水泥土攪拌樁防滲墻對土壩防滲效果的模擬研究

郝 潔，李 軍*，鄭國寶，賈海磊，潘文明

(1. 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2. 丹陽市長江堤防工程管理處，江蘇 鎮江 212300)

水泥土攪拌樁是通過施工機械在地基深處將軟土和水泥強制攪拌，經一系列反應硬結成具有整體性、阻水性和一定強度的承重樁，在壩體中連續的攪拌樁構成了水泥土防滲墻。土質防滲體需在筑壩期間施工且施工難度較高，而水泥土攪拌樁防滲墻具有經濟、可靠、施工方便等優點，可用于后期澆筑。在工程實際中水泥土攪拌樁防滲墻多應用在水庫大壩除險加固工程[1-3]，目前針對防滲墻的施工工藝也有較多研究[4-5]。在水泥土攪拌樁防滲墻的效果方面，王靜芳[6]對比了無防滲、單排和雙排攪拌樁防滲墻，得出雙排水泥土攪拌樁防滲墻有更好的防滲效果。侯永峰等[7-9]分別以粘性土和砂土為原狀土，摻入不同比例的水泥進行試驗得出一系列的水泥土對應的滲透系數。董凱赫[10]對不同水泥摻量水泥土的滲透性進行了試驗研究。王丹[11]針對防滲墻滲透系數、成墻厚度、深度方面都做了一系列假設，進行了滲流分析，但對滲流網和浸潤線沒有作出分析對比。在滲流觀測資料分析方面，滿紅飛[12]對土石壩的滲流觀測數據及計算結果作了對比，但實際分析過程中沒有進行反演。

本文采用有限元分析方法和實測資料對水泥土攪拌樁防滲墻防滲效果進行研究，在實測基礎上對水泥土攪拌樁防滲的效果進行分析，并通過有限元分析防滲墻墻體位置及墻體深度對抗滲穩定性指標的影響，為水泥土防滲墻設計提供進一步的優化指標。研究成果對于水泥土攪拌樁防滲墻的施工設計具有重要意義。

1 水泥土攪拌樁防滲墻觀測實驗

1.1 水泥土攪拌樁防滲墻工況

江蘇省某水庫大壩為均質土壩，壩高14.90 m。除險加固對大壩進行了防滲處理，壩體采取多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻防滲，范圍為K0+000—K0+962，墻厚0.3 m，防滲墻進入壩基粉質粘土層不小于1 m。

攪拌樁防滲墻參數：施工單樁直徑500 mm，樁間中心距400 mm。固化劑采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量(占天然土重的百分比)15%。根據質量檢測結果，防滲墻成樁完整、連續、質量穩定，外觀質量好，樁搭接滿足設計要求。根據室內滲透試驗結果，防滲墻滲透系數在8.9×10-8～7.5×10-7cm/s之間。

本次滲流實驗選取距大壩左起612 m作為典型斷面(該斷面有較全的地質勘查參數，且有測壓管監測斷面)，典型斷面滲流計算簡化土質材料分區見圖1。各土層原地勘測滲透系數見表1。

表1 土層滲透系數表

圖1 典型斷面滲流計算簡化材料分區圖Fig.1 Simplified material partition graph for typical section seepage calculation

1.2 大壩測壓管布置及觀測結果

在大壩防滲墻前后(P5，防滲墻前1 m；P6，防滲墻后1 m)，下游(P7，防滲墻后13 m)、坡腳(P8，防滲墻后34 m)，各布置一個測壓管，同時觀測測壓管水位。水庫典型斷面2010年6月份測壓管水位觀測值如表2所示。

由表2可知，防滲墻前后水位落差明顯，均達到2 m以上，說明防滲墻有降低壩體內水頭的效果。根據朱朝陽[13]對混凝土防滲墻浸潤線位勢的分析，經過混凝土防滲墻后的剩余位勢在40%時判斷防滲墻效果較好。由表3可知，當庫水位在24.98～25.11 m時，典型斷面經過水泥土攪拌樁防滲墻后的剩余位勢在69.80%～70.04%之間，由于水泥土攪拌樁防滲墻與土體結合，本身作用效果不及混凝土防滲墻，經過防滲墻后位勢變動較大(在15%以上)也能說明該工程中防滲墻防滲效果較好。實測各點水位在上游水位變動情況下都有所變化，說明測壓管對水位變動反應靈敏。鑒于以上特點，2016年現場對大壩進行檢查時，未發現大壩有明顯滲漏異常，結合施工期滲流數據，可判斷測壓管數據準確，符合實際滲流情況。

表2 典型斷面大壩測壓管水位

表3 典型斷面測點位勢統計表

2 滲流有限元模型構建和驗證

目前常用的滲流模型主要有：基于拉普拉斯方程的流網法，根據流線和等勢線的關系及水頭損失繪制流網；求基本方程數值解的有限單元法；用電磁場模擬滲流場的電擬試驗法；在平面滲流條件下求解穩定滲流的水力學方法。滲流模型不考慮滲流在土壤孔隙中流動路徑的迂回曲折，只考慮滲流的主要流向，并認為全部滲流空間均被水所充滿。本文采用能夠描述復雜滲流情況的有限單元數值解法。

2.1 模型構建和網格剖分

根據大壩壩體、壩基填筑和地質情況，選取典型斷面進行滲流計算。建模時下邊界取壩體向下延伸1倍壩高的位置，上游邊界延伸0.5倍壩寬的位置。網格劃分參考簡化的各土質材料分區邊界，網格單元基本采用四邊形，個別部位采用三角形過渡，該模型總單元數為13 166個，節點數13 438個。滲流平面有限元網格見圖2。

