堤坝劈裂灌浆造孔间距改变的灌浆效果评价.pdf

第 3 4卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Civ il Ar c h it e c t u r a l En v ir o n me n t a l En g in e e r in g Vo 1 3 4 No 6 De c 2 O1 2 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 2 0 6 0 1 7 堤坝劈裂灌浆造孔间距改变的灌浆效果评价 武 科 马明月 孙 岳 1 山东大学 岩 土与 结构 工程研 究 q 心 济 南 2 5 0 0 6 1 2 河海 大学 岩 土力 学与堤 坝工程教 育部 实验 室 南京 2 1 0 0 9 8 3 山东科技 大 学 山东 青 岛 2 6 6 5 1 0 4 中 国石 油集 团工程 设计有 限责任公 司 岩 土工程 分公 司 北京 1 0 0 0 8 5 摘 要 堤坝劈裂灌浆技术是改善堤坝工程 内在质量的一项重要技 术措施 然而 目前对该技术浆液 在坝体 内的渗透 固结机理 尚不明确 无法对灌浆后坝体的防渗效果进行有效地评价 为此 假定施 工工艺其他条件不变的情况下 针对灌浆孔 间距布设与劈 裂灌浆防渗 实际效果之 间的相互作用规 律 基 于大型有限元数值计算方法 采用 Mo h r C o u l o mb Ha r d e n in g本构模型 通过布设不 同间距 灌浆孔 的流固耦合计算 研 究了堤坝劈裂灌浆过程 中浆液所产生的孔 隙水压力 堤 坝应力应 变等分 布规律 揭示 了堤坝劈裂灌浆浆液在土体 内渗流 固结机理 探 讨 了其对坝体稳定性的影响 评价 了 灌浆 效果 关键词 堤坝 劈裂灌浆 数值模拟 流 固耦合 中图分 类号 TV5 4 3 文献标 志 码 A 文章编 号 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 2 0 6 0 1 0 4 0 5 Ev a l u a t io n o n Ef f e c t s o f t he Ch a ng e o f Ho l e b o r ing Dis t a n c e Du r ing S p l it t in g Gr o u t ing t o Ea r t h Da m W U Ke MA M i n g y u e SUN Yu e 1 Ge o t e c h n i c a l a n d S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e S h a n d o n g Un iv e r s i t y J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 6 1 P R Ch in a 2 Ke y La b o r a t o r y o f M in is t r y o f Ed u c a t io n f o r Ge o me c h a n ic s a n d E m b a n k m e n t En g in e e r in g Ho h a i Un iv e r s it y Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 P R Ch in a 3 S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Qi n g d a o 2 6 6 5 1 0 S h a n d o n g P R Ch in a 4 Ch i n a P e t r o l e u m En g i n e e r i n g C o Lt d Ge o t e c h n i c a l En g in e e r i n g Co mp a n y Be i j in g 1 0 0 0 8 5 P R Ch i n a Ab s t r a c t The t e c hno l o gy of s pl i t t ing g r o u t ing f o r e a r t h d a m is o ne o f t he i m p or t a nt t e c hni c a l me a s ur e s t o impr o v e t he q u a l it y o f d a m H o we ve r t he c on s o l id a t io n m e c ha nis m o f s l ur r y in t he d a m is n o t c l e a r whic h c a n no t e va l u a t e t he e f f e c t s of s e e p a g e c o nt r o l o f t h e d a m a f t e r gr o ut ing The r e f or e a s s u m i ng t h a t t he c ons t r u c t ion t e c hno l og y do e s n o t c ha n ge a n d wit h t he c o ns ide r a t io n of i nt e r a c t i on b e t we e n t he l a y o ut o f ho l e b o r ing d is t a nc e a n d t h e e f f e c t s o f s e e p a ge c o nt r o l t he M o hr Co u l omb H a r d e n ing m o d e l a nd f l u id s ol id c o u p l in g me t h o d we r e u s e d t o a n a l y z e t h e r u l e o f p o r e p r e s s u r e s t r e s s a n d s t r a in in t h e d a m d u r in g s p l i t t in g g r o ut ing b a s e d on t he f init e e l e me n t s i m u l a t io n The c on s o l id a t