土坝充填灌浆设计计算及分析

郑源

（潮州市湘桥区财政局投资审核中心，广东 潮州 521000）

0 引言

土坝充填灌浆是利用浆液压力，充填坝体内已有的裂缝、洞穴等坝体隐患，以达到加固堤坝的一种灌浆方法。目的是通过充填裂缝、漏洞以提高坝体的防渗能力，同时通过浆液与松散坝体相互融压、固结，一定程度改善土体剪应力，进而提高坝体的渗流稳定和结构稳定。充填灌浆良好的工程效果使其被广泛用于处理坝体裂缝、坝体蚁穴、坝下涵管接触带、坝体渗漏和渠道防水等工程问题。

由此可知充填灌浆范围是影响土坝渗流分析和结构稳定分析的重要因素，但充填灌浆范围理论计算目前暂不明晰，大浆量的灌浆方案可能因为土体特性无法形成大灌浆半径而造成浪费，小浆量的灌浆方案可能因为孔距过密给后续施工质量把控和工期带来不便。因此，为确保工程能够发挥功效同时提高财政资金的使用效益，文章提出了充填灌浆范围理论计算公式并研究不同灌浆布置方案对工程造价的影响，可供设计人员参考使用。

1 工程概况

某小（1）型水库坝址位于宁江一级支流曾坑河上游，集雨面积为0.90 km2，于1980 年竣工，本次大坝主要加固内容为重建上游护坡、完善坝顶结构、重建部分反滤棱体，坝体增设充填灌浆。加固后大坝最大坝高17.30 m，坝顶宽4.90 m，坝顶长度70 m。迎水坡坡比1:2.50，背水坡坡比1:2.50，坝后坡设置棱体排水。大坝坝体主要以杂填土为主，由砂岩残积土、砂土、粘土、砾石、粉土组成，渗透系数K=3.19×10-3cm/s，天然孔隙率0.35，坝基土主要为残积土、全风化、强风化砂岩。

加固前经现场检查，主坝外观情况完好。坝顶未发现积水、变形、裂缝等异常现象；背水坡未发现裂缝、剥落、滑动等异常现象。

2 充填灌浆有效半径理论计算

2.1 灌浆量的确定

土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的三相体系，充填灌浆为浆液填满土中空隙的过程，因此土体天然孔隙率是影响灌浆量的重要因素，多年的灌浆实践也表明，充填灌浆量与坝体土料颗粒组成及坝体的填筑状况密切相关，当土料含砾量大及土质松散时，灌浆量较大。鉴于浆液在填充土体过程中不可能饱和填充，且填充介质存在各向异性等复杂的边界条件，根据《建筑地基处理技术规范》对浆液填充孔隙系数的研究，填充孔隙系数取0.60～0.80，黏性土坝每孔每米灌浆量大多集中在1～3 t/m。

2.2 灌浆半径

灌浆模拟分析目前存在浆液扩散规律复杂、地质条件隐蔽等问题，充填灌浆流动扩散规律拟定沿注浆管四周均匀扩散，参照《建筑地基处理技术规范》单液硅化法加固黄土溶液用量公式反推充填灌浆有效加固半径r计算公式如下：

式（1）中：α—浆液填充孔隙系数，可取0.60～0.80，出于安全考虑此次取0.80；Q—每孔浆液灌注量（t）；n—拟加固土的天然孔隙率；l—灌注孔长度（m）；d—灌注浆液的相对密度。

2.3 灌浆布置方案经济技术比选

结合《土坝灌浆技术规范》（SL564-2014）规范与项目实际，浆液相对密度根据规范要求取1.50 g/cm3，灌浆孔距取1～2 m，钻孔深度进入残积土坝基1 m。

为保证渗流安全，拟定充填灌浆防渗墙有效宽度为1.40 m，以灌浆量和孔距为控制参数布置了三个灌浆方案，如图1所示。主要施工工艺为钻孔和灌浆充填，充填灌浆造价依据采用《广东省水利水电工程设计概（估）算编制规定》和《广东省水利水电建筑工程预算定额》，材料价格采用当地最新信息价，方案布置参数详见表1。

图1 灌浆布置方案经济技术比选图

表1 灌浆布置方案经济技术比选表

由上表可知，在充填灌浆防渗墙有效宽度一定的情况下，大灌浆量形成大灌浆半径的方案更具经济性，造价节省近35%，因此选定方案三。

3 大坝渗流安全分析

3.1 渗流计算方法和计算工况

此次渗流分析采用理正软件渗流计算模块有限元分析方法进行计算。根据SL189-2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》要求，此次渗流计算采用以下四种工况进行分析：①正常运用条件：上游正常蓄水位与下游不利水位；上游设计水位与相应下游水位；上游库水位降落。②非常运用条件：上游校核水位与相应下游水位。

3.2 计算参数的选定

根据灌浆规范和多地充填灌浆实践研究表明，灌浆后渗透系数可取1×10e-6 cm/s，出于安全考虑此次取5×10e-5 cm/s。其余参数根据现场原位检测和坝体钻孔勘探成果。此次坝体渗流安全分析坝体、坝基渗透系数取值如表2所示。

表2 渗流分析计算参数采用值表

3.3 渗流计算结果

按照拟定的渗流计算模型和渗流有限元方法进行渗流计算，各工况下的渗流计算浸润线如图2、3、4、5所示。

图2 上游正常蓄水位与下游不利水位工况图

图3 上游设计水位与相应下游水位工况图

图4 上游正常水位降落工况图

图5 上游校核水位与相应下游水位工况图

经分析计算，坝体经充填灌浆后浸润线明显下降，浸润线低于排水棱体顶部的距离满足要求；出逸点最大比降小于坝坡的允许渗透比降，渗流比降满足要求。因此大坝的渗流安全评价是安全的。各工况渗流计算成果如表3所示。

表3 各工况渗流计算成果表

4 大坝结构稳定分析

4.1 结构稳定分析法和计算工况

此次结构稳定分析采用理正软件边坡稳定模块简化毕肖普方法进行计算。结构稳定分析工况对应渗流分析各计算工况。

4.2 计算参数的选定

充填灌浆通过胶结加固，一定程度改善土体剪应力，经相关注浆土体抗剪强度试验结果表明，灌浆后土体内摩擦角与粘聚力提高值为30%左右。其余参数根据现场原位检测和坝体钻孔勘探成果。此次坝体结构稳定分析取值如表4所示。

表4 结构稳定分析参数采用值表

4.3 结构稳定分析结果

经过对大坝进行加固处理，大坝浸润线在坝体中部有明显的下降，坝体的抗滑稳定安全系数比加固前变大，大坝在各种工况下抗滑稳定最小安全系数满足规范要求。各工况渗流计算成果如表5所示。

表5 各工况结构稳定分析成果表

5 结论

通过大坝渗流安全分析及结构稳定分析可知，充填灌浆有效降低了坝体浸润线的高度和内部的渗透比降，有效提高坝体渗流稳定性。另外灌浆形成的水泥黏土墙也增加了坝体抗滑阻力，一定程度提高坝体稳定性。但在充填灌浆的设计过程中应注意以下两点：①在灌浆处理长度一定的情况下，优选单位注浆量大形成大注浆半径的灌浆布置方案，可以节省工程造价和缩短工期；②坝体渗流和结构建模分析需要的充填灌浆范围可通过理论公式拟定，但在实施过程中应通过现场注浆试验确定，若试验结果与理论效果偏差大，应对灌浆方案做出相应调整。