黄河大堤高聚物防渗墙稳定性分析

王复明，李曼珺，方宏远，薛冰寒

（1.郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001；2.重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室，河南郑州450001；3.水利与交通基础设施安全防护河南省协同创新中心，河南郑州450001）

郑焦城际铁路全长77.78 km，设计时速250 km/h，为打造以郑州为中心的中原城市群，促进中原区域经济快速发展提供了有力支撑。但是，郑焦铁路桥跨越黄河的桥墩紧靠黄河大堤，洪水期压缩水流将增大水流对大堤的淘刷程度，容易诱发桥墩附近大堤渗漏、脱坡、管涌等险情，从而影响郑焦铁路的安全运行。因此，需要对该段黄河大堤进行防渗加固。

传统的防渗加固技术主要有高压喷浆成墙技术、振动沉模板墙防渗技术、水泥土搅拌桩成墙技术等，这些防渗加固技术普遍存在着施工周期长、效率低、对堤坝的扰动或破坏较大等弊端。高聚物防渗墙技术是一种高效实用的新型堤坝除险加固技术，具有施工工期短，对堤坝扰动小，墙体薄，环保性、耐久性及抗渗性良好的优点［1］，其采用的非水反应类高聚物材料具有密度小、无干缩、强度提升快、韧性好、抗渗性能好等优点［2］。

近年来，科研工作者在高聚物防渗墙理论和施工技术方面开展了一定的研究工作。徐建国等［3］采用有限元模型对比分析了高聚物防渗墙与塑性混凝土、普通混凝土防渗墙在静力与地震荷载下的应力分布及破坏特性的差异，结果表明在同种工况下高聚物防渗墙应力最小，不易发生破坏，具有较好的安全性。Guo等［4］采用有限元方法对堤坝高聚物防渗加固前后的渗流场进行了分析，指出高聚物防渗墙可以有效地降低水头和下游溢出点的位置。王复明等［5］在静力荷载下对高聚物防渗墙和混凝土防渗墙进行了试验和有限元模拟，结果表明高聚物防渗墙与土体变形协调能力较好，不易发生破坏。石明生等［6］采用有限元方法对堤坝高聚物定向劈裂注浆进行了数值模拟，并进行了试验验证。李嘉等［7］基于动力离心试验成果研究了高聚物防渗墙土质堤坝和混凝土防渗墙土质堤坝在超重力和地震作用下的地震响应特征，给出了传统防渗墙土质堤坝抗震不利部位。李嘉等［8］进一步采用有限元方法结合黏弹人工边界对堤坝高聚物防渗墙进行了地震响应分析，并对墙体进行了多目标函数优化设计。但上述研究均未考虑渗流场与应力场的耦合作用。徐建国等［9］采用Goodman无厚度单元模拟墙体与土体之间的接触面，在应力场与渗流场耦合作用下建立了高聚物防渗墙土石坝的二维有限元计算模型，结果表明忽略渗流与应力耦合作用会导致坝体和墙体的位移、应力计算结果偏小。

本文针对郑焦城际铁路桥跨越黄河大堤段高聚物防渗墙注浆加固工程，介绍高聚物防渗墙施工技术，建立考虑渗流与应力耦合作用的大堤三维有限元模型，分析堤前水位、防渗墙体厚度和密度等因素对高聚物防渗墙应力变形规律的影响，为该防渗加固工程及其他堤坝除险加固工程中高聚物防渗墙的设计提供理论基础。

1 高聚物防渗墙施工方法介绍

为保障郑焦城际铁路桥跨越黄河北岸大堤段的安全，在原有混凝土防渗墙的基础上，在其两端分别续做130 m长的高聚物防渗墙。高聚物防渗实施方案如下。

（1）布置注浆孔。在混凝土防渗墙两端沿坝轴线方向以80 cm间距布置注浆孔。

（2）施工注浆孔模。①首次注浆孔模。采用步履式静力压孔机将三锥头成槽板压入土中并拔出后，形成超薄型注浆孔模。②二序注浆孔模。将成槽板的一个侧翼探头对准前次生成孔模的侧边孔，把前次生成孔模的侧边孔作为本次成孔的引导孔，用静力压孔机将其压入坝体中，生成2个连续的注浆孔模。③土工布袋封孔。在2个孔模之间的连接孔中植入土工布袋，并在布袋内植入注浆管，然后采用布袋内注浆的方法封孔。④注浆孔模内提升注浆。在注浆孔（中间孔）内植入注浆管，采用提升注浆方法注浆，在注浆孔模内形成高聚物薄片体。⑤形成连续搭接防渗墙。连续重复上述施工工序，注浆完成后形成连续搭接的超薄高聚物防渗墙，如图1所示。

