堤坝劈裂灌浆造孔间距改变的灌浆效果评价

武 科，马明月，孙 岳

（1.山东大学 岩土与结构工程研究中心，济南250061；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部实验室，南京210098；3.山东科技大学，山东 青岛266510；4.中国石油集团工程设计有限责任公司 岩土工程分公司 北京100085）

堤坝劈裂灌浆作为一种非常有效的防渗加固技术，已在中国重多水库防渗加固除险工程得到推广应用。该技术是通过在坝轴线处施加一定的灌浆压力，控制性劈裂坝体，灌入适宜的泥浆，填充坝体内在孔洞、裂隙等病害体，形成有效的防渗实体，从而改善坝体应力状态，达到加固堤坝结构的作用［1－3］，中国相应的研究工作较多，而国外相对较少。赵军辉［4］基于劈裂灌浆现场施工工艺，通过改变造孔间距，评价劈裂灌浆加固效果。Liu［5］基于摩尔库伦模型，采用有限元分析方法，研究了劈裂灌浆加固机理。武科［6］基于现场试验和有限差分计算方法，探讨了劈裂灌浆加固技术在土石坝加固中的应用。Berndt［7］采用数值计算分析方法，研究了浆液的渗透性和土体强度变化规律。然而，以上研究中缺少灌浆孔间距布设与防渗效果之间的相互作用规律的理论分析。为此，针对以上分析所存在的问题，在大型有限元软件ABAQUS上，基于流固耦合分析，采用Mohr－Coulomb Hardening本构模型，通过布设不同间距灌浆孔的流固耦合计算，研究了堤坝劈裂灌浆过程中浆液所产生的孔隙水压力、堤坝应力应变等分布规律，揭示了堤坝劈裂灌浆浆液在土体内渗流固结机理，阐述了浆坝互压机理，探讨了其对坝体稳定性的影响。

1 计算模型与分析方法

作为大型通用有限元分析软件，ABAQUS具有强大的非线性计算功能、丰富的本构模型以及便利的用户子程序接口，可以针对先进本构模型、复杂场变量、状态变量及特殊单元、复杂边界条件进行二次开发［8］。

1.1 Mohr－Coulomb Hardening模型

该模型与 Mohr－Coulomb模型的不同之处是：当某一区域发生塑性屈服时，土体的凝聚力、内摩擦角、膨胀角以及抗拉强度等属性在 Mohr－Coulomb模型中是恒定不变的，而在应变硬化模型中则会发生相应地变化——硬化。其破坏准则、屈服函数等都与Mohr－Coulomb模型相同，模型中的两个硬化参数分别为剪切硬化参数增量Δks和张拉硬化参数增量［9－10］：

根据Mohr－Coulomb破坏准则的主应力式形式可得：

将（2）式用Taylor级数展开式表示可得：

式中：c0、φ0分别表示为坝体内的土灌浆前凝聚力和内摩擦角的初始值；Δc、Δφ分别为坝体内的土灌浆后凝聚力和内摩擦角的变化值。

1.2 有限元计算模型与分析方法

考虑堤坝劈裂灌浆防渗加固技术施工工艺的特点及灌浆浆液渗流特性，以灌浆轴线为中心轴，取一半坝体为研究对象，基于ABAQUS大型数值计算软件，建立三维半坝有限元计算模型，如图1所示。其中，坝高10.0m，坝底长20.0m，坝顶长6.0m，灌浆孔位于灌浆轴线上。灌浆孔间距分别设定为5.0、7.0、10.0m，灌浆压力（P＝0.5MPa）及浆液的施加都是通过在灌浆孔节点上改变孔隙水压力大小实现。假定距离灌浆轴线0.5m范围内为灌浆带，距离灌浆轴线3.0m范围内为灌浆影响带［11－13］。模型单元采用实体单元C3D8P，坝体底部为不透水边界，其他部位为透水边界。灌浆孔布设如图2所示。

图1 土坝模型

图2 灌浆孔布设

1.3 计算模型力学参数

在计算过程中，我们根据该工程的工程地质勘察报告、水文资料以及室内土工实验，参考《中小型水利水电工程地质勘察经验汇编》和《岩石力学参数手册》，取计算力学参数见表1。

