深层搅拌桩在坝基渗流中的应用与研究

黄 健

(江西省水利水电开发有限公司，南昌 330001)

1 概 述

从水利工程的长久安全来看，渗流冲刷对水利工程的破坏危害非常大，是水利工程地基方面较为突出的问题，特别是土石坝渗流问题更加严重，主要是因为坝基透水性以及土石坝自身的透水性。近年来，地基加固施工方法得以不断创新和应用，尤其在透水性较强的软土地基加固方面，深层搅拌桩应用较为广泛。作为一种新型的地基加固施工方法，深层搅拌桩不仅可以有效加固各种软土地基，还可以起到地基防渗的作用。同时，深层搅拌桩还用来进行码头岸壁滑动处理和高填方路堤基层等，除此之外还用深层搅拌桩进行加固大面积的地基以及墙下条形基础处理等。由于其自身的特点和优势较为明显，深层搅拌桩不仅广泛应用于加固病险水库除险方面，还经常用来处理水利工程地基。

2 坝基深层搅拌桩加固防渗研究

2.1 渗流理论基础

渗流对水利工程的危害非常大，因此对渗流现象进行深入分析对水工建筑物结构的安全十分重要。国内外学者对渗流理论进行了深入研究并总结出相关理论成果，其中以Darcy通过渗流试验总结出的达西定律最为常用，见式(1)、式(2)：

(1)

其微分形式为：

(2)

式(1)、式(2)中，各符号代表具体含义见表1。

表1 达西定律公式符号含义表

达西定律的推导是通过多孔介质层流在运动过程中所受到的阻力规律得到的，对于线性阻力导致的渗流现象能够进行很好的解释，但是达西定律并不适用于非线性阻力导致的渗流现象。对于非线性阻力导致的渗流现象，学术界将其称为非达西流。通过大量理论与实际研究，将雷诺数Re不同数值范围作为非达西流不同阶段划分的依据，见表2。

表2 非达西流阶段划分标准表

2.2 深层搅拌桩坝基加固防渗机理

起初，高速公路路基工程一般用深层搅拌桩进行加固，深层搅拌桩刚开始的应用面较窄。后来随着施工机具和技术的发展，深层搅拌桩逐渐被各类建筑工程越来越广泛的应用。目前，淮河、松花江以及长江和珠江包括黄河等流域的一些水利工程也在运用深层搅拌桩防渗墙技术。根据已有的工程应用实例，相较于常用的工程建筑物防渗方法，深层搅拌桩在工程建筑物加固防渗方面有着独特的优点和明显的优势，具体见表3。

表3 深层搅拌桩加固防渗优势

深层搅拌桩现在广泛应用于一些加固工程中，如闸基、水库大坝以及基坑等，主要是因为深层搅拌桩在加固防渗方面独特的优势。随着深层搅拌技术日新月异的发展以及对深层搅拌桩相应性能特征的深入研究，目前堤防以及年久水库除险加固工程中已应用多头小直径深层搅拌桩。图1为深层搅拌桩加固施工工艺流程。

图1 多头小直径深层搅拌桩的详细施工工艺流程图

特定施工设备通过多头钻进的方式在土层不断喷入固化剂并进行连续搅拌，在各种物理化学反应的作用下，土体与喷入土层的固化剂会形成稳定性较好的固结桩体。桩体通过连续搭接形成一个具有较好整体性的防渗墙体，从而提高土体的防渗性能。图2为深层搅拌桩防渗结构。

图2 深层搅拌桩防渗墙断面图

3 坝基深层搅拌桩加固防渗案例分析

3.1 工程概况

本次所依托的工程项目是一座以土坝为坝型的水库，水库相关工程概况参数见表4。经前期地质勘察结果，水库施工区域地层分布情况较为复杂，在很大程度上影响了坝基渗流加固效果。

表4 工程概况参数

对该坝段进行物探测试及钻孔测试后，测试结果显示坝基深度低于30 m的范围内，冲洪积粉细砂的含量是最多的，由渗透系数为9.35×10-3cm/s可以得出大坝的透水层为中等，取样大坝深度范围3～10 m的土层进行室内试验，结果见表5。通过这些数据可知，该层土体不能作为相对隔水层，是由于以上深度范围内的土体属于微弱透水层且土体的强度较低，是中压缩性土。

表5 土体试验结果

由于施工质量比较差，且坝体材料干密度比较低，再加上是早期人工填筑的工程并且时间比较久，造成该水库坝基的渗漏情况比较严重。根据上述试验结果和坝基实际渗漏情况，该水库坝基被鉴定为三类病险坝。通过分析研究之后，最终决定对坝基进行防渗处理，采用深层搅拌桩来减少渗漏破坏，深层搅拌桩施工设计参数见表6。