io n me c ha nic s wa s d is c us s e d a nd s t a b il it v o f t he d a m wa s e v a l u at e d Ke y wo r d s e a r t h da m s pl it t ing gr ou t in g nu m e r ic a l s imul a t i on f l u id s ol id c o up l ing 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 2 8 基金项 目 中国博士后科学基金 2 o O 9 O 4 5 1 3 2 9 河海大学岩 土力学 与堤坝工程教育部实验室 开放基金 GH2 O O 8 O 3 作者简介 1 9 7 8 一 男 t an k 主要从事岩土工程理论与数值计算方面 的研究工作 E ma i l wk 4 2 2 3 1 6 3 C O m o 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第6 期 武 科 等 堤 坝劈裂灌浆造孔 间距改变的灌浆效果评价 1 O 5 堤坝劈裂灌浆作为一种非常有效 的防渗加 固技 术 已在 中国重多水库防渗加 固除险工程得 到推广 应用 该技术是通过在坝轴线处施加一定 的灌浆压 力 控制性劈裂坝体 灌入适宜的泥浆 填充坝 体 内 在孔洞 裂隙等病 害体 形成 有效的防渗实体 从 而 改善坝体应力状态 达 到加 固堤坝结构的作用口 中国相应 的研究工作较多 而国外 相对 较少 赵军 辉 4 基于劈裂灌浆 现场施工工 艺 通过改变造孔 间 距 评价劈裂灌浆加 固效果 L iu 5 基于摩尔库伦模 型 采用有 限元分析方 法 研究 了劈裂灌 浆加 固机 理 武科 6 基于现场试验和有 限差分计算方法 探 讨 了劈 裂 灌浆 加 固技 术在 土石 坝加 固中 的应 用 B e r n d t 7 采用数值计算分析方法 研究 了浆 液的渗 透性和土体强度变化规律 然而 以上研究 中缺少 灌浆孔间距布设与防渗效果之间的相互作用规律的 理论分析 为此 针对 以上分析所存在的问题 在大 型有限元软件 AB AQUS上 基于流固耦合分析 采 用 Mo h r C o u lo mb Ha r d e n in g本 构模 型 通 过布设 不同间距灌浆孔 的流 固耦合 计算 研究 了堤坝劈裂 灌浆过程 中浆液所产生的孔 隙水压力 堤坝应力应 变等分布规律 揭示 了堤坝劈裂灌浆浆 液在土体 内 渗流固结机理 阐述了浆坝互压机理 探讨了其对坝 体稳定性的影响 1 计算模 型与分析方法 作为大型通用有限元分析软件 AB AQus具有 强大的非线性计算功能 丰富的本构模型 以及便利 的用 户 子程 序接 口 可 以针 对先 进 本 构模 型 复 杂场 变量 状态变量及特殊单元 复杂边界条件进行二次 开发 1 1 Mo h r C o u lo mb Ha r d e n i n g模型 该模型与 Mo h r C o u lo mb模 型的不 同之处是 当某一区域发生塑性屈服时 土体的凝聚力 内摩擦 角 膨胀角 以及抗 拉强度 等属性 在 Mo h r C o u lo mb 模型中是恒定不变的 而在应变硬化模 型 中则会发 生相应地变化 硬化 其破坏准则 屈 服函数等 都与 Mo h r C o u lo mb模 型相 同 模型 中的两个 硬化 参数分别为剪切硬化参数增量 忌 和张拉硬化参数 增 量 1 愚 一 e 一 e 嚣 一 2 e 专 1 其中 一 1 A e f 为体塑性剪应变增量 0 A k 一 l e I 为拉伸硬化增量 根据 Mo h r C o u lo mb破坏 准 则 的主应 力 式形 式 可 得 广 c 一 1 一 3 N 2 c 2 t 一 6 一 其中 N 一 一 将 2 式 用 T a y lo r级数 展 开式表 示 可得 c c 9 一 一 2c 0 2 A c A 9 F f 1 卜 4 c 4 1 s i n JL 一 l l 一 l r 一 一 n a f f z c 0 f 式中 c 分别表示为坝体 内的土灌浆前凝聚力和 内摩擦角 的初始值 分别为坝体 内的土灌 浆 后凝聚力和内摩擦角的变化值 1 2 有 限元 计算 模 型与分 析 方法 考虑堤坝劈裂灌浆防渗加固技术施工工艺的特 点及灌浆浆液渗流特性 以灌浆轴线为 中心轴 取一 半坝体为研究对 象 基 于 AB AQUS大 型数 值计算 软件 建立三维半 坝有限元计算模型 如图 1 所示 其中 坝高 lO o m 坝底长 2 0 0 m 坝顶长 6 0 m 灌 浆孔位于灌浆轴线上 灌浆孔间距分别设定为5 0 7 0 1 0 0 m 灌浆压力 P一0 5 MP a 及浆液的施加 都是通过在灌浆 孔节点上 改变孔 隙水 压力大 小实 现 假定距离灌浆轴线 0 5 m范围内为灌浆带 距离 灌浆轴线 3 0 m范 围内为灌浆影 响带口 模型单 元采用实体单元 C 3 D 8 P 坝体底部为不透水边界 其 他部位为透水边界 灌浆孔布设如图 2所示 图 1土坝模 型 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 O 8 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 4 卷 3 结 论 图 8 不 同造孔 间距情况下 的平行 于灌浆轴线坝体水 平位移分布 针对灌浆孔间距布设与劈裂灌浆防渗实际效果 之间的相互作 用规律 在大型有 限元软件 A B AQ U S 上 基于流固耦合分析 采用 Mo h r C o u l o m b Ha r d e n in g 本构模型 通过布设不 同间距灌浆孔的流固耦合计 算 得到以下结论 1 浆液分布始终 以灌浆轴线为中心 向四周扩 散 且主要影响灌浆轴线附近有效区域 在相 同的 灌浆压力和灌浆时间下 造孔间距越小 通过劈裂灌 浆技术加 固的坝体越容易形成连贯 的防渗帷幕 2 随着劈裂灌浆防渗加 固施工过程 灌浆后坝体 内部形成防渗帷幕心墙 坝体应力将进行二次调整 造 孔间距越小 其最小 最大主应力改善效果越明显 3 由于浆液在灌浆压力作用下 通过有效 的浆 坝互压 才能更好地改善坝体应力状态 其 中 随着 造孔间距的增大 其浆坝互压效果明显降低 参考 文献 1 白永年 吴土宁 王洪恩 等 土石 坝加 固 M 北 京 水利水 电出版社 1 9 9 2 2 刘海林 