堤防一体化复合灌浆软件开发及工程应用

付建军，胡大可，张 景，李永丰，肖卫华

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；3.湖南农业大学水利与土木工程学院，湖南 长沙 410128)

0 引 言

随着我国城镇化建设加剧，河流、滞(蓄)洪区的部分侵占及枢纽建筑物运行调度不合理，洪水安全问题又逐渐成为民生重要问题之一，城市已有防洪堤需进行提标改造加固，灌浆作为重要防渗加固方法之一，在工程中得到广泛的应用。受现有城市堤防存在地层复杂、环保严格、作业空间受限等影响，传统的单一灌浆技术及工艺进行深厚软基加固时，普遍存在的成孔困难，处理不均、可控性差、不环保等技术问题，很难满足工程需求，因此，基于“自上而下钻灌一体脉冲灌浆”+“自下而上无返浆高压旋喷灌浆”城镇堤防一体化复合灌浆技术应用越来越广[1-5](见图1)。

图1 城镇堤防一体化复合灌浆技术

堤防一体化复合灌浆技术将脉冲灌浆法和高压旋喷灌浆法进行时序上的结合，可分别发挥两种注浆加固方法各自的优点，又可克服各自的技术和工艺缺陷，使地基基础加固和防渗的成功率得到了提高并且扩大了加固范围。采用本技术进行复杂地层加固处理，较现有常规的软基加固处理工法相比，具有钻孔安全快捷、钻灌一体，高压旋喷可控、环保无返浆、施工限制小等特点，尤其是在进行沿江地基加固和防渗联合处理时，它能处理挡墙、杂填土、黏土、粉土、淤泥、粉细砂、砂卵石层等的沿江各类复杂地层，适用性强。

堤防一体化复合灌浆设计需进行渗流分析、稳定分析、承载力计算、变形计算、工艺参数设计等，目前国外成熟的商业化计算软件较多，但能集上述5种功能于一体的商业软件几乎空白；同时，近十年来，国内学者更注重商业软件二次开发，而基于标准规范程序开发的可实施的功能性软件甚少，设计公司也着重生产而疏于基础软件开发。基于此，本文开发了堤防一体化复合灌浆软件，并对其进行了验证对比。自然状态堤防计算分析示意见图2，复合灌浆状态堤防计算分析示意见图3。

图2 自然状态堤防计算分析示意

图3 复合灌浆状态堤防计算分析示意

1 理论基础

(1)渗流计算分析。根据水工设计手册第三册(结构计算)第十五章[6]，堤防渗流计算主要在于确定浸润线、渗流坡降、渗流量等参数。

(2)整体稳定分析。根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》第9.2.2条[7]，可采用瑞典圆弧法或毕肖普法计算堤防整体稳定性。

(3)承载力计算分析。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[8]及GB/T 50783—2012《复合地基技术规范》[9]计算堤防复合地基承载力。

(4)沉降计算分析。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[8]进行复合地基沉降计算。

2 一体化复合灌浆软件程序开发

2.1 程序功能分析

程序设计功能主要有：①渗流计算，计算自然状态、复合灌浆状态浸润线、渗流坡降、渗漏量；②稳定计算，计算自然状态、复合灌浆状态迎水侧、背水侧安全系数；③计算复合灌浆后地基承载力及单桩承载力；④计算自然状态或复合灌浆状态沉降；⑤确定一体化复合灌浆工艺参数。

2.2 程序设计流程

程序设计流程如图4所示。

图4 堤防一体化复合灌浆设计流程

2.3 程序开发结果

采用c++语言进行了一体化复合灌浆软件进行了程序开发，该程序含两层功能菜单，一层功能菜单含打开、保存、参数输入、计算、帮助功能，二层功能菜单含整体稳定、渗流稳定、承载力计算、沉降计算、工艺参数确定功能。程序的输入参数含堤防几何参数、土体性能参数、复合桩参数、稳定计算参数、渗流计算参数等，共计52项参数，其中部分参数通过程序默认计算也可手写输入，程序的结果输出界面见图5。

图5 程序结果输出界面

3 程序验证及应用

为检验研发程序计算结果的正确性，采用本单位已经实施工程进行验证，分别采用理正软件与本软件进行计算，对比两者计算结果。

3.1 案例简介

本次工程所在流域属冲积宽阔河谷地貌，地势较平坦，河道平直，流域内植被条件一般，为城郊种植区。据调查该防洪堤始建于1970年，为人工从河床中挑土填筑形成，堤高2～4 m；在1981 年时进行了第一次加高培厚作业，亦为人工从河床中挑土填筑，完成作业后堤高4～6 m；在1994 年采用机械方式进行了第二次加高培厚，形成了现状土堤。土堤为均质土堤，现状高度5～9 m，堤顶宽5～8 m，迎水面按1∶2.00～1∶2.50的坡比放坡，背水面按1∶1.50～1∶2.00的坡比放坡；堤面植草，堤顶为碎石路。

3.2 堤防设计方案

堤防加高培厚，其中迎水侧堤脚新建2.5 m高混凝土挡墙，背水侧堤脚新建4 m高挡墙，迎水侧挡墙顶部至2年一遇洪水位高程部分坡面采用混凝土预制块护坡，2年一遇洪水位至100年一遇设计洪水位高程部分坡面采用连锁砖护坡，其余迎水侧及背水侧坡面采用草皮护坡(撒草籽)，为解决地方管涌问题，于堤防迎水侧采用高压摆喷灌浆的形成连续防渗墙。设计方案如图6所示。

图6 堤防设计方案

3.3 地层参数

根据本次勘察结果，结合区域地质资料，场地内揭露地层自上而下依次为：

素填土①为防洪堤体填土。褐黄、灰褐色，稍湿～湿，多呈稍密状态，局部松散状态。主要填料为黏性土，表面有少量建筑垃圾和砂砾石。厚度介于1.1～7.1 m，平均厚度4.66 m。

粉质粘土②为褐黄，灰黄色，呈可塑～硬塑状态。含约10%～30%粉细砂。干强度及韧性中等，无摇震反应。在场地内普遍分布，厚度介于2.5～7.1 m，平均厚度5.9 m。

细砂③为灰黄色，多呈稍密状态，局部松散状态，饱和，含10～15%的细粒土。主要在分布在工程区东段。层厚1.1～2.8 m。

圆砾④为灰白色、褐红色，颗粒磨圆度较好，形状以亚圆形为主，砾石母岩母岩成份主要为石英质、砂岩质、硅质，粒径大于2 mm的颗粒含量约占65%，一般粒径2.0～10 mm，孔隙由砂及粘性土充填，稍密，稍湿，层厚1.2～8.1 m。

砾质粘性土⑤为褐红色，硬塑状，主要成分为粘性土，含20%～40%粗砾砂和少量碎石土。干强度中等，韧性中等，无摇震反应，密实，稍湿。层厚1.00～22.90 m。具体参数见表1。

表1 基础参数

3.4 结果对比分析

本次计算采用某商业软件和自主研发程序分别计算验证案例的渗流稳定和整体稳定，主要计算堤防在设计洪水位情况下，堤防有防渗心墙和无防渗心墙两种情况。计算结果见表2及表3，计算结果表明，开发的软件和商业软件计算成果相近，说明开发软件具有一定适用性。

表2 渗流分析计算结果

表3 整体稳定分析计算结果

4 结 论

近十年来，国内学者更注重商业软件二次开发，而基于标准规范程序开发的可实施的功能性软件甚少，设计公司也着重生产而疏于基础软件开发，基于此，本文基于C++编程语言，研发了堤防一体化复合灌浆设计软件，堤防一体化复合灌浆设计软件将渗流分析、稳定分析、承载力计算、变形计算、工艺参数设计等五种功能于一体的商业软件，通过对软件的测试、案例的验证，研究得到以下结论：

(1)堤防一体化复合灌浆设计软件，堤防一体化复合灌浆设计软件将渗流分析、稳定分析、承载力计算、变形计算、工艺参数设计等五种功能于一体的商业软件，在很大程度上，简化了计算流程，使得使用者更易于操作。

(2)通过采用已有工程案例，采用理正软件计算结果与堤防一体化复合灌浆设计软件分别分析计算工程案例中堤防的渗流稳定和整体稳定，本次自主研发软件计算结果与理正计算结果基本吻合，可作为后期工程计算软件。

(3)堤防一体化复合灌浆设计软件融合了灌浆设计工艺参数，在一定程度上可指导后续工程施工。

总之，通过研发堤防一体化复合灌浆设计软件，开发含堤防几何参数、土体性能参数、复合桩参数、稳定计算参数、渗流计算参数五类参数输入，整体稳定、渗流稳定、承载力计算、沉降计算、工艺参数五类结果输出为主的堤防一体化复合灌浆设计软件，经与其他国外通用商业软件对比分析，计算结果相对吻合，计算程序更适用于设计人员，程序可以用于土石坝、堤防设计计算。