表6 根据设计确定的深层搅拌桩参数

3.2 基于ANSYS的渗流模拟分析

ANSYS的图形处理功能比较强大，而且预处理器和后处理器的功能也比较完善，目前应用十分广泛，是一种有限元工程分析软件。ANSYS集网格划分和后期图形处理包括建模以及荷载计算等方面于一体，不管是非常简单的结构静力分析，还是相对复杂的非线性动态分析都可以用它进行处理。ANSYS热分析模块通过使用有限元来对各节点温度进行计算，并且是基于热平衡方程建立的热分析模块，通过对各节点温度进行计算来导出其他方面的热物理参数。由此看出，对渗流进行分析可以采用热分析模块，并且将ANSYS热分析模块应用于工程实例的渗流分析，也证明了这是行之有效的。

结合工程地质的有关情况并根据本文的研究内容，选取表7所示大坝的计算模型参数对断面进行网格划分。通过ANSYS软件来进行计算，根据选取的模型材料性质进行渗流模拟，各模拟结果图分别见图3、图4、图5。

表7 选取的大坝计算模型参数

图3 流场模拟矢量图

图4 总水头等值线云图

图5 压力水头等值线图

以上述ANSYS软件渗流模拟分析结果为基础，对不同的渗流情况采用GeoStudio的渗流分析模块进行分析，以便对ANSYS软件的渗流分析结果的合理性进行更好的验证。

3.3 基于GeoStudio的坝基渗流模拟分析

对于坝基渗流情况的模拟，GeoStudio软件内置的seep/w模块可以通过设置边界条件以及建模这两个方面得到渗流分析结果。为了保证坝基渗流模拟结果对比分析的准确性，这里采用和上述ANSYS软件一模一样的渗透系数和计算断面，主要从设置和不设置深层搅拌桩这两种情况进行模拟分析。无深层搅拌桩的GeoStudio渗流模拟结果见图6-图9，有深层搅拌桩的GeoStudio渗流模拟结果见图10-图13。

图6 无深层搅拌桩的坝基渗流模拟网格划分图

图7 无深层搅拌桩的坝基渗流模拟流网图

图8 无深层搅拌桩的坝基渗流模拟压力水头等值线图

图9 无深层搅拌桩的坝基渗流模拟渗透坡降等值线图

图10 有深层搅拌桩的坝基渗流模拟网格划分图

图11 有深层搅拌桩的坝基渗流模拟流网图

图12 有深层搅拌桩的坝基渗流模拟压力水头等值线图

图13 有深层搅拌桩的坝基渗流模拟渗透坡降等值线图

3.3.1 无深层搅拌桩的渗流分析

GeoStudio软件通过内置的seep/w模块得到的无深层搅拌桩坝基渗流模拟网格划分见图6。

进行渗流模拟分析之前，要先设置好相应的模拟参数，设置完成以后再进行分析。

3.3.2 有深层搅拌桩的渗流分析

按照工程的实际情况在坝踵设置深层搅拌桩，选取深7 m且桩径1 m的深层搅拌桩，按照与无深层搅拌桩渗流模拟相同的方法进行网格划分，见图10。

有深层搅拌桩的渗流情况模拟采用与无深层搅拌桩相同的模拟参数进行设置，设置完成以后再进行分析。

3.4 坝基渗流模拟结果对比分析

为验证ANSYS和GeoStudio两种软件坝基渗流模拟结果的可信性，根据两种软件模拟出的各模拟结果图进行对比分析。通过对比分析可以看出，ANSYS和GeoStudio两种软件对于该水库坝基渗流深层搅拌桩加固模拟效果基本相同，所揭示的坝基渗流模拟分析结果具有较大可信度。同时，GeoStudio软件分无深层搅拌桩加固和有深层搅拌桩加固两种情况对坝基渗流加固情况进行了对比模拟分析。对比分析结果显示，坝基断面经过深层搅拌桩加固后的渗流量小于无深层搅拌桩加固的渗流量。由此可知，坝基断面采用深层搅拌桩加固进行防渗时，坝基渗流量明显减小，加固效果优于其他坝基渗流加固方法。

4 结 论

因在软土地基加固防渗方面具有特定优势，深层搅拌桩在坝基渗流防渗中得到了较好应用。本文基于相关渗流理论，以某水库坝基渗流加固项目为依托，采用ANSYS、GeoStudio软件对深层搅拌桩坝基渗流加固进行了模拟、分析，并与其他方法坝基渗流加固模拟效果进行对比分析。通过对比分析可知，相较于其他坝基渗流加固方法，该水库坝基渗流水头、渗透坡降、渗流量在采用深层搅拌桩加固后都有很大程度的削减，坝基渗漏也得到了有效控制，对于后续类似的坝基渗流处理具有一定的参考意义。