基于高压旋喷灌浆技术的水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析

黄云飞

(广东省基础工程集团有限公司，广东 广州 510620)

大中型水库大坝大多运用高压旋喷灌浆技术进行除险加固，这项技术能够有效的对水库进行防渗处理且施工占地面积较小，不会产生大的波动以及噪音。在一些软地基或者淤泥质土的地基上利用高压旋喷灌浆技术进行施工也能够保障高效的施工质量，所以高压旋喷灌浆技术能够较多的在水库大坝的除险加固中应用。高压旋喷灌浆是一个对专业要求高、灌浆指标控制严格的可靠性分析实践过程[1]。高压旋喷的灌浆速度、灌浆流量及浆液量对水库加固工程混凝土防渗墙的效果有较大影响。水库加固工程中混凝土防渗墙由于受到混凝土强度、钢筋锈蚀速率等因素的影响，导致混凝土防渗墙的承载力不断劣化[2-4]，因此，需对水库加固工程混凝土防渗墙进行可靠性分析。

目前，国外针对水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析研究比较先进，美国针对水库的加固工作普遍采用混凝土防渗墙、黏土心墙等技术，大大提高了水库的防渗效果。我国也有许多学者取得了一定的研究成果。其中，基于响应面法的水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析是将响应面法引入到混凝土防渗墙结构的有限元模型中，对防渗墙结构的有限元模型展开修正，实现水库加固混凝土防渗墙的可靠性分析，选取水库加固混凝土防渗墙作为算例，利用混凝土构件的弹性模量，降低可靠性的模拟损伤，缩小了计算偏差，证明了该方法的有效性[5]；基于蒙特卡罗法的水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析是利用蒙特卡洛法从混凝土防渗墙的两个极限状态出发，对水库加固混凝土防渗墙进行了可靠性分析，实例验证了该方法的可靠性更强[6]。

基于以上背景，考虑到水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析存在的不足，本文将高压旋喷灌浆技术应用到水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析中，来提高水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析能力。

1 水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析方法设计

1.1 设置高压旋喷灌浆技术施工参数

高压旋喷灌浆技术在水库防渗加固工程中的应用，直接受水库地层结构、旋喷灌浆的压力、浆体流量、提升施工速度及土层强度等因素的影响。而水库地层表面压力和浆体注入压力对混凝土防渗墙效果的影响最直接。水库土壤成分和加固强度指标随着水库深度的变化而变化[7]。采用高压旋喷灌浆技术加固凝结体结构图如图1所示。

图1 采用高压旋喷灌浆技术加固凝结体结构图

从图1可以看出，高压旋喷灌浆压力的大小不仅决定了混凝土防渗墙的破坏程度，而且对浆液输送的密实度和充填度有很大影响。因此，要提高水库加固工程混凝土防渗墙的抗渗性和加固质量，就必须合理设置施工参数。

如果确定了水库加固区的土壤环境，其注入压力的控制尤为关键。高压旋喷灌浆的速度和灌浆流量是影响旋喷灌浆压力的两个重要因素[8]。为实现高压旋喷灌浆技术在水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析中的合理应用，通过公式计算喷射速度：

(1)

式中：V0为高压旋喷设备喷口处的实际浆体流速；φ为高压旋喷设备喷口处的浆体流速系数；P为高压旋喷灌浆介质的重力加速度；ρ为高压旋喷设备喷口处的压力，表示浆体密度。

高压旋喷灌浆技术在水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析中的应用，直接影响水库的加固质量。根据高压旋喷灌浆系统的施工参数，确定高压旋喷灌浆技术的浆体喷射压力在20～50兆帕之间[9]。在实现高压旋喷灌浆时，控制高压旋喷灌浆设备的灌浆速度和转速是关键。一般而言，旋喷灌浆过程中，起升灌浆设备的速度和转速应合理匹配，以保证每次旋喷灌浆的起升速度保持在0.5～1.25 cm之间。另外，在水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析的其他控制因素方面，表1中的指标也应引起系统满意度的重视。

利用表1中的施工参数，得到了高压旋喷灌浆技术的应用流程，如图2所示。

表1 高压旋喷灌浆技术的施工参数

图2 高压旋喷灌浆技术的应用流程

针对水库加固工程混凝土防渗墙的结构布置特点，首先估算出水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析中的高压旋喷注浆技术参数，然后根据水库加固施工现场的地质条件，对估算参数进行改进和修正。观察灌浆压力、浆液消耗量、出浆量、水库坝体位移和裂缝情况，并根据水库坝段具体地质条件调整高压旋喷灌浆技术的有关参数，确定高压旋喷技术在水库除险加固中的应用参数[10]。

