黃河大堤高聚物防滲墻穩定性分析

王復明，李曼珺，方宏遠，薛冰寒

（1.鄭州大學水利與環境學院，河南鄭州450001；2.重大基礎設施檢測修復技術國家地方聯合工程實驗室，河南鄭州450001；3.水利與交通基礎設施安全防護河南省協同創新中心，河南鄭州450001）

鄭焦城際鐵路全長77.78 km，設計時速250 km/h，為打造以鄭州為中心的中原城市群，促進中原區域經濟快速發展提供了有力支撐。但是，鄭焦鐵路橋跨越黃河的橋墩緊靠黃河大堤，洪水期壓縮水流將增大水流對大堤的淘刷程度，容易誘發橋墩附近大堤滲漏、脫坡、管涌等險情，從而影響鄭焦鐵路的安全運行。因此，需要對該段黃河大堤進行防滲加固。

傳統的防滲加固技術主要有高壓噴漿成墻技術、振動沉模板墻防滲技術、水泥土攪拌樁成墻技術等，這些防滲加固技術普遍存在著施工周期長、效率低、對堤壩的擾動或破壞較大等弊端。高聚物防滲墻技術是一種高效實用的新型堤壩除險加固技術，具有施工工期短，對堤壩擾動小，墻體薄，環保性、耐久性及抗滲性良好的優點［1］，其采用的非水反應類高聚物材料具有密度小、無干縮、強度提升快、韌性好、抗滲性能好等優點［2］。

近年來，科研工作者在高聚物防滲墻理論和施工技術方面開展了一定的研究工作。徐建國等［3］采用有限元模型對比分析了高聚物防滲墻與塑性混凝土、普通混凝土防滲墻在靜力與地震荷載下的應力分布及破壞特性的差異，結果表明在同種工況下高聚物防滲墻應力最小，不易發生破壞，具有較好的安全性。Guo等［4］采用有限元方法對堤壩高聚物防滲加固前后的滲流場進行了分析，指出高聚物防滲墻可以有效地降低水頭和下游溢出點的位置。王復明等［5］在靜力荷載下對高聚物防滲墻和混凝土防滲墻進行了試驗和有限元模擬，結果表明高聚物防滲墻與土體變形協調能力較好，不易發生破壞。石明生等［6］采用有限元方法對堤壩高聚物定向劈裂注漿進行了數值模擬，并進行了試驗驗證。李嘉等［7］基于動力離心試驗成果研究了高聚物防滲墻土質堤壩和混凝土防滲墻土質堤壩在超重力和地震作用下的地震響應特征，給出了傳統防滲墻土質堤壩抗震不利部位。李嘉等［8］進一步采用有限元方法結合黏彈人工邊界對堤壩高聚物防滲墻進行了地震響應分析，并對墻體進行了多目標函數優化設計。但上述研究均未考慮滲流場與應力場的耦合作用。徐建國等［9］采用Goodman無厚度單元模擬墻體與土體之間的接觸面，在應力場與滲流場耦合作用下建立了高聚物防滲墻土石壩的二維有限元計算模型，結果表明忽略滲流與應力耦合作用會導致壩體和墻體的位移、應力計算結果偏小。

本文針對鄭焦城際鐵路橋跨越黃河大堤段高聚物防滲墻注漿加固工程，介紹高聚物防滲墻施工技術，建立考慮滲流與應力耦合作用的大堤三維有限元模型，分析堤前水位、防滲墻體厚度和密度等因素對高聚物防滲墻應力變形規律的影響，為該防滲加固工程及其他堤壩除險加固工程中高聚物防滲墻的設計提供理論基礎。

1 高聚物防滲墻施工方法介紹

為保障鄭焦城際鐵路橋跨越黃河北岸大堤段的安全，在原有混凝土防滲墻的基礎上，在其兩端分別續做130 m長的高聚物防滲墻。高聚物防滲實施方案如下。

（1）布置注漿孔。在混凝土防滲墻兩端沿壩軸線方向以80 cm間距布置注漿孔。

（2）施工注漿孔模。①首次注漿孔模。采用步履式靜力壓孔機將三錐頭成槽板壓入土中并拔出后，形成超薄型注漿孔模。②二序注漿孔模。將成槽板的一個側翼探頭對準前次生成孔模的側邊孔，把前次生成孔模的側邊孔作為本次成孔的引導孔，用靜力壓孔機將其壓入壩體中，生成2個連續的注漿孔模。③土工布袋封孔。在2個孔模之間的連接孔中植入土工布袋，并在布袋內植入注漿管，然后采用布袋內注漿的方法封孔。④注漿孔模內提升注漿。在注漿孔（中間孔）內植入注漿管，采用提升注漿方法注漿，在注漿孔模內形成高聚物薄片體。⑤形成連續搭接防滲墻。連續重復上述施工工序，注漿完成后形成連續搭接的超薄高聚物防滲墻，如圖1所示。