2 高聚物防渗墙数值计算模型

根据郑焦城际铁路桥跨越黄河大堤段资料，采用ABAQUS软件建立如图2所示的三维有限元模型，其中：堤身高度为13.0 m，堤基高度为20.0 m，整体沿X轴方向长160.0 m，沿Z轴方向宽130.0 m，防渗墙高度为15.0 m，其下部嵌入堤基2.0 m。堤身采用三维8节点孔压单元，采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，单元总数为102 900个、节点总数为117 543个，其中防渗墙部分单元数为19 040个、节点数为24 675个。防渗墙和堤体接触面采用无厚度Goodman接触单元进行模拟。材料参数见表1。

为对比高聚物防渗墙与混凝土防渗墙的稳定性和防渗效果，分别建立刚性混凝土墙和塑性混凝土墙模型，墙体厚度均为0.5 m，高度与高聚物防渗墙的相同；为了模拟高聚物防渗墙厚度D对墙体应力变形规律的影响，将厚度 D 分别设为 2.0、3.0、4.0、5.0 cm；为了模拟堤前水深对墙体应力变形规律的影响，将堤前水深H分别设为11.0、9.0、7.0 m；为了模拟高聚物防渗墙密度对墙体应力变形规律的影响，密度取表1中高聚物1～5对应密度。

表1 高聚物防渗墙及土体材料参数

3 计算结果与分析

3.1 不同材料防渗墙防渗效果及应力变形情况对比

当高聚物防渗墙厚度取2.0 cm、密度为270 kg/m3、堤前水位为11.0 m时，不同材料防渗墙堤身孔压分布如图3所示。刚性混凝土防渗墙与塑性混凝土防渗墙的堤身孔压分布规律基本一致，墙体前后水头差均为2.5 m。高聚物防渗墙堤身与混凝土防渗墙堤身的孔压分布规律基本相同，但高聚物防渗墙体的前后水头差为4.5 m，表明在同等渗流条件下高聚物防渗墙的防渗效果优于混凝土防渗墙。

不同材料防渗墙水平位移分布如图4所示，刚性混凝土防渗墙、塑性混凝土防渗墙和高聚物防渗墙的水平位移变化趋势相似，均在墙体中部出现向下游挤压的趋势，最大水平位移分别为0.27、0.30、0.46 cm。

不同材料防渗墙竖向应力分布如图5所示。刚性混凝土防渗墙上游面的下部墙体和下游面的中部墙体出现了拉应力区，其中上游面最大竖向拉应力达2.56 MPa，最大竖向压应力达1.19 MPa，防渗墙整体竖向应力变化较大，不利于墙体稳定。塑性混凝土防渗墙整体受压，上游和下游的竖向应力相差不大且规律相似，最大压应力出现在上游面，仅为0.29 MPa。高聚物防渗墙上游和下游竖向应力均为压应力且均小于塑性混凝土墙的，最大值为0.15 MPa。高聚物作为柔性材料，既弥补了刚性混凝土防渗墙弹性模量太大易出现裂缝的弱点，又弥补了塑性混凝土防渗墙强度低导致防渗效果差的弱点，与土体共同变形协调能力强。因此，高聚物防渗墙受力性能优于混凝土防渗墙。

3.2 不同厚度的高聚物防渗墙防渗效果及应力变形情况对比

当堤前水深为11.0 m，高聚物密度为270 kg/m3，高聚物防渗墙厚度分别取为2.0、3.0、4.0、5.0 cm时，堤身孔压分布规律相似，其中厚度为2.0 cm和5.0 cm的高聚物防渗墙堤身孔压分布情况如图6所示。随着防渗墙厚度的增大，墙体前后水头差增大，即高聚物防渗墙越厚，墙体防渗效果越明显。

不同墙厚高聚物防渗墙水平位移分布如图7所示，4种厚度高聚物防渗墙规律一致，上游面水平位移均沿墙体高度方向先增大后减小，最大水平位移出现在墙体中部靠上位置，符合坝体内水的渗流路径规律。当墙厚为2.0 cm时，防渗墙水平位移最大，墙高7 m处达到最大位移（0.53 cm）。随着墙厚的增大，防渗墙变形减小，墙厚为5.0 cm时，防渗墙整体水平位移最小。

