锚注加固在山区水闸工程中的应用研究

蒋 买 勇

(1.湖南水利水电职业技术学院，长沙 410131；2.武汉大学水利水电学院，武汉 430072)

我国现有各类规模以上(过闸流量≥5 m3/s)水闸9万多座，多建于20世纪七八十年代，由于历史原因，不少水闸存在工程标准偏低、建设质量较差、老化失修严重、工程管理落后、配套设施不全、管理运行机制不完善等一系列问题，致使水闸安全隐患严重，病险水闸数量庞大，其中水位陡涨陡落的山区河道水闸问题尤为突出[1,2]。

目前常用的水闸加固措施有“注浆”、“锚杆”、“植物筋”等[3]，都难以解决山区水闸底板的抗渗、抗剪和变形协调问题。在高流速山区河道水闸底板要发挥锚杆支护的优势，就要从提高底板基础的强度、弹性模量和改变闸底板的变形规律入手，即采用锚注联合支护体系。锚注联合支护体系目前多用于隧道、井巷治理工程。由于这些工程安全受渗流场影响较小，因此其工作机制的探讨基本上也不涉及渗流控制。对于山区河道水闸的稳定性，不仅要求应力应变稳定，对渗流场也需严格控制[4,5]。

本文拟结合注浆和锚杆的特点，分析锚注加固水闸底板的工作机制，并依托典型工程案例，采用数值模拟软件对传统注浆加固和锚注加固支护体系进行对比分析。

1 锚注加固山区水闸的工作机制分析

在锚杆支护基础上进行闸底板注浆，可增强闸底板加固体结构的整体性和承载能力，保证加固结构的稳定性，既具有锚杆加固的柔性与让压作用，又具有改善基础渗透稳定性的功能，组成联合加固体系，共同维持水闸的稳定。加固机理包括以下几个方面[6]。

(1)采用中空锚杆注浆，可利用浆液封堵闸底板渗漏通道，防止闸底板发生渗透破坏。

(2)中空锚杆注浆后将松散破碎的闸底板基础胶结成整体，提高了基础的内聚力、内摩擦角及弹性模量，从而提高了基础强度，可使基础本身成为加固结构的一部分。

(3)注浆锚杆本身为全长锚固的锚杆，通过注浆使端锚的普通锚杆变成全长锚固锚杆，提高了加固结构的整体性。

(4)注浆使得加固结构面尺寸加大，闸底板在加固结构上的荷载所产生的弯矩减小，从而降低了加固结构中产生的拉应力和压应力，因此能承受更大的荷载，提高了加固结构的承载能力，扩大了加固结构的适应性。

(5)注浆后的基础整体性好，与基岩形成一个整体，从而在高应力作用下保持稳定而不易产生破坏。

2 工程应用研究

2.1 典型工程案例概况

本文选取湖南某大型水闸进行研究，水闸控制流域面积2 314 km2，多年平均流量67.58 m3/s，主要由过木筏道、泄洪闸、船闸、右岸电站等建筑物组成。泄洪闸全长130.8 m，泄洪段按14孔布置，净宽112 m，单孔净宽8 m。溢流堰堰面曲线采用WES标准剖面线，堰体采用“金包银”结构，内部为浆砌石结构，外包200 mm厚150号混凝土溢流面，堰顶高程63.7 m，堰高2.7 m。泄洪闸装有提升式钢平板门14扇，闸门尺寸为8.62 m×5.2 m (宽×高)，采用P形橡皮止水，闸墩厚度为1.2 m和2.0 m 2种，其中中墩、边墩为1.2 m，缝墩为2.0 m。泄洪闸上部设工作桥，为钢筋混凝土板结构，桥长130 m，桥面高程79.00 m，桥面宽3.3 m。闸下游原设有消力池，池长为12 m，宽130 m，池深1.0 m，底板高程61.2 m，底板采用60 cm厚浆砌石外加20 cm厚混凝土，现已基本冲毁。

坝下强风化砂质板夹泥质板岩厚2.0～4.0 m，其岩体破碎，岩心呈碎块夹泥或泥加碎石状，其性状差，抗剪强度低，与混凝土的黏结力差。同时坝区断层虽不发育，但发育斜河向和顺河向2组节理裂隙，构成侧向和后缘切割面，而层面构成底滑动面，加之下游冲刷坑已邻近闸踵，闸基存在表部及浅部滑动，严重危及水闸安全运行。

现场查勘分析表明，造成水闸不均匀沉降的原因有以下几方面。

(1)水闸施工时对表部的砂砾石覆盖层及上部的基岩碎块进行了清理，但没能把强风化层全部清理干净，造成了大坝坝基渗漏。

(2)水闸基础下软弱淤泥层厚且不均匀，是造成水闸不均匀沉陷的根本原因，而且随着水闸的持续运行，不均匀沉陷量还会加大。

(3)水闸地基处理不当，原设计碎石桩复合地基理论承载力不够，加上施工时碎石桩采用人工夯挤成桩质量差，因此原设计的碎石桩承载力无法满足水闸基础承载要求。

(4)水闸闸室长期受高速水流作用，加速了闸室沉陷。

除险加固设计考虑将闸墩往上游方向延长5.0 m，并对闸基础进行加固处理，现采用数值模拟方法分别对注浆加固(帷幕灌浆)、锚注加固(帷幕灌浆并将灌浆管预留深入岩体)2种加固方案进行对比分析。

2.2 计算模型建立和参数选取

以水闸闸底板为研究对象的典型模型，利用多孔弹性介质进行研究，根据研究区域的水文地质条件，充分考虑地下水系统的完整性和独立性，孔隙水压力的变化反过来又将影响底板的应力状态，而应力状态改变引起的底板体积变化导致孔隙水压力的变化。建立二维水文地质模型，对底板天然渗流场进行分析，并研究锚固注浆后底板的变形规律[7]。

为了问题研究的需要，应力-渗流耦合分析所采用的基本假定如下。

(1)岩体介质为饱和的多孔弹性介质，岩体骨架变形为小变形。

(2)岩体为单相流体(地下水)所饱和，只考虑固液2相。

(3)岩体骨架可压缩(固体颗粒可压缩，空隙可压缩)，地下水可压缩。

(4)地下水服从达西定律。

依据现场实际相对位置关系，模型尺寸长30 m，高22 m。

该模型共分为5个网格组，分别为：泄水闸门、混凝土底板、地层1、地层2、基岩区。网格自由化分，采用三角形网格，具体划分情况见图1。

图1 模型网格划分Fig.1 Model grid diagram

水闸闸坝区岩土主要有板溪群上亚群拉榄组：灰绿色砂质板岩夹泥质板岩，坝基持力层以砂质板岩为主，第四系全新统冲积堆积由壤土、粉细砂、砂砾石等组成。根据现场及室内试验成果，结合区内或邻区已建工程经验类比，取值原则为一般物理性参数采用统计值的平均值，渗透系数、压缩系数采用统计大值平均值，抗压强度、压缩模量、指标采用小值平均值，允许承载力根据现场标贯、动力触探及工程经验综合选取，抗剪强度综合室内试验及工程经验类比选取。推荐各类主要岩土的物理力学参数见表1。

2.3 加固效果对比分析

COMSOL是一个基于偏微分方程的专业有限元数值分析软件包，是一种针对各学科的科学和工程问题进行建模和仿真计算的文互式开发环境系统。COMSOL基于偏微分方程的有限元解法来求解工程和物理问题，针对不同的具体问题，可进行静态和动态分析，线性和非线性分析，特征值和模态分析等各种数值分析，应用领域非常广泛。如果一个科学或工程问题可以简化为偏微分方程形式的数学模型，几乎都可以借助于COMSOL进行求解。

表1 岩土物理力学参数推荐值Tab.1 Recommended values for the physical andmechanical parameters of the rock

通过COMSOL的多物理场功能，可以选择不同的模块，同时模拟任意物理场组合进行耦合分析；还可通过使用相应模块直接定义物理参数创建模型；在使用基于偏微分方程的模型时可自由定义自己的方程；其中岩土力学模块提供了专门分析岩体和土体的塑形、变形、失效的应用接口，并且可以考虑岩体土体与混凝土以及其他人工建筑结构的相互作用问题。

(1)渗流场分析。基于流固耦合原理，采用COMSOL软件对正常蓄水位(68.7 m)条件下水闸注浆加固和锚注加固前后渗流场进行了数值模拟，结果见图2、图3。

图2 注浆加固后渗流场Fig.2 Seepage field after grouting reinforcement

图3 锚注加固后渗流场Fig.3 Seepage field after anchor injection and reinforcement

由图2可以看出，采用注浆加固，水闸闸底板加固后最大渗透压力减小至708.3 kPa，最小渗透压力125.0 kPa。由图3可以看出，采用锚注加固，水闸闸底板加固后最大渗透压力减小至458.3 kPa，最小渗透压力41.67 kPa。采用注浆加固和锚注加固后，水闸闸底板加固后渗透压力均显著减小。对比分析可知，锚注加固能较好地提高基础的抗渗能力，最大渗透压力减小35%，最小渗透压力减小60%。

(2)位移场分析。采用COMSOL软件对正常蓄水位(68.7 m)条件下水闸注浆加固和锚注加固前后位移场进行了数值模拟，结果见图4、图5。

图4 注浆加固后位移场Fig.4 Displacement field after grouting reinforcement

图5 锚注加固后位移场Fig.5 Displacement field after anchoring and grouting reinforcement

由图4、图5可以看出，采用注浆加固和锚注加固后，水闸闸底板各处竖向位移均出现不同程度的减小。采用注浆加固，水闸闸底板加固后最大竖向位移减小至30.8 mm，最小竖向位移减小至1.62 mm；采用锚注加固，水闸闸底板加固后最大竖向位移减小至13.7 mm，最小竖向位移减小至0.721 mm。对比分析可知，锚注加固能较好地提高基础承载力，最大竖向位移减小55%，最小竖向位移减小45%。

3 结 论

(1)理论分析了锚注加固的工作机制，与锚杆加固相比，由于锚注加固注浆既加固了闸底板基础，又给锚杆提供了可靠的着力基础，同时改善了基础渗透稳定性。

(2)采用COMSOL软件，对传统注浆加固和锚注加固后山区水闸渗流场、位移场进行了对比分析，锚注加固能较好地提高基础抗渗能力，最大渗透压力减小35%，最小渗透压力减小60%；锚注加固能较好地提高基础承载力，最大竖向位移减小55%，最小竖向位移减小45%，加固效果显著。

锚注加固山区水闸闸底板完全可行，且较大地节省了成本，提高了工效，可在山区水闸加固工程中推广应用。

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[1] 赖 勇, 施林祥, 郑旭明. 山区河道生态防洪堤关键问题及对策[J]. 中国农村水利水电, 2011,(9):142-144.

[2] 蒋买勇. 湖南省山区河道水闸消能防冲安全评价初探[J]. 湖南水利水电,2013,(2):8-9,15.

[3] 黄殿武. 锚注支护的发展及研究现状[J]. 矿业科学技术, 2003,(1)：9-12.

[4] 王连国, 李明远, 王学知. 深部高应力极软岩巷道锚注支护技术研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(5)：2 889-2 893.

[5] 刘全林, 杨 敏. 软弱围岩巷道锚注支护机理及其变形分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(8):1 158-1 161.

[6] 王连国, 缪协兴, 董健涛, 等. 深部软岩巷道锚注支护数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2005,26(6):983-985.

[7] 师文豪, 杨天鸿, 于庆磊, 等. 层状边坡各向异性岩体渗流-应力耦合模型及工程应用[J]. 岩土力学, 2015,36(8):2 352-2 360.