厚粉土质砂层灌浆对高围堰变形及防渗墙应力的影响

任明川，佘成学，谭洪波

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072;2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014)

松塔水电站位于怒江干流中游河段，其上游围堰处河床覆盖层厚74 m，且成分复杂，由7层不同强度的材料构成，其中存在20 m厚力学性质较差的粉土质砂层。土石围堰高73 m，在下游侧开挖86 m深的大坝基坑。基础及围堰拟采用混凝土防渗墙上接复合土工膜构成防渗体系。在深厚覆盖层上修建高土石围堰，围堰大变形和防渗墙高应力是值得关注的问题，需要深入开展研究。

汪明元［1］等对乌东德高土石围堰进行了应力变形分析，但是该围堰的覆盖层比较简单，没有出现堰体大变形和防渗墙高应力的问题;郦能惠［2］、李烽［3］对深厚覆盖层中防渗墙的应力变形进行了分析，但是只注重分析整个覆盖层材料力学性质变化对防渗墙应力变形的影响，没有研究局部材料力学性质变化的影响效果。随着西部地区大型水利枢纽工程的逐步兴建，直接在复杂深厚覆盖层上修建土石围堰将不可避免，同时为了控制工程进度和节约成本，不可能对整个覆盖层进行加固处理［4］。因此，研究局部加固覆盖层中的软弱层［5］并对加固范围进行优化设计，分析其对堰体大变形和防渗墙高应力的影响效果是十分有意义的，可为同类工程的设计和施工提供参考。

本文采用非线性有限元方法，对松塔高土石围堰的应力变形进行分析，模拟了围堰填筑、基坑排水、下游大坝基坑开挖、上游水位上涨渗流场变化等过程，对围堰、基础变形和防渗墙应力进行了研究分析［6］，同时，研究了粉土质砂层灌浆措施对围堰大变形和防渗墙应力的影响，并对灌浆范围进行了计算分析。

1 未灌浆方案的计算与分析

1.1 计算模型及参数

以河床覆盖层④粉土质砂层未进行灌浆为未灌浆方案，图1是河床覆盖层及围堰的典型断面图。从图1中可以看到，覆盖层可分为7层，从上到下依次为⑦卵石混合土层、⑥含细粒土砂层、⑤卵石混合土层、④粉土质砂层、③混合土漂石层、②含细粒土砂层和①卵石混合土层，覆盖层以下为弱风化、微风化及新鲜基岩。上部围堰由Ⅰ截流戗堤、Ⅱ砂砾石料、Ⅲ石渣混合料、Ⅳ过渡料及Ⅴ垫层料组成，此外，在围堰上部采用了土工膜进行防渗，而围堰下部及覆盖层中采用混凝土防渗墙进行防渗［7］，所用混凝土标号为 C10，防渗墙厚度 1.2 m，嵌入基岩 1 m［8］。

图1 围堰及河床覆盖层典型断面图

在计算中基岩和土工膜按常规的线弹性材料模拟，土工膜轴向不能承担压应力，土工膜的拉伸弹模按100 MPa考虑;其他材料采用Duncan－Chang EB非线性弹性材料模拟。未灌浆方案的计算参数取值见表1～表3(计算参数由设计院根据勘测结果提供)。

表1 全部材料渗流计算参数取值

计算模型选用二维平面应变四边形单元，渗流计算的边界条件为:上游水下堰面及覆盖层表面为等势面，水头1 766 m;作为计算边界的河床铅直面按不透水边界处理;下游基坑开挖表面为等势面，水头为1 610 m(即下游基坑无积水);基坑位置作为计算边界的河床铅直面按不透水边界处理;基坑开挖坡面及围堰下游面为逸出边界。应力变形计算的边界条件为:上下游两侧铅直面的水平约束，底部边界固定约束。

1.2 计算结果及分析

首先分析渗流状况。在稳定渗流期，围堰及覆盖层中的渗流压力水头等值线见图2。由于混凝土防渗墙和土工膜的渗透性比覆盖层和堰体材料要小得多，在防渗体上游侧的渗流几乎处于静水状态;防渗体上下游侧水头差较大，防渗墙下游侧的渗流基本位于覆盖层中，围堰不受渗流影响;渗流逸出点位于②含细粒土砂层，逸出点的渗透坡降为0.25，小于其临界渗透坡降0.5 ～0.7;单宽渗流量为0.3896 m3/h·m。

表2 河床覆盖层及围堰材料应力变形计算参数取值

表3 线弹性材料应力变形计算参数取值

然后分析围堰及覆盖层的应力变形状况。图3和图4分别给出了围堰及覆盖层的变形情况，其中最大水平位移为2.82 m，位于堰顶;最大竖直位移为3.17 m，位于防渗墙下游的砂砾石料上部，最大沉降量已经接近天生桥一级的3.24 m，大于水布垭的 2.45 m［9］;最大主应力的最大值为 2.95 MPa，位于靠防渗墙下游覆盖层④与③交界处及覆盖层①与②交界处;最小主应力的最大值为0.91 MPa，位于靠防渗墙下游覆盖层④与③交界处。