表1 坝体计算力学参数

2 分析与讨论

2.1 孔隙水压力分析

图3给出了堤坝劈裂灌浆不同造孔间距情况下的浆液固结效果分布图。由图可知：1）浆液在坝体内渗透所产生的孔隙水压力，以灌浆轴线为中心，向四周扩散，对称分布，其大小以灌浆轴线处最大，逐渐向远离灌浆轴线处减小；在沿坝轴线方向，其大小以底部最大，随着高程的增加而减小。这与浆液在坝体内渗流矢量趋势基本一致。2）在相同的灌浆压力和灌浆时间下，造孔间距越小，通过劈裂灌浆技术加固的坝体越容易形成连贯的防渗帷幕；其中造孔间距为5.0m的灌浆实例，已在坝体内形成连贯的防渗体，而造孔间距为10.0m的灌浆实例，还未形成连贯的防渗体。3）浆液分布始终以灌浆轴线为中心，向四周扩散，且主要影响灌浆轴线附近有效区域，这与实际工程灌浆效果也基本一致［14－15］。为此，在劈裂灌浆防渗加固施工过程中，根据坝体实际情况，建议只需造孔间距为5.0m的灌浆孔，不必采用先灌注间距为10.0m的灌浆孔，再灌注间距为5.0m的，这样可以节省大量的人员、材料、机械消耗。

图3 不同造孔间距情况下的浆液固结效果

2.2 应力分析

图4、5分别给出了不同造孔间距情况下堤坝劈裂灌浆后坝体最小、最大主应力分布图。由图可知：1）随着劈裂灌浆防渗加固施工过程，灌浆后坝体内部形成防渗帷幕心墙，坝体应力将进行二次调整，灌浆帷幕带内部的最小、最大主应力均以拉应力为主，这是由于浆液渗透坝体内部，致使坝体土体内有效应力增大，挤压坝体土体，从而又反作用于浆液，造成灌浆轴线附件应力都得到显著提高，改善坝体应力状态；与此同时，由于浆液与坝体互压作用，灌浆孔处容易出现冒浆，这与实际工程情况是一致的。2）造孔间距越小，其最小、最大主应力改善效果越明显，如造孔间距为5.0m的灌浆体，其最小、最大主应力通过劈裂灌浆加固技术改善后，形成连贯的应力加强区域，达到了加固效果；而造孔间距为10.0m的灌浆体，其最大、最小主应力改善效果不如造孔间距为5.0m的显著。

图4 不同造孔间距情况下的坝体最小主应力分布

图5 不同造孔间距情况下的坝体最大主应力分布

2.3 变形分析

图6、7、8分别给出了不同造孔间距情况下堤坝劈裂灌浆后坝体竖直位移与垂直于灌浆轴线、平行于灌浆轴线的水平位移分布图。由图可知：1）竖直位移，随着造孔间距的减小，在堤坝顶部产生的竖直位移越明显，这是由于浆液灌入坝体内，浆液挤压坝体，改善灌浆区域土体力学强度，使灌浆轴线附近区域产生竖直位移，致使灌浆区域与非灌浆区域产生沉降差，从而造成坝肩部位容易产生开裂，这与实际工程情况是一致的。2）垂直于灌浆轴线的水平位移，以灌浆轴线为中心线，水平位移量逐渐向两侧增加，这是由于浆液灌入后，浆液挤压坝体，使坝体产生水平位移量。3）平行于灌浆轴线的水平位移，灌浆孔与灌浆孔之间的两个区域产生显著的挤压位移，这是由于浆液在灌浆压力作用下，与坝体挤压所致，通过有效的浆坝互压，才能更好地改善坝体应力状态；其中随着造孔间距的增大，其浆坝互压效果明显降低。

图6 不同造孔间距情况下的坝体竖直位移分布

图7 不同造孔间距情况下的垂直于灌浆轴线坝体水平位移分布

图8 不同造孔间距情况下的平行于灌浆轴线坝体水平位移分布

3 结 论

针对灌浆孔间距布设与劈裂灌浆防渗实际效果之间的相互作用规律，在大型有限元软件ABAQUS上，基于流固耦合分析，采用Mohr－Coulomb Hardening本构模型，通过布设不同间距灌浆孔的流固耦合计算，得到以下结论：

1）浆液分布始终以灌浆轴线为中心，向四周扩散，且主要影响灌浆轴线附近有效区域。在相同的灌浆压力和灌浆时间下，造孔间距越小，通过劈裂灌浆技术加固的坝体越容易形成连贯的防渗帷幕。

2）随着劈裂灌浆防渗加固施工过程，灌浆后坝体内部形成防渗帷幕心墙，坝体应力将进行二次调整，造孔间距越小，其最小、最大主应力改善效果越明显。

3）由于浆液在灌浆压力作用下，通过有效的浆坝互压，才能更好地改善坝体应力状态；其中，随着造孔间距的增大，其浆坝互压效果明显降低。

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