1.2 建立水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析有限元模型

在水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析有限元模型中，包括混凝土防渗墙的重量和密度两个因素，为了考虑混凝土防渗墙的时变性，将可靠性分析的随机过程转化为随机变量，可靠性分析的时间区间由可靠性分析基准期T转化为t，在可靠性分析区间t内，水库加固混凝土防渗墙可靠度的最大值分布为：

Ft(x，t)=exp{-λt[1-FM(x)]}

(2)

式中：Ft(x，t)为水库加固混凝土防渗墙可靠度的最大值分布；FM(x)为水库加固混凝土防渗墙在一年内的可靠度最大值分布；λ为时间间隔参数。

采用有限元计算原理，计算出水库加固混凝土防渗墙可靠度的均值和标准差，并由极大似然估计得到其概率分布的参数Tt、Ut，此时Ft(x，t)可以表示为：

(3)

当水库加固工程混凝土防渗墙可靠度为最大值分布时，采用安全比降法判断水库加固工程混凝土防渗墙的稳定性，以水库土层渗透比降J小于或等于水库允许比降Jer作为稳定性判断的指标，如果存在J>Jer，就可以认为混凝土防渗墙的渗透变形将失去渗透稳定性。为了在水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析中，计算混凝土的渗流量，进行了水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析有限元模型的建立，将有限元模型考虑为饱和渗流状态，进行数值模拟分析研究[11]，水库加固工程混凝土防渗墙的渗流控制方程为：

(4)

水库加固混凝土防渗墙的渗流控制边界条件为：

给定水库加固混凝土防渗墙边界上的边界r1条件为：

h|r1=H(x，y)

(5)

给定水库加固混凝土流量边界上的边界条件为：

(6)

式中：h为水库深度；n为混凝土防渗墙的渗流量；r为边界；H为防渗墙的高度；q为水库流量。

水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析有限元模型的实现流程如图3所示。

图3 有限元模型的实现流程

以上根据水库加固工程混凝土防渗墙可靠度的最大值分布，得到了水库加固工程混凝土防渗墙的渗流控制方程，通过设置水库加固工程混凝土防渗墙的渗流控制边界条件，完成水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析有限元模型的建立[12]；最后通过水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析流程设计，来实现水库加固工程混凝土防渗墙的可靠性分析。

1.3 分析水库加固混凝土防渗墙可靠性

在水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析中，利用混凝土防渗墙可靠性设计模块，对水库加固工程混凝土防渗墙进行可靠性分析，采用高压旋喷灌浆技术评估有限元模型中不确定因素对可靠性分析结果的影响程度[13]，在混凝土防渗墙可靠性设计模块中，分析水库加固工程混凝土防渗墙可靠性的具体步骤如下：

Step1：建立一个可以用于水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析的文件。

该分析文件一般应包含采用前面提到的高压旋喷灌浆技术进行结构分析的全部步骤。为了确定可靠性分析的相关变量，在建立有限元模型时，应采用参数化建模方法。可靠度分析中，这些变量分别定义为输入和输出。

Step2：进入水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析模块，添加待分析的文件；

Step3：界定在输入变量的简称基础上，确定了各变量服从可靠性分析的分布类型、函数及其对应的分析参数，并确定了它们之间的相关性；

Step4：将水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析的输出变量作为可靠性分析的结果，包括水库加固工程混凝土防渗墙的结构功能函数；

Step5：选择适合水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析的方法

水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析采用高压旋喷灌浆技术，可用于混凝土防渗墙的可靠性设计。

Step6：循环对水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析文件进行分析，将可靠性分析结果保存在资料库中；

Step7：后处理水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析结果，获取水库加固混凝土防渗墙功能函数的均值和方差等数据，从而分析混凝土防渗墙的可靠性。

将有限元方法用于水库加固混凝土防渗墙结构分析，尤其是混凝土防渗墙结构的非线性分析，需要对混凝土防渗墙结构进行单元划分。单元数量的多少决定了整个可靠性分析过程的精确度，甚至对可靠性分析结果有影响。但由于有限元模型中单元分割的次数较多，使得有限元计算需要花费很长的计算时间[14]。但采用混凝土防渗墙可靠性设计模块进行结构可靠性分析时，其实质是分析文件的重复执行，每一次执行都是有限元分析。