2 高聚物防滲墻數值計算模型

根據鄭焦城際鐵路橋跨越黃河大堤段資料，采用ABAQUS軟件建立如圖2所示的三維有限元模型，其中：堤身高度為13.0 m，堤基高度為20.0 m，整體沿X軸方向長160.0 m，沿Z軸方向寬130.0 m，防滲墻高度為15.0 m，其下部嵌入堤基2.0 m。堤身采用三維8節點孔壓單元，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，單元總數為102 900個、節點總數為117 543個，其中防滲墻部分單元數為19 040個、節點數為24 675個。防滲墻和堤體接觸面采用無厚度Goodman接觸單元進行模擬。材料參數見表1。

為對比高聚物防滲墻與混凝土防滲墻的穩定性和防滲效果，分別建立剛性混凝土墻和塑性混凝土墻模型，墻體厚度均為0.5 m，高度與高聚物防滲墻的相同；為了模擬高聚物防滲墻厚度D對墻體應力變形規律的影響，將厚度 D 分別設為 2.0、3.0、4.0、5.0 cm；為了模擬堤前水深對墻體應力變形規律的影響，將堤前水深H分別設為11.0、9.0、7.0 m；為了模擬高聚物防滲墻密度對墻體應力變形規律的影響，密度取表1中高聚物1～5對應密度。

表1 高聚物防滲墻及土體材料參數

3 計算結果與分析

3.1 不同材料防滲墻防滲效果及應力變形情況對比

當高聚物防滲墻厚度取2.0 cm、密度為270 kg/m3、堤前水位為11.0 m時，不同材料防滲墻堤身孔壓分布如圖3所示。剛性混凝土防滲墻與塑性混凝土防滲墻的堤身孔壓分布規律基本一致，墻體前后水頭差均為2.5 m。高聚物防滲墻堤身與混凝土防滲墻堤身的孔壓分布規律基本相同，但高聚物防滲墻體的前后水頭差為4.5 m，表明在同等滲流條件下高聚物防滲墻的防滲效果優于混凝土防滲墻。

不同材料防滲墻水平位移分布如圖4所示，剛性混凝土防滲墻、塑性混凝土防滲墻和高聚物防滲墻的水平位移變化趨勢相似，均在墻體中部出現向下游擠壓的趨勢，最大水平位移分別為0.27、0.30、0.46 cm。

不同材料防滲墻豎向應力分布如圖5所示。剛性混凝土防滲墻上游面的下部墻體和下游面的中部墻體出現了拉應力區，其中上游面最大豎向拉應力達2.56 MPa，最大豎向壓應力達1.19 MPa，防滲墻整體豎向應力變化較大，不利于墻體穩定。塑性混凝土防滲墻整體受壓，上游和下游的豎向應力相差不大且規律相似，最大壓應力出現在上游面，僅為0.29 MPa。高聚物防滲墻上游和下游豎向應力均為壓應力且均小于塑性混凝土墻的，最大值為0.15 MPa。高聚物作為柔性材料，既彌補了剛性混凝土防滲墻彈性模量太大易出現裂縫的弱點，又彌補了塑性混凝土防滲墻強度低導致防滲效果差的弱點，與土體共同變形協調能力強。因此，高聚物防滲墻受力性能優于混凝土防滲墻。

3.2 不同厚度的高聚物防滲墻防滲效果及應力變形情況對比

當堤前水深為11.0 m，高聚物密度為270 kg/m3，高聚物防滲墻厚度分別取為2.0、3.0、4.0、5.0 cm時，堤身孔壓分布規律相似，其中厚度為2.0 cm和5.0 cm的高聚物防滲墻堤身孔壓分布情況如圖6所示。隨著防滲墻厚度的增大，墻體前后水頭差增大，即高聚物防滲墻越厚，墻體防滲效果越明顯。

不同墻厚高聚物防滲墻水平位移分布如圖7所示，4種厚度高聚物防滲墻規律一致，上游面水平位移均沿墻體高度方向先增大后減小，最大水平位移出現在墻體中部靠上位置，符合壩體內水的滲流路徑規律。當墻厚為2.0 cm時，防滲墻水平位移最大，墻高7 m處達到最大位移（0.53 cm）。隨著墻厚的增大，防滲墻變形減小，墻厚為5.0 cm時，防滲墻整體水平位移最小。