饶锡保 黄斌 劈裂灌浆技术在土石坝中的应 用及发展 L J 中国水运 2 0 0 9 9 7 1 5 4 1 5 6 LI U Ha il in RAO Xib a o H UANG Bin Ap p l ic a t io n a n d d e v e l o p me n t o f s p l it t in g g r o u t in g f o r e a r t h d a m J C h in a Wa t e r T r a n s p o r t 2 0 0 9 9 7 1 5 4 1 5 6 3 孙 鉴政 浅谈劈裂灌 浆在 土坝 防渗处 理 中的设计 与应 用 J 广东建材 2 0 0 8 7 1 2 1 3 S UN J i a n z h e n g Ge n e r a l l y s p e a k i n g o n t h e d e s i g n a n d a p p l ie s o f s p l it t in g gr ou t in g in t h e a n t i s e e pa g e p r o c e s s in g o f e a r t h d a m Gua ng d o n g Buil din g Ma t e r ia l s 2 0 08 7 1 2 1 3 4 赵军辉 堤坝劈裂灌 浆造 孔 间距 改变 的效 果分析 J 施工技术 2 0 0 7 3 6 2 5 6 2 5 7 ZHAO J u n h u i Ef f e c t a n a l y s i s o f t h e c h a n g e o f h o l e b o r in g d is t a n c e d u r in g s p l it t in g g r o u t in g t o e a r t h d a m I J C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y 2 0 0 7 3 6 2 5 6 2 5 7 5 L iu F C F in it e e l e me n t a n a l y s is o f s p l i t g r o u t in g o n e a r t h r o c k d a m b a s e d o n D u n c a n C h a n g mo d e l J El e c t r o n i c J o u r n a l o f Ge o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g 2 0 1 0 1 5 1 7 37 l7 46 6 武科 土坝 劈 裂 灌 浆加 固试 验研 究 及 数值 模 拟 分 析 D 济南 山东大学 2 0 0 4 7 B e r n d t M L S t r e n g t h a n d p e r me a b il it y o f s t e e l f i b r e r e i n f o r c e d g r o u t s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r ia l s 2 O 1 0 2 4 9 1 7 6 8 1 7 7 2 8 费康 刘汉龙 A B AQ US的二次 开发及在 土石 坝静 动 力分析中的应用口 岩土力学 2 0 1 0 3 1 3 8 8 1 8 9 0 FEI Ka n g LI U H a nl o ng Se c on da r y d e ve l o pme nt o f AB AQUS a n d it s a p p l ic a t io n t o s t a t i c a n d d y n a mi c a n a 1 y s e s o f e a r t h r o c k f il l d a m J R o c k a n d S o il Me c h a n ic s 2 0 1 0 3 1 3 8 8 1 8 9 0 9 樊贽赞 王思敬 王恩志 等 岩土材料剪切破坏点安全 系数的研究 J 岩土力学 2 0 0 9 3 0 增 2 2 0 0 2 0 3 F AN Yu n y u n W ANG S i j i n g W ANG En z h i e t a 1 Re s e a r c h on po in t s a f e t y f a c t o r o f s he a r f a il u r e g e o ma t e r i a l s J Ro c k a n d S o il Me c h a n ic s 2 0 0 9 3 0 S u p p 2 2 0 0 2 0 3 r 1 O Fr a n t z is k o n is G De s a i C S Co n s t i t u t i v e mo d e l wi t h s t r a in s o f t e n in g J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f S o l id S t r u c t u r e 1 9 8 7 2 3 6 7 3 3 7 5 O 1 1 钟龙 张木建 高 水位 运行下 高 土坝 的劈裂 灌浆 施工 实践 J 人 民珠江 1 9 9 9 3 4 4 5 2 ZHONG Lo n g ZHANG Mu j i a n Co n s t r u c t i o n wo r k o f s pl it t ing g r o ut ing in a high e a r t h d a m r un ning wit h h i g h w a t e r l e v e l J P e a r l R i v e r 1 9 9 9 3 4 4 5 2 1 2 许 重富 山美水库大坝防渗加 固工程 效果分 析I j 中 国水利 2 O 1 0 2 9 3 2 XU Z h o n g f u E f f e c t a n a l y s is r e in f o r c e b y in f il t r a t io n p r e v e n t i o n o f S h a n me i r e s e r v o ir d a m J C h i n a Wa t e r Powe r 2 01 0 29 32 1 3 彭守 良 劈