上(過閘流量≥5 m3/s)水閘9萬多座，多建于20世紀七八十年代，由于歷史原因，不少水閘存在工程標準偏低、建設質量較差、老化失修嚴重、工程管理落后、配套設施不全、管理運行機制不完善等一系列問題，致使水閘安全隱患嚴重，病險水閘數量龐大，其中水位陡漲陡落的山區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]，都難以解決山區水閘底板的抗滲、抗剪和變形協調問題。在高流速山區河道水閘底板要發揮錨桿支護的優勢，就要從提高底板基礎的強度、彈性模量和改變閘底板的變形規律入手，即采用錨注聯合支護體系。錨注聯合支護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，因此其工作機制的探討基本上也不涉及滲流控制。對于山區河道水閘的穩定性，不僅要求應力應變穩定，對滲流場也需嚴格控制[4,5]。

本文擬結合注漿和錨桿的特點，分析錨注加固水閘底板的工作機制，并依托典型工程案例，采用數值模擬軟件對傳統注漿加固和錨注加固支護體系進行對比分析。

1 錨注加固山區水閘的工作機制分析

在錨桿支護基礎上進行閘底板注漿，可增強閘底板加固體結構的整體性和承載能力，保證加固結構的穩定性，既具有錨桿加固的柔性與讓壓作用，又具有改善基礎滲透穩定性的功能，組成聯合加固體系，共同維持水閘的穩定。加固機理包括以下幾個方面[6]。

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

(2)中空錨桿注漿后將松散破碎的閘底板基礎膠結成整體，提高了基礎的內聚力、內摩擦角及彈性模量，從而提高了基礎強度，可使基礎本身成為加固結構的一部分。

(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，提高了加固結構的整體性。

(4)注漿使得加固結構面尺寸加大，閘底板在加固結構上的荷載所產生的彎矩減小，從而降低了加固結構中產生的拉應力和壓應力，因此能承受更大的荷載，提高了加固結構的承載能力，擴大了加固結構的適應性。

(5)注漿后的基礎整體性好，與基巖形成一個整體，從而在高應力作用下保持穩定而不易產生破壞。

2 工程應用研究

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標準剖面線，堰體采用“金包銀”結構，內部為漿砌石結構，外包200 mm厚150號混凝土溢流面，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。泄洪閘上部設工作橋，為鋼筋混凝土板結構，橋長130 m，橋面高程79.00 m，橋面寬3.3 m。閘下游原設有消力池，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，現已基本沖毀。

壩下強風化砂質板夾泥質板巖厚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，抗剪強度低，與混凝土的黏結力差。同時壩區斷層雖不發育，但發育斜河向和順河向2組節理裂隙，構成側向和后緣切割面，而層面構成底滑動面，加之下游沖刷坑已鄰近閘踵，閘基存在表部及淺部滑動，嚴重危及水閘安全運行。

現場查勘分析表明，造成水閘不均勻沉降的原因有以下幾方面。

(1)水閘施工時對表部的砂礫石覆蓋層及上部的基巖碎塊進行了清理，但沒能把強風化層全部清理干凈，造成了大壩壩基滲漏。

(2)水閘基礎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運行，不均勻沉陷量還會加大。

(3)水閘地基處理不當，原設計碎石樁復合地基理論承載力不夠，加上施工時碎石樁采用人工夯擠成樁質量差，因此原設計的碎石樁承載力無法滿足水閘基礎承載要求。

(4)水閘閘室長期受高速水流作用，加速了閘室沉陷。

除險加固設計考慮將閘墩往上游方向延長5.0 m，并對閘基礎進行加固處理，現采用數值模擬方法分別對注漿加固(帷幕灌漿)、錨注加固(帷幕灌漿并將灌漿管預留深入巖體)2種加固方案進行對比分析。

