深层搅拌水泥土墙的防渗效果分析

林 鹏,陈慧美,王艳群,黄涤宇

(1.同济大学地下建筑与工程系,上海200092;2.汕头大学土木工程系,广东汕头 515063)

0 前 言

全球变暖,多雨和干旱季节频繁,在多雨的季节,随着河道水位的骤涨或骤降,堤坝两侧形成一个较大的水头差,土体以及坝身的渗流出现不稳定性,引起管涌、流沙等工程现象,渗流所引起的管涌、流沙现象在每年的洪汛季节会造成很严重的工程事故。目前水利工程中的防渗处理主要是灌浆帷幕方法[1～3],但在纵向很长的堤围工程中,灌浆法存在着造价很高而且定向加固不能很好确定的问题。深层搅拌水泥土墙作为防渗墙在基坑工程中应用非常广泛[4,5],但在水利工程中,如何根据堤围的工程特点,合理应用深层搅拌水泥土墙,降低造价,满足工程要求则存在着很多问题[6,7]。

汕头市梅溪河是韩江流经汕头出海的主要支流,两岸是汕头的主要工业基地及民居密集地,每年汛期两岸堤围都有不同程度的渗流破坏情况,需要对堤坝进行渗流分析,采取必要的加固措施。本文研究深层搅拌水泥土墙作为土石坝堤围防渗加固措施的可行性及适用情况,以汕头梅溪河堤围一试验段为研究分析对象,进行一系列现场、室内实验,包括现场施工工艺试验、钻孔抽芯试验、注水试验和室内渗压试验等,分析水泥土的防渗加固效果。采用有限元数值方法建立堤围渗流的分析模型,分析不同水位下加固前、后堤围的渗流规律。为考虑极端气候造成水位突变的影响,采用非稳态渗流理论[8],分析水位变化对堤围的渗流影响,得到一些有用的结果,对整个大坝加固的设计、施工起到很好的指导作用,对深层搅拌水泥土墙作为防渗墙在类似水利工程中的应用有一定的推广价值。

1 堤围水泥土防渗墙试验区效果分析

梅溪河堤身及地质剖面情况如图1,堤身为人工填土,由花岗岩风化土和粉质粘土组成,厚度5.96 m,密度ρ=1.89 g/cm3,含水率 w=27.6%,孔隙比 e=0.778,渗透系数 k=4.3×10-4cm/s;堤基第一层为粉质粘土,厚度 1.24 m,密度ρ=1.81 g/cm3,含水率 w=40.2%,孔隙比 e=1.062,渗透系数 k=3.9×10-6cm/s;第二层为淤泥质土,厚度1.3 m,密度ρ=1.76 g/cm3,含水率 w=43.5%,孔隙比 e=1.147,渗透系数 k=1.6×10-6cm/s;第三层为中砂,厚度2.2 m,密度 ρ=2.01 g/cm3,含水率 w=18.9%,渗透系数 k=1.762×10-2cm/s;第四层为淤泥质土,厚度1.4 m,密度ρ=1.72 g/cm3,含水率w=42.5%,孔隙比 e=1.12,渗透系数 k=7.04×10-6cm/s。

图1 堤坝及地质剖面情况

根据地质情况,梅溪河左岸采用深层搅拌水泥土防渗墙方法加固大坝,为了解防渗墙的工作情况和适合本工程地质情况的最佳技术参数,施工一段深层搅拌水泥土防渗墙作为防渗试验区。在离岸边2 500 mm的堤围处打两排深层搅拌桩,形成水泥土防渗墙,搅拌桩桩径D=500 mm,桩中心距d=400 mm,防渗墙宽度900 mm,长度 l=12 100 mm,采用32.5 R号普通硅酸盐水泥,水泥浆的水灰比为0.50,水泥土墙剖面情况如图2所示。

1.1 现场试验及效果分析

1.1.1 抽芯试验

在水泥土墙不同位置、不同深度进行钻孔抽芯试验,试验结果表明各位置的水泥土完整性良好,取若干位置的水泥土样进行室内渗压试验。抽芯钻孔位置见图3。

图2 水泥土防渗墙位置图

图3 防渗井布置图

1.1.2 防渗井注水试验

将抽芯试验留下的钻孔形成防渗井,进行注水试验,确定各段水泥土的渗透系数,评价加固、施工效果。防渗井位置见图3,注水试验测得的水泥土的渗透系数如表1。从表中结果可看到,渗透系数随水泥渗入量的增加而减少,采用复搅的施工工艺有更好的质量稳定性,土体渗透性降低明显。原来透水性相对较好的人工填土层、中砂层经处理改良后,水泥土渗透性降低明显,原来相对隔水的粉质粘土层、淤泥质土层的渗透性也相应降低,此处进行大面积加固处理时水泥浆可适当减少。