圖2 典型斷面滲流有限元平面網格圖Fig.2 Seepage finite element plane grid of typical section

2.2 模型驗證

表1中各土層原地勘測滲透系數是針對某一點進行測試，不能完全代表各土層平均滲透系數的真值，因此在模型計算中需針對滲透系數合理取值范圍進行調試反演，獲得更符合實際情況的模型參數。選取典型斷面附近的監測斷面，選取實測資料中2010年6月5日的數值作為本次計算的依據。

根據表1中滲透系數小值平均值計算浸潤線，與實測水位進行比較。計算結果見表4。

表4 計算斷面實測水位與計算水位比較

由表4可知，直接使用地勘資料所得浸潤線與實測水位有一定差別，尤其是防滲墻前后水位差與實際情況不符，故結合地勘的滲透系數范圍和2010年6月5日監測斷面的水位取值，對計算斷面的滲透系數進行反演計算，反演計算結果如表5和圖3，反演得到各土層滲透系數見表6。

表5 計算斷面實測水位和反演后計算水位比較

圖3 反演后計算水位與實測水位對比Fig.3 Comparison of measured water level and calculated water level after inversion

經過反演計算，浸潤線與實測值變化趨勢相近，防滲墻前后的水頭變化及防滲墻后的三個測壓管水位更接近實測值，整體浸潤線和實測值相近，可認為滲透系數反演取值比較合理。故選取表6滲透系數進行滲流驗算。

表6 反演后各土層滲透系數

2.3 防滲墻效果分析

為了說明水庫水泥土攪拌樁防滲墻的作用效果，上游采用水位26.38 m，對比加入防滲墻前后的工況進行分析。分析結果見圖4、圖5和表7。

圖4 無防滲墻時的滲流計算結果Fig.4 Seepage calculation results without impervious wall

圖5 防滲墻加固處理后的滲流計算結果Fig.5 Seepage calculation results of impervious wall reinforcement

由圖4和圖5可知，加入防滲墻后，墻前有一定的壅水，墻后浸潤線降低，防滲墻前后水位差明顯；由表7可知，加入防滲墻后，滲流量減少，下游出逸點高程降低，下游最大滲透坡降減小?？梢娂尤敕罎B墻后，滲流穩定性增加，防滲效果明顯。

表7 加入防滲墻前后的滲流計算結果

3 防滲墻墻體位置及墻體深度對防滲效果的影響

針對實際壩體，設立防滲墻位置在壩體上游壩坡(53 m)、壩頂上游(63.62 m)、壩頂中部靠前(66 m，原防滲墻位置)、壩頂下游(70.22 m)和下游壩坡(80 m)五種情景(圖6)，利用有限單元法進行模擬計算，分析防滲墻的位置對防滲效果的影響。同時對比防滲墻底位于不同深度時的防滲效果。表8為不同防滲墻位置和深度對防滲效果的計算結果。

圖6 防滲墻位置布置圖Fig.6 Position layout of impervious wall

表8 防滲墻位置和深度對于防滲效果的影響計算

圖7(a)(b)(c)中橫坐標為防滲墻位置，不同顏色折線代表防滲墻貫入不同的深度。在相同的成墻深度下，總滲流量隨防滲墻的后移有增大的趨勢，墻前后水位落差隨防滲墻的后移有減小的趨勢，壩基及背水坡最大滲透坡降隨防滲墻后移有增大的趨勢。由此可見，防滲墻越靠前，壩體的滲流穩定性越好。

圖7 滲流量變化、防滲墻處水位落差及滲透坡降變化圖Fig.7 Graph of seepage flow changes, water level drop at the cutoff and permeability gradient change

圖7(d)(e)(f)中橫坐標為防滲墻高程，不同顏色折線代表防滲墻處于不同的位置。防滲墻位置相同時，總滲流量隨防滲墻貫入深度的增加而減少，墻前后水位落差隨防滲墻貫入深度的增加而增加，壩基及背水坡最大滲透坡降隨防滲墻成墻深度的增加而降低。由此可見，防滲墻貫入深度越深，壩體的滲流穩定性越好。

以防滲墻實際成墻深度16 m處為例，壩體滲流量隨防滲墻位置前移有減小的趨勢，滲流量隨防滲墻位置的變化斜率為2.9×10-9，即防滲墻每向前移動1 m，單寬流量減小2.9×10-9m3/s。

考慮到壩體穩定性和滲流量等因素，防滲墻應布置在壩頂上游(63.62 m)處，單寬流量為1.41×10-6m3/s。實際工程中為施工方便，將防滲墻布置在壩頂中部偏上游的位置(66 m)，該位置距壩頂上游位置2.38 m，單寬流量差為10.0×10-8m3/s，占防滲墻位于壩頂上游時單寬流量的0.7%，該差值對于防滲效果的影響較小，故綜合考慮，將防滲墻的位置布置在壩體中部靠近上游處較為合理。

4 結論

1)加入防滲墻后，滲流穩定性增加，防滲效果明顯。

2)在防滲墻高程取實際深度情況下，由壩下游至壩上游單寬滲流量變化為1.44×10-6～1.36×10-6m3/s，壩前后水位差變化為2.39～2.91 m，防滲墻越靠上游，單寬滲流量減少，墻前后水位落差增加，壩基及背水坡最大滲透坡降降低，壩體的滲流穩定性越好。

3)在防滲墻高程取實際位置(66 m)情況下，防滲墻越深，單寬滲流量減少，墻前后水位落差增加，壩基及背水坡最大滲透坡降降低，壩體的滲流穩定性越好。

4)防滲墻的位置布置在壩體中部靠近上游處較為合理，但考慮實際工程中施工要求，適當將防滲墻位置后移布置在大壩軸線處，對于滲流量變化影響較小。