不同墻厚高聚物防滲墻豎向應力分布如圖8所示，高聚物防滲墻上下游面豎向應力分布規律相似，嵌入堤基部分豎向應力均發生突變，這與堤基強度大、對防滲墻約束較強有關。4種厚度的防滲墻均受壓應力，且隨著防滲墻厚度的增大，墻體受到的豎向壓應力逐漸減小。對于同一厚度防滲墻來說，隨著墻體高度的增加，防滲墻豎向壓應力呈減小的趨勢。2.0 cm厚高聚物防滲墻受到的壓應力最大，數值范圍為0.10～0.16 MPa，而密度大于100 kg/m3的聚氨酯高聚物材料抗壓強度大于1.18 MPa，遠大于墻體受到的最大壓應力，因此仍可保證墻體的穩定性。

3.3 堤前不同水位對高聚物防滲墻應力變形的影響

當高聚物防滲墻厚度為2.0 cm，密度為270 kg/m3，堤前水深 H 分別為7.0、9.0、11.0 m 時，在滲流場和應力場共同作用下防滲墻水平位移隨堤前水深變化的規律如圖9所示。堤前水深越低，高聚物防滲墻水平位移越小。堤前水深為11.0 m時，高聚物防滲墻的變形最顯著，最大水平位移即最大變形出現在墻體8.5 m高度附近，最大位移值為0.22 cm；而7.0 m水深時，防滲墻變形很小，最大變形出現在墻體6.5 m高度附近，最大位移值為0.08 cm。

不同壩前水深高聚物防滲墻上、下游面的應力分布情況如圖10所示，在不同堤前水深下，高聚物防滲墻整體均受壓應力，墻體上游面與下游面受力規律相似，即堤前水深越高，墻體所受壓應力越小。原因是水位上升時，雖然施加于墻體的水壓力增大，但同時堤身的容重由濕容重變為浮容重，施加于墻體的土壓力反而減小，兩者發生部分抵消后，防滲墻受到的壓應力呈現隨水位升高而略有減小的趨勢。此外，在防滲墻嵌入堤基的位置，由于約束條件發生改變，因此墻體應力發生突變，所受壓應力先變小再陡然增大，防滲墻底部受到的壓應力是整個墻體中最大的。

3.4 不同高聚物密度對壩體及墻體的影響

當墻體厚度為2.0 cm、堤前水深為11 m時，不同密度高聚物防滲墻水平位移如圖11所示，隨著高聚物材料密度的改變，墻體水平位移變化規律一致。當密度取最小值270 kg/m3時，墻體水平位移達最大值0.53 cm，而其余4種密度的防滲墻水平位移變化規律和數值基本相同。

不同密度高聚物防滲墻上游面最大主應力和下游面最大主應力變化規律如圖12所示，不同密度高聚物防滲墻上、下游面最大主應力分布規律相似，防滲墻整體受壓應力，僅在與堤基連接處受到拉應力，且防滲墻上游面的最大主應力小于下游面的。隨著高聚物材料密度的增大，防滲墻的最大主應力數值變化不大，說明高聚物材料密度對墻體受力情況影響較小。

4 結 論

針對鄭焦城際鐵路橋跨越黃河北岸大堤段高聚物防滲墻注漿加固工程，采用有限元軟件ABAQUS對防滲墻進行數值模擬，通過高聚物防滲墻與混凝土防滲墻防滲效果和受力特性的對比，以及不同堤前水深、不同厚度和不同密度的高聚物防滲墻防滲效果和受力特性的對比，得出以下結論。

（1）高聚物防滲墻防滲效果明顯優于混凝土防滲墻，在受力特性方面，剛性混凝土防滲墻出現較大區域的拉應力區，不利于墻體穩定。塑性混凝土防滲墻和高聚物防滲墻整體受壓，墻體穩定性較好，但混凝土防滲墻所受壓應力值比高聚物墻的大。在墻體變形方面，高聚物防滲墻水平位移比混凝土防滲墻的大得多，作為柔性材料，高聚物墻與周圍壩體的變形協調性好。

（2）不同墻厚的高聚物防滲墻受力規律相似，均受壓應力，且隨著防滲墻厚度的增大，墻體受到的豎向壓應力逐漸減小，水平位移也減小。

（3）當堤前水深不同時，高聚物防滲墻受力規律相似，整體受壓應力，且堤前水深越高墻體所受壓應力越??；在墻體變形方面，堤前水深越高，墻體水平位移越大，最低水位工況的防滲墻變形不明顯。

（4）高聚物材料密度改變對高聚物防滲墻的應力影響不大，在墻體水平位移方面，隨著高聚物材料密度的增大，墻體水平位移變化規律一致，均為先增大后減小，位移最大部位在墻體中部。

（5）經過不同工況的對比，高聚物防滲墻防滲效果以及受力特性都優于混凝土防滲墻，考慮到實用性和經濟性，實際工程應用時厚度2 cm、密度為270 kg/m3的高聚物防滲墻可取得理想的防滲效果。