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        水利工程灌漿數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析

        2021-11-02 11:55:28杭天飛王澤民湯榮杰
        四川水利 2021年5期
        關(guān)鍵詞:油車云滴透水性

        趙 俊,王 盼,杭天飛,王澤民,湯榮杰

        (1.揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司,江蘇 揚州,225000;

        2.寶應縣水務局,江蘇 揚州,225899)

        1 引言

        水利工程基礎(chǔ)滲漏不僅嚴重影響工程的安全和穩(wěn)定,而且會造成經(jīng)濟損失[1]。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),50%以上的事故是由于不當?shù)鼗幚碓斐傻腫2]。我國水利工程建設(shè)正朝著地質(zhì)條件更復雜、地基安全處理難度更大的工程方向發(fā)展[3]?;A(chǔ)灌漿作為一種確保水利工程長期安全穩(wěn)定運行的主要技術(shù)手段[4],不僅可以有效降低水利工程地基的滲透性,還能提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

        灌漿是指使用一定比例或濃度的膠凝泥漿,通過機械增壓或漿體自重,對基礎(chǔ)巖石中的接縫、裂縫和其他需要加固的薄弱部分進行灌漿[5]。通過灌漿,填堵了裂隙和滲流通道。然而,由于灌漿過程具有隱蔽性,不能直觀的對泥漿在地層中的填充進行評估,無法準確判斷灌漿填充效果和對工程穩(wěn)定性的改善。因此,本文以壩基巖體灌漿工程為例,進行注漿擴散過程的模擬研究,對注漿效果的有效性進行評價并分析。

        2 工程概況

        洑西河是蠡河水系的一條主要支流,位于江蘇省宜興市。向東流經(jīng)崗下、城澤、廟干、油車、西街等村后匯入湖父大河,是宜興市南部山區(qū)一條重要的排水河道,全長約15km,匯水面積82.37km2。河道沿線保護人口20.63萬人,保護農(nóng)田6380hm2。油車水庫(為中型水庫,于2009年12月正式開工,集水面積41.54km2,總庫容3324萬m3)壩址位于洑西河中段油車村附近,壩址以上主河長11.58km,坡降13.5‰。本文以油車水庫樞紐的主壩為例,進行灌漿效果和工程穩(wěn)定性模擬研究。

        3 模型設(shè)計方法

        3.1 研究框架

        本文耦合了模糊綜合方法與云理論,構(gòu)造了綜合評價模型。首先建立了包括聲波速度、敏感性、裂隙充填率、巖石的透水性的評價指標體系,通過聲波測試、水壓試驗、灌漿記錄儀、巖心鉆探測量其參數(shù);其次,考慮了灌漿效果評價中的隨機性和模糊性,引入模糊熵方法,建立了模糊綜合評價模型。

        3.2 數(shù)學模型

        本文引入云模型理論,針對灌漿效果評價的不確定性因素,綜合考慮了可溶性、透水性、充填率、聲波速度等指標,建立了灌漿效果綜合評價模型??紤]到在效果評價過程中容易受到主觀因素的影響,從而造成評價結(jié)果失真,利用云模型的運行特點,將隨機性與模糊性相結(jié)合,并將模糊熵作為輔助手段引入評價過程,構(gòu)建了二維評價模型,對灌漿效果進行評價。灌漿效果綜合評價的數(shù)學模型如圖1所示。

        圖1 灌漿效果綜合評價的數(shù)學模型

        對上述數(shù)學模型的解釋如下:

        (1)評價體系的指標集{F},F(xiàn)1代表透水性、F2代表聲波速度、F3代表裂縫充填率、F4代表單位注漿量。

        (2)根據(jù)現(xiàn)有文獻與咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)<?,確定了評價等級{V},V1表示很好、V2表示較好、V3表示一般、V4表示差、V5表示很差。

        (3)基于云的模糊綜合評價法和模糊熵的求解過程。

        (4)定義了目標函數(shù)的各項解集D,P為評價結(jié)果集、V為評價等級集、F為評價指標集、W為指標權(quán)重集、R為模糊隸屬度矩陣。

        (5)定義了求解評價結(jié)果云模型的方法集,P為求解云模型評價結(jié)果的方法、W為求解云模型評價指標權(quán)重的方法、R為求解云模型隸屬度的方法。

        (6)定義求解模糊綜合評價的方法集,y是創(chuàng)建評論集云模型B的函數(shù)。

        3.3 云模型生成器

        正反向云生成器組成了云生成器。正向云生成器是一種定性到定量的映射,它基于云的數(shù)字特征,將定性概念映射到數(shù)值空間中的定量位置。實現(xiàn)定性概念向定量值的轉(zhuǎn)化反向云生成器是前者的逆過程,即從定量位置到定性概念的轉(zhuǎn)換模型。根據(jù)與某一分布的云滴進行匹配,從而得到云模型對應的數(shù)字特征C。圖2具體展示了正向云模型和反向云模型生成器基本原理。

        圖2 兩種云生成器基本原理

        輸入:定性概念數(shù)字特征Ex、En、He,以及給定的云滴數(shù)N。

        輸出:表示空間中n個云滴的位置。

        算法步驟:(1)用期望的En和He的標準差生成一個正態(tài)隨機數(shù)Eni;(2)生成一個正常的隨機數(shù)xi期望Ex和標準差Eni;(3)設(shè)x為云滴,是一種定性概念的具體值;(4)計算:ui=exp[-(xi-Ex)2/2(Eni)2];(5)將μi設(shè)為x,即云滴;(6)組合(xi,μi)形成1個云滴;(7)重復上述步驟,直到生成所需的n個云滴。

        4 結(jié)果及分析

        4.1 評價指標體系的建立

        由于工程的隱蔽性,灌漿效果的評價往往是有限的。灌漿效果綜合評價指標體系應以一系列有機因素的互補指標為基礎(chǔ)。本文建立了經(jīng)典的層次分析結(jié)構(gòu),其中包括目標層、準則層和指標層,它們構(gòu)成了灌漿效果評價指標體系。如表1所示,從上到下有三個層次。目標層T是第一層,即研究目標為灌漿效果綜合評價;準則層C作為第二層,將滲透性和密實度作為灌水后巖體的主要性能指標;第三層為指標層F,包括聲波速度、滲水性、可溶性、裂隙充填率四個指標。

        表1 灌漿效果評價指標體系

        4.2 評價指標的獲取

        為準確判斷出巖體滲透性和灌漿防滲效果,對產(chǎn