2.2 計算模型建立和參數選取

以水閘閘底板為研究對象的典型模型，利用多孔彈性介質進行研究，根據研究區域的水文地質條件，充分考慮地下水系統的完整性和獨立性，孔隙水壓力的變化反過來又將影響底板的應力狀態，而應力狀態改變引起的底板體積變化導致孔隙水壓力的變化。建立二維水文地質模型，對底板天然滲流場進行分析，并研究錨固注漿后底板的變形規律[7]。

為了問題研究的需要，應力-滲流耦合分析所采用的基本假定如下。

(1)巖體介質為飽和的多孔彈性介質，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)地下水服從達西定律。

依據現場實際相對位置關系，模型尺寸長30 m，高22 m。

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

圖1 模型網格劃分Fig.1 Model grid diagram

水閘閘壩區巖土主要有板溪群上亞群拉欖組：灰綠色砂質板巖夾泥質板巖，壩基持力層以砂質板巖為主，第四系全新統沖積堆積由壤土、粉細砂、砂礫石等組成。根據現場及室內試驗成果，結合區內或鄰區已建工程經驗類比，取值原則為一般物理性參數采用統計值的平均值，滲透系數、壓縮系數采用統計大值平均值，抗壓強度、壓縮模量、指標采用小值平均值，允許承載力根據現場標貫、動力觸探及工程經驗綜合選取，抗剪強度綜合室內試驗及工程經驗類比選取。推薦各類主要巖土的物理力學參數見表1。

2.3 加固效果對比分析

COMSOL是一個基于偏微分方程的專業有限元數值分析軟件包，是一種針對各學科的科學和工程問題進行建模和仿真計算的文互式開發環境系統。COMSOL基于偏微分方程的有限元解法來求解工程和物理問題，針對不同的具體問題，可進行靜態和動態分析，線性和非線性分析，特征值和模態分析等各種數值分析，應用領域非常廣泛。如果一個科學或工程問題可以簡化為偏微分方程形式的數學模型，幾乎都可以借助于COMSOL進行求解。

表1 巖土物理力學參數推薦值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，同時模擬任意物理場組合進行耦合分析；還可通過使用相應模塊直接定義物理參數創建模型；在使用基于偏微分方程的模型時可自由定義自己的方程；其中巖土力學模塊提供了專門分析巖體和土體的塑形、變形、失效的應用接口，并且可以考慮巖體土體與混凝土以及其他人工建筑結構的相互作用問題。

(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行了數值模擬，結果見圖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。對比分析可知，錨注加固能較好地提高基礎的抗滲能力，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行了數值模擬，結果見圖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。對比分析可知，錨注加固能較好地提高基礎承載力，最大豎向位移減小55%，最小豎向位移減小45%。

3 結 論

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

(2)采用COMSOL軟件，對傳統注漿加固和錨注加固后山區水閘滲流場、位移場進行了對比分析，錨注加固能較好地提高基礎抗滲能力，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。

錨注加固山區水閘閘底板完全可行，且較大地節省了成本，提高了工效，可在山區水閘加固工程中推廣應用。

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[1] 賴 勇, 施林祥, 鄭旭明. 山區河道生態防洪堤關鍵問題及對策[J]. 中國農村水利水電, 2011,(9):142-144.

[2] 蔣買勇. 湖南省山區河道水閘消能防沖安全評價初探[J]. 湖南水利水電,2013,(2):8-9,15.

[3] 黃殿武. 錨注支護的發展及研究現狀[J]. 礦業科學技術, 2003,(1)：9-12.

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[5] 劉全林, 楊 敏. 軟弱圍巖巷道錨注支護機理及其變形分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2002, 21(8):1 158-1 161.

[6] 王連國, 繆協興, 董健濤, 等. 深部軟巖巷道錨注支護數值模擬研究[J]. 巖土力學, 2005,26(6):983-985.

[7] 師文豪, 楊天鴻, 于慶磊, 等. 層狀邊坡各向異性巖體滲流-應力耦合模型及工程應用[J]. 巖土力學, 2015,36(8):2 352-2 360.