付建軍，胡大可，張 景，李永豐，肖衛(wèi)華

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014；2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410128)

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)加劇，河流、滯(蓄)洪區(qū)的部分侵占及樞紐建筑物運行調(diào)度不合理，洪水安全問題又逐漸成為民生重要問題之一，城市已有防洪堤需進行提標(biāo)改造加固，灌漿作為重要防滲加固方法之一，在工程中得到廣泛的應(yīng)用。受現(xiàn)有城市堤防存在地層復(fù)雜、環(huán)保嚴(yán)格、作業(yè)空間受限等影響，傳統(tǒng)的單一灌漿技術(shù)及工藝進行深厚軟基加固時，普遍存在的成孔困難，處理不均、可控性差、不環(huán)保等技術(shù)問題，很難滿足工程需求，因此，基于“自上而下鉆灌一體脈沖灌漿”+“自下而上無返漿高壓旋噴灌漿”城鎮(zhèn)堤防一體化復(fù)合灌漿技術(shù)應(yīng)用越來越廣[1-5](見圖1)。

圖1 城鎮(zhèn)堤防一體化復(fù)合灌漿技術(shù)

堤防一體化復(fù)合灌漿技術(shù)將脈沖灌漿法和高壓旋噴灌漿法進行時序上的結(jié)合，可分別發(fā)揮兩種注漿加固方法各自的優(yōu)點，又可克服各自的技術(shù)和工藝缺陷，使地基基礎(chǔ)加固和防滲的成功率得到了提高并且擴大了加固范圍。采用本技術(shù)進行復(fù)雜地層加固處理，較現(xiàn)有常規(guī)的軟基加固處理工法相比，具有鉆孔安全快捷、鉆灌一體，高壓旋噴可控、環(huán)保無返漿、施工限制小等特點，尤其是在進行沿江地基加固和防滲聯(lián)合處理時，它能處理擋墻、雜填土、黏土、粉土、淤泥、粉細(xì)砂、砂卵石層等的沿江各類復(fù)雜地層，適用性強。

堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計需進行滲流分析、穩(wěn)定分析、承載力計算、變形計算、工藝參數(shù)設(shè)計等，目前國外成熟的商業(yè)化計算軟件較多，但能集上述5種功能于一體的商業(yè)軟件幾乎空白；同時，近十年來，國內(nèi)學(xué)者更注重商業(yè)軟件二次開發(fā)，而基于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范程序開發(fā)的可實施的功能性軟件甚少，設(shè)計公司也著重生產(chǎn)而疏于基礎(chǔ)軟件開發(fā)。基于此，本文開發(fā)了堤防一體化復(fù)合灌漿軟件，并對其進行了驗證對比。自然狀態(tài)堤防計算分析示意見圖2，復(fù)合灌漿狀態(tài)堤防計算分析示意見圖3。

圖2 自然狀態(tài)堤防計算分析示意

圖3 復(fù)合灌漿狀態(tài)堤防計算分析示意

1 理論基礎(chǔ)

(1)滲流計算分析。根據(jù)水工設(shè)計手冊第三冊(結(jié)構(gòu)計算)第十五章[6]，堤防滲流計算主要在于確定浸潤線、滲流坡降、滲流量等參數(shù)。

(2)整體穩(wěn)定分析。根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》第9.2.2條[7]，可采用瑞典圓弧法或畢肖普法計算堤防整體穩(wěn)定性。

(3)承載力計算分析。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[8]及GB/T 50783—2012《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》[9]計算堤防復(fù)合地基承載力。

(4)沉降計算分析。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[8]進行復(fù)合地基沉降計算。

2 一體化復(fù)合灌漿軟件程序開發(fā)

2.1 程序功能分析

程序設(shè)計功能主要有：①滲流計算，計算自然狀態(tài)、復(fù)合灌漿狀態(tài)浸潤線、滲流坡降、滲漏量；②穩(wěn)定計算，計算自然狀態(tài)、復(fù)合灌漿狀態(tài)迎水側(cè)、背水側(cè)安全系數(shù)；③計算復(fù)合灌漿后地基承載力及單樁承載力；④計算自然狀態(tài)或復(fù)合灌漿狀態(tài)沉降；⑤確定一體化復(fù)合灌漿工藝參數(shù)。

2.2 程序設(shè)計流程

程序設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計流程

2.3 程序開發(fā)結(jié)果

采用c++語言進行了一體化復(fù)合灌漿軟件進行了程序開發(fā)，該程序含兩層功能菜單，一層功能菜單含打開、保存、參數(shù)輸入、計算、幫助功能，二層功能菜單含整體穩(wěn)定、滲流穩(wěn)定、承載力計算、沉降計算、工藝參數(shù)確定功能。程序的輸入?yún)?shù)含堤防幾何參數(shù)、土體性能參數(shù)、復(fù)合樁參數(shù)、穩(wěn)定計算參數(shù)、滲流計算參數(shù)等，共計52項參數(shù)，其中部分參數(shù)通過程序默認(rèn)計算也可手寫輸入，程序的結(jié)果輸出界面見圖5。

圖5 程序結(jié)果輸出界面

3 程序驗證及應(yīng)用

為檢驗研發(fā)程序計算結(jié)果的正確性，采用本單位已經(jīng)實施工程進行驗證，分別采用理正軟件與本軟件進行計算，對比兩者計算結(jié)果。

3.1 案例簡介

本次工程所在流域?qū)贈_積寬闊河谷地貌，地勢較平坦，河道平直，流域內(nèi)植被條件一般，為城郊種植區(qū)。據(jù)調(diào)查該防洪堤始建于1970年，為人工從河床中挑土填筑形成，堤高2～4 m；在1981 年時進行了第一次加高培厚作業(yè)，亦為人工從河床中挑土填筑，完成作業(yè)后堤高4～6 m；在1994 年采用機械方式進行了第二次加高培厚，形成了現(xiàn)狀土堤。土堤為均質(zhì)土堤，現(xiàn)狀高度5～9 m，堤頂寬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，堤頂為碎石路。

3.2 堤防設(shè)計方案

堤防加高培厚，其中迎水側(cè)堤腳新建2.5 m高混凝土擋墻，背水側(cè)堤腳新建4 m高擋墻，迎水側(cè)擋墻頂部至2年一遇洪水位高程部分坡面采用混凝土預(yù)制塊護坡，2年一遇洪水位至100年一遇設(shè)計洪水位高程部分坡面采用連鎖磚護坡，其余迎水側(cè)及背水側(cè)坡面采用草皮護坡(撒草籽)，為解決地方管涌問題，于堤防迎水側(cè)采用高壓擺噴灌漿的形成連續(xù)防滲墻。設(shè)計方案如圖6所示。

圖6 堤防設(shè)計方案

3.3 地層參數(shù)

根據(jù)本次勘察結(jié)果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，場地內(nèi)揭露地層自上而下依次為：

素填土①為防洪堤體填土。褐黃、灰褐色，稍濕～濕，多呈稍密狀態(tài)，局部松散狀態(tài)。主要填料為黏性土，表面有少量建筑垃圾和砂礫石。厚度介于1.1～7.1 m，平均厚度4.66 m。

粉質(zhì)粘土②為褐黃，灰黃色，呈可塑～硬塑狀態(tài)。含約10%～30%粉細(xì)砂。干強度及韌性中等，無搖震反應(yīng)。在場地內(nèi)普遍分布，厚度介于2.5～7.1 m，平均厚度5.9 m。

細(xì)砂③為灰黃色，多呈稍密狀態(tài)，局部松散狀態(tài)，飽和，含10～15%的細(xì)粒土。主要在分布在工程區(qū)東段。層厚1.1～2.8 m。

圓礫④為灰白色、褐紅色，顆粒磨圓度較好，形狀以亞圓形為主，礫石母巖母巖成份主要為石英質(zhì)、砂巖質(zhì)、硅質(zhì)，粒徑大于2 mm的顆粒含量約占65%，一般粒徑2.0～10 mm，孔隙由砂及粘性土充填，稍密，稍濕，層厚1.2～8.1 m。

礫質(zhì)粘性土⑤為褐紅色，硬塑狀，主要成分為粘性土，含20%～40%粗礫砂和少量碎石土。干強度中等，韌性中等，無搖震反應(yīng)，密實，稍濕。層厚1.00～22.90 m。具體參數(shù)見表1。

表1 基礎(chǔ)參數(shù)

3.4 結(jié)果對比分析

本次計算采用某商業(yè)軟件和自主研發(fā)程序分別計算驗證案例的滲流穩(wěn)定和整體穩(wěn)定，主要計算堤防在設(shè)計洪水位情況下，堤防有防滲心墻和無防滲心墻兩種情況。計算結(jié)果見表2及表3，計算結(jié)果表明，開發(fā)的軟件和商業(yè)軟件計算成果相近，說明開發(fā)軟件具有一定適用性。

表2 滲流分析計算結(jié)果

表3 整體穩(wěn)定分析計算結(jié)果

4 結(jié) 論

近十年來，國內(nèi)學(xué)者更注重商業(yè)軟件二次開發(fā)，而基于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范程序開發(fā)的可實施的功能性軟件甚少，設(shè)計公司也著重生產(chǎn)而疏于基礎(chǔ)軟件開發(fā)，基于此，本文基于C++編程語言，研發(fā)了堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計軟件，堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計軟件將滲流分析、穩(wěn)定分析、承載力計算、變形計算、工藝參數(shù)設(shè)計等五種功能于一體的商業(yè)軟件，通過對軟件的測試、案例的驗證，研究得到以下結(jié)論：

(1)堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計軟件，堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計軟件將滲流分析、穩(wěn)定分析、承載力計算、變形計算、工藝參數(shù)設(shè)計等五種功能于一體的商業(yè)軟件，在很大程度上，簡化了計算流程，使得使用者更易于操作。

(2)通過采用已有工程案例，采用理正軟件計算結(jié)果與堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計軟件分別分析計算工程案例中堤防的滲流穩(wěn)定和整體穩(wěn)定，本次自主研發(fā)軟件計算結(jié)果與理正計算結(jié)果基本吻合，可作為后期工程計算軟件。

(3)堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計軟件融合了灌漿設(shè)計工藝參數(shù)，在一定程度上可指導(dǎo)后續(xù)工程施工。

總之，通過研發(fā)堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計軟件，開發(fā)含堤防幾何參數(shù)、土體性能參數(shù)、復(fù)合樁參數(shù)、穩(wěn)定計算參數(shù)、滲流計算參數(shù)五類參數(shù)輸入，整體穩(wěn)定、滲流穩(wěn)定、承載力計算、沉降計算、工藝參數(shù)五類結(jié)果輸出為主的堤防一體化復(fù)合灌漿設(shè)計軟件，經(jīng)與其他國外通用商業(yè)軟件對比分析，計算結(jié)果相對吻合，計算程序更適用于設(shè)計人員，程序可以用于土石壩、堤防設(shè)計計算。