图2 未灌浆方案稳定渗流压力水头等值线分布图/m

图3 未灌浆方案围堰及覆盖层水平向位移等值线分布图/m

图4 未灌浆方案围堰及覆盖层竖直向位移等值线分布图/m

对于混凝土防渗墙，从其应力分布情况来看，防渗墙内无拉应力存在，以竖直向受压为主。防渗墙竖直向压应力极值见表7，整个防渗墙的竖直向压应力最大值为11.26 MPa，超过了混凝土的抗压强度10 MPa，位于覆盖层④粉土质砂范围内;且位于覆盖层④粉土质砂范围内的这段防渗墙，其竖直向压应力基本都超过了10 MPa。而位于其他覆盖层中的防渗墙，其竖直向压应力都未超过混凝土的抗压强度 10 MPa，最大值为 9.03 MPa。

对于土工膜，其应力很小，最大拉应力0.25 MPa，位于土工膜底部。

上述计算结果表明，围堰及覆盖层的水平位移和竖直位移最大值都比较大;混凝土防渗墙在覆盖层④粉土质砂范围内竖直向压应力过大［10－11］，已经超过了混凝土的抗压强度。

在河床覆盖层中，覆盖层④粉土质砂层的压缩量为1.17 m，其单位厚度的压缩量为6.8 cm，其他覆盖层的最大压缩量为0.36 m，最大单位厚度压缩量为3.3 cm，即④粉土质砂层的变形量远大于其他覆盖层;且位于覆盖层④粉土质砂范围内的这段防渗墙，其竖直向压应力远高于其他覆盖层中的防渗墙，可见，在所有覆盖层中④粉土质砂层对围堰大变形和混凝土防渗墙高应力有重大影响。

通过对覆盖层④粉土质砂层进行参数敏感性分析发现［12］，如果提高④粉土质砂的模量参数K和Kb［13－14］，则④粉土质砂层的压缩量会减小，围堰的变形量也随之减小;位于其范围内的这段防渗墙，其竖直向压应力会大幅减小，整个防渗墙的最大竖直向压应力会小于混凝土的抗压强度10 MPa。覆盖层④粉土质砂层位于地面下23 m，若要改善其力学性质，提高其模量参数K和Kb，最常用的方法便是灌浆［15－16］，为此，拟对其进行水泥灌浆处理。

2 灌浆加固效果及灌浆范围的研究

2.1 灌浆后材料参数及灌浆方案

覆盖层④粉土质砂灌浆后仍采用Duncan－Chang E－B非线性弹性模型来模拟，其计算参数如表4所示。

表4 覆盖层④粉土质砂灌浆后计算参数取值

对覆盖层④粉土质砂层进行水泥灌浆，以防渗墙为中心向上下游方向延伸，④粉土质砂层逐渐变薄，且河床上围堰的高度也逐渐减小，即不同范围的灌浆会对围堰变形及防渗墙应力产生不同影响［17］，为此拟定了7个不同灌浆范围的方案，如表5所示，以进行对比计算分析。

表5 灌浆方案

2.2 灌浆方案的分析评价

不同灌浆方案的计算结果见表6和表7。

对比未灌浆方案与灌浆方案6，从表6可以看到，灌浆后围堰及覆盖层的最大水平位移变为2.25 m，相对于未灌浆情况减小了20.2%;最大竖直位移变为2.42 m，相对于未灌浆情况减小了23.7%;即通过灌浆可以有效减小围堰及覆盖层的变形量。从表7可以看到，灌浆后防渗墙在④粉土质砂层范围内的最大竖直向压应力从11.26 MPa降为4.38 MPa;整个防渗墙的最大竖直向压应力从11.26 MPa降为8.59 MPa，小于混凝土的抗压强度10 MPa;即通过灌浆可以明显减小防渗墙的最大竖直向压应力。虽然通过方案6即对整个覆盖层④粉土质砂全部灌浆可以有效降低围堰的大变形和混凝土防渗墙的高应力，但是灌浆范围过大，在经济上不太合理，因此，需要进一步对灌浆范围进行优化分析。

对比未灌浆方案与灌浆方案1～方案7的计算结果可知:

(1)从围堰及覆盖层的渗流情况来看，与未灌浆方案相比，不同灌浆范围对围堰及覆盖层的渗流影响较小，其单宽渗流量、下游溢出点的位置及溢出点的渗透坡降基本不变，渗流压力等水头线仅在覆盖层④粉土质砂范围内随着灌浆范围的变化而有所变化，其他位置的渗流压力等水头线基本不变。其原因是④粉土质砂层的上下覆盖层均为较厚的相对透水层，且④粉土质砂层仅分布在地基的局部范围，并未贯穿整个地基，所以对④粉土质砂层局部灌浆只会对灌浆范围内的渗流产生影响，但对整个围堰及覆盖层的渗流基本无影响。

(2)从围堰及覆盖层的应力情况来看，不同灌浆范围对围堰及覆盖层应力的影响如表6所示。从表6中数据可以看到，与未灌浆方案相比，不同灌浆范围对堰体及覆盖层的最小主应力影响很小;选用灌浆方案1～方案4及方案7时，会在灌浆区下游与覆盖层④交界面的底部出现应力集中，从而导致最大主应力最大值明显比未灌浆时大，但是除了应力集中的部位及整个灌浆区域的应力有明显提高外，其他位置的最大主应力基本不变。即对④粉土质砂层局部灌浆只会对灌浆区域的应力产生影响，使灌浆区域的应力有所提高，但对整个围堰及覆盖层的应力基本无影响。

(3)从围堰及覆盖层的变形情况来看，不同灌浆范围对围堰及覆盖层变形的影响如表6所示。从表6中数据可以看到，随着灌浆范围的不断扩大，围堰及覆盖层的水平位移最大值逐渐减小，且单位灌浆长度范围引起的减小值基本不变，平均每米灌浆长度可使水平位移最大值减小约0.5 cm，即若要大幅度减小水平位移最大值，则需要大范围灌浆。竖直位移最大值随灌浆范围的不断扩大也逐渐减小，且单位灌浆长度范围引起的减小值先增大后减小，即存在最优灌浆范围，可使单位灌浆长度范围引起的减小值最大，在上述灌浆方案中方案4即对防渗墙上下游50 m范围内的粉土质砂灌浆效果最好，平均每米灌浆长度可使竖直位移最大值减小约1.2 cm，但是所需灌浆范围也较大。由此可见，虽然通过灌浆可以有效减小围堰及覆盖层的大变形，但是需要进行大范围灌浆才能收到显著效果，在经济上不太合理。

表6 不同方案对围堰及覆盖层应力变形的影响

(4)从混凝土防渗墙的应力情况来看，不同灌浆范围对防渗墙竖直向压应力的影响如表7所示。从表7中数据可以看到，当对防渗墙上下游5 m范围内的④粉土质砂层灌浆时，防渗墙在④粉土质砂层范围内的最大竖直向压应力就从11.26 MPa降为6.21 MPa，整个防渗墙的最大竖直向压应力从11.26 MPa降为9.21 MPa，小于混凝土的抗压强度10 MPa。对比方案1～方案6可知，对防渗墙两侧进行灌浆均可使整个防渗墙的最大竖直向压应力从11.26 MPa降到小于混凝土的抗压强度10 MPa，但从经济角度看，显然方案1即对防渗墙上下游5 m范围内的④粉土质砂层灌浆最合理。对比方案1和方案7，虽然二者的灌浆范围都是10 m，但是方案7即当仅对防渗墙一侧的粉土质砂灌浆时，防渗墙另一侧的最大竖直向压应力为10.18 MPa，大于混凝土的抗压强度10 MPa，显然方案7不可取。由此可见，对于仅在④粉土质砂层范围内防渗墙的竖直向压应力超过混凝土的抗压强度，而在其他范围内防渗墙的竖直向压应力未超过混凝土的抗压强度这种情况，不用提高混凝土的抗压强度等级，只需对防渗墙两侧的④粉土质砂层进行小范围灌浆就可以降低整个防渗墙的最大竖直向压应力，使之小于混凝土的抗压强度。

表7 不同方案对防渗墙竖直向压应力极值的影响 单位:MPa

3 结论

综合前文分析，可以得出如下结论:

(1)当深厚覆盖层中存在厚粉土质砂层时，会引起围堰大变形和防渗墙局部高应力的情况;对厚粉土质砂层局部灌浆只会对灌浆范围内的渗流和应力产生影响，但对整个围堰及覆盖层的渗流和应力基本无影响。

(2)对深厚覆盖层中的厚粉土质砂层灌浆可以有效减小围堰及覆盖层的大变形，但是需要进行大范围灌浆才能起到明显作用，在经济上不太合理。

(3)当整个混凝土防渗墙仅在粉土质砂层范围内的竖直向压应力超过混凝土的抗压强度时，只需对防渗墙两侧的粉土质砂层进行小范围灌浆就可以降低整个防渗墙的最大竖直向压应力，使之小于混凝土的抗压强度，而不需要提高防渗墙的混凝土抗压强度等级，在经济上是合理的，是值得推荐的。

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