混凝土防渗墙可靠性分析数据流向图如图4所示。

图4 混凝土防渗墙可靠性分析数据流向图

综上所述，利用高压旋喷灌浆技术的特点，设置了高压旋喷灌浆技术的施工参数，将有限元分析法应用到了水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析有限元模型的建立中，最后通过分析水库加固混凝土防渗墙可靠性的具体步骤，实现了水库加固混凝土防渗墙的可靠性分析[15]。

2 实验分析

2.1 实验过程

实验过程中，在一定的水压条件下，分别采用响应面法、蒙特卡罗法以及高压旋喷灌浆技术进行水库加固测试，以基于响应面法的可靠性分析方法和基于蒙特卡罗法的可靠性分析方法作为对比对象，进行对比实验，测试在不同水压条件设置下，水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析误差和时间，对可靠性分析误差和时间两个指标进行统计和记录，观察实验结果。

2.2 可靠性分析误差实验结果分析

水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析误差实验利用基于响应面法的可靠性分析方法、基于蒙特卡罗法的可靠性分析方法和基于高压旋喷灌浆技术的可靠性分析方法进行对比，在一定水压条件下，采用响应面法、蒙特卡罗法以及高压旋喷灌浆技术对水库进行加固，记录三种方法的水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析误差对比结果，如图5所示。

图5 水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析误差对比结果

从图5的实验结果可以看出，在水泥加固混凝土防渗墙密度不同的情况下，采用基于响应面法的可靠性分析方法来分析水库加固混凝土防渗墙的可靠性时，水泥加固混凝土防渗墙的可靠性分析误差波动较大，同时也造成可靠性分析误差也比较大，严重影响了水库加固施工的难度，使得水库加固施工队不得不面对大量的防渗维修工作；采用基于蒙特卡罗法的可靠性分析方法来分析水库加固混凝土防渗墙的可靠性时，可靠性分析误差优于基于响应面法的可靠性分析方法，且可靠性分析误差波动很小，但是最大分析误差却接近了25%，使得水库加固混凝土防渗墙的可靠性不高；而采用基于高压旋喷灌浆技术的可靠性分析方法来分析水库加固混凝土防渗墙的可靠性时，可靠性分析误差波动较大，但是整体可靠性分析误差很低，完全可以确保水库加固混凝土防渗墙的可靠性，从而提高可靠性分析精度。

2.3 可靠性分析时间实验结果分析

水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析时间实验利用基于响应面法的可靠性分析方法、基于蒙特卡罗法的可靠性分析方法和基于高压旋喷灌浆技术的可靠性分析方法进行对比，在一定水压条件下，采用响应面法、蒙特卡罗法以及高压旋喷灌浆技术对水库进行加固，记录三种方法的水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析时间对比结果，如图6所示。

图6 水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析时间对比结果

从图6的实验结果可以看出，在水泥加固混凝土防渗墙密度不同的情况下，采用基于响应面法的可靠性分析方法来分析水库加固混凝土防渗墙的可靠性时，可靠性分析时间有缩短的趋势，但是当水泥加固混凝土防渗墙的密度超过600 kg/m3时，可靠性分析时间开始延长，不仅降低了可靠性分析的效率，还降低了可靠性分析精度，原因可能是当水泥加固混凝土防渗墙的密度超过600 kg/m3时，有限元分析模型的计算复杂度增大，导致的可靠性分析时间过长；采用基于蒙特卡罗法的可靠性分析方法来分析水库加固混凝土防渗墙的可靠性时，可靠性分析时间较短，经计算，水泥加固混凝土防渗墙可靠性分析时间的平均值为8.34 s；而采用基于高压旋喷灌浆技术的可靠性分析方法来分析水库加固混凝土防渗墙的可靠性时，可靠性分析时间逐渐缩短，完全不受混凝土防渗墙的密度影响，大大提高了其可靠性分析精度。

基于以上结果，无论是在可靠性分析误差还是时间方面，基于高压旋喷灌浆技术的可靠性分析方法的精度更高。

3 结语

提出基于高压旋喷灌浆技术的水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析。利用高压旋喷灌浆技术施工参数的设置，将有限元分析法应用到了水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析有限元模型的建立中，最后通过水库加固工程混凝土防渗墙可靠性分析步骤，实现了水库加固混凝土防渗墙的可靠性分析。结果显示，基于高压旋喷灌浆技术的可靠性分析方法具有较高的分析精度。