不同墙厚高聚物防渗墙竖向应力分布如图8所示，高聚物防渗墙上下游面竖向应力分布规律相似，嵌入堤基部分竖向应力均发生突变，这与堤基强度大、对防渗墙约束较强有关。4种厚度的防渗墙均受压应力，且随着防渗墙厚度的增大，墙体受到的竖向压应力逐渐减小。对于同一厚度防渗墙来说，随着墙体高度的增加，防渗墙竖向压应力呈减小的趋势。2.0 cm厚高聚物防渗墙受到的压应力最大，数值范围为0.10～0.16 MPa，而密度大于100 kg/m3的聚氨酯高聚物材料抗压强度大于1.18 MPa，远大于墙体受到的最大压应力，因此仍可保证墙体的稳定性。

3.3 堤前不同水位对高聚物防渗墙应力变形的影响

当高聚物防渗墙厚度为2.0 cm，密度为270 kg/m3，堤前水深 H 分别为7.0、9.0、11.0 m 时，在渗流场和应力场共同作用下防渗墙水平位移随堤前水深变化的规律如图9所示。堤前水深越低，高聚物防渗墙水平位移越小。堤前水深为11.0 m时，高聚物防渗墙的变形最显著，最大水平位移即最大变形出现在墙体8.5 m高度附近，最大位移值为0.22 cm；而7.0 m水深时，防渗墙变形很小，最大变形出现在墙体6.5 m高度附近，最大位移值为0.08 cm。

不同坝前水深高聚物防渗墙上、下游面的应力分布情况如图10所示，在不同堤前水深下，高聚物防渗墙整体均受压应力，墙体上游面与下游面受力规律相似，即堤前水深越高，墙体所受压应力越小。原因是水位上升时，虽然施加于墙体的水压力增大，但同时堤身的容重由湿容重变为浮容重，施加于墙体的土压力反而减小，两者发生部分抵消后，防渗墙受到的压应力呈现随水位升高而略有减小的趋势。此外，在防渗墙嵌入堤基的位置，由于约束条件发生改变，因此墙体应力发生突变，所受压应力先变小再陡然增大，防渗墙底部受到的压应力是整个墙体中最大的。

3.4 不同高聚物密度对坝体及墙体的影响

当墙体厚度为2.0 cm、堤前水深为11 m时，不同密度高聚物防渗墙水平位移如图11所示，随着高聚物材料密度的改变，墙体水平位移变化规律一致。当密度取最小值270 kg/m3时，墙体水平位移达最大值0.53 cm，而其余4种密度的防渗墙水平位移变化规律和数值基本相同。

不同密度高聚物防渗墙上游面最大主应力和下游面最大主应力变化规律如图12所示，不同密度高聚物防渗墙上、下游面最大主应力分布规律相似，防渗墙整体受压应力，仅在与堤基连接处受到拉应力，且防渗墙上游面的最大主应力小于下游面的。随着高聚物材料密度的增大，防渗墙的最大主应力数值变化不大，说明高聚物材料密度对墙体受力情况影响较小。

4 结 论

针对郑焦城际铁路桥跨越黄河北岸大堤段高聚物防渗墙注浆加固工程，采用有限元软件ABAQUS对防渗墙进行数值模拟，通过高聚物防渗墙与混凝土防渗墙防渗效果和受力特性的对比，以及不同堤前水深、不同厚度和不同密度的高聚物防渗墙防渗效果和受力特性的对比，得出以下结论。

（1）高聚物防渗墙防渗效果明显优于混凝土防渗墙，在受力特性方面，刚性混凝土防渗墙出现较大区域的拉应力区，不利于墙体稳定。塑性混凝土防渗墙和高聚物防渗墙整体受压，墙体稳定性较好，但混凝土防渗墙所受压应力值比高聚物墙的大。在墙体变形方面，高聚物防渗墙水平位移比混凝土防渗墙的大得多，作为柔性材料，高聚物墙与周围坝体的变形协调性好。

（2）不同墙厚的高聚物防渗墙受力规律相似，均受压应力，且随着防渗墙厚度的增大，墙体受到的竖向压应力逐渐减小，水平位移也减小。

（3）当堤前水深不同时，高聚物防渗墙受力规律相似，整体受压应力，且堤前水深越高墙体所受压应力越小；在墙体变形方面，堤前水深越高，墙体水平位移越大，最低水位工况的防渗墙变形不明显。

（4）高聚物材料密度改变对高聚物防渗墙的应力影响不大，在墙体水平位移方面，随着高聚物材料密度的增大，墙体水平位移变化规律一致，均为先增大后减小，位移最大部位在墙体中部。

（5）经过不同工况的对比，高聚物防渗墙防渗效果以及受力特性都优于混凝土防渗墙，考虑到实用性和经济性，实际工程应用时厚度2 cm、密度为270 kg/m3的高聚物防渗墙可取得理想的防渗效果。