表1 现场注水试验测得的水泥土渗透系数

1.2 水泥土室内渗压实验

对现场深层搅拌水泥土墙抽芯取样,进行室内渗压试验,即让水泥土样在一定压力下进行侧限压缩试验,变形稳定后再施加一定水头压力进行渗透试验,试验装置如图4。抽芯水泥土样进行了 0 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa压力状态下的渗压试验,部分试验成果如表2(水泥渗入量均为15%)。

从表2可看到,与现场注水试验结果相同,原来透水性相对较好的人工填土层、中砂层经处理改良后,水泥土渗透性降低明显。上覆土的压力对水泥土的渗透性有一定影响,进行渗流过程数值分析时可适当考虑。

根据现场注水试验、室内渗压试验结果,考虑水泥土的完整性及防渗要求,建议水泥土防渗墙采用15%的水泥掺入量,原来透水性相对较好的土层采用复搅工艺施工。

图4 渗压试验压力室装置图

表2 室内渗压试验得到的水泥土渗透系数

2 加固前、后堤围渗流的数值分析

为分析加固前、后堤围的渗流情况,本文采用PlaxFlow有限元程序,考虑不同水位对堤围渗流的影响,对堤围进行数值分析。坝顶标高0.00 m,平时正常水位为-4.0 m,50 a一遇洪汛水位为-1.2 m,堤内地下水位为-4.7 m。

2.1 加固前堤围渗流情况分析

为了分析加固前堤围可能存在的问题,在数值分析中比较正常水位、洪汛水位以及水位暴涨至洪汛水位三种不同情况对堤坝的影响。其中,正常水位、洪汛水位两种情况采用稳态渗流分析;水位暴涨至洪汛水位情况采用非稳态渗流分析。不同水位下的堤围渗流情况见图5、图6、图7,渗流分析结果见表3。

图5 正常水位下的流场

图6 洪讯水位下的流场

从有限元分析的渗流图可以看出,渗流量主要集中在中砂层。从表3渗流的分析结果可以看出,在洪汛水位和水位暴涨情况下,最大渗流量已达3.14～3.15 m3/(d·m)。在水位暴涨的过程中,坝身中的浸润线要比其它两种情况的浸润线更高更陡,坝身出渗点的位置也有所上升。

图7 水位暴涨下的流场

表3 不同水位下加固前堤围的渗流结果

2.2 加固后堤围渗流的有限元分析

加固后的水泥土防渗墙位置见图2,考虑正常水位、洪汛水位以及水位暴涨至洪汛水位三种不同情况对加固后堤围渗流的影响,在有限元数值分析中,水泥土的水泥掺入量为15%,水泥土的渗透系数根据室内渗压试验,按照其不同位置、不同压力综合考虑。正常水位、洪汛水位以及水位暴涨至洪汛水位三种不同情况下加固后堤围的渗流图见图8、图9、图10,分析得到不同水位下堤围渗流的最大渗流速度、最大渗流量、水力坡降等结果见表4。

图8 防渗墙在正常水位下的流场

图9 防渗墙在洪讯水位下的流场

图10 防渗墙在水位暴涨下的流场

表4 不同水位下加固后堤围的渗流结果

以水位暴涨的渗流过程分析为例,对比图7和图10,可以发现,加入水泥防渗墙后的坝身,水体在坝体内的流线长度比未加防渗墙时的长度要长,在水位情况一定的条件下,加入水泥土防渗墙后的水力坡降会大大减小,坝身的渗流水量也明显减少,这对堤围的安全性是十分有利的。由表4可以看到,在不同水位下,加固后的渗流量、渗流速度、水力坡降均有很大的改善,渗流量只有原来的1/15～1/20。

3 结 论

经过以上的试验和计算分析,可以得到以下结论:

(1)现场和室内渗压试验表明,原来透水性相对较好的人工填土层、中砂层经处理改良后,水泥土渗透性降低明显。水泥土的渗透系数随着上覆压力的增加而减少,进行具体渗流分析时可根据相应的应力及所处位置取值。

(2)渗流过程的有限元数值分析表明,在洪汛水位及水位暴涨情况下,未加固的堤围有一定的安全隐患,特别是坝基的透水层渗水量偏大。水位突变对堤围渗流的安全性有极大的影响,进行非稳态的渗流分析是必要的。

(3)堤围经过深层搅拌水泥土防渗墙的加固后,达到了渗流控制的预期效果。各土层的渗透系数均有所降低,特别是中砂层的渗透系数由k=1.762×10-2cm/s减少到约k=2.0×10-6cm/s。汛期时加固后的渗流量、渗流速度、水力坡降均有很大的改善,渗流量只有原来的1/15～1/20,效果非常显著。说明深层搅拌水泥土防渗墙应用于堤围大坝的渗流控制是可行的,是堤围大坝加固的一种合理、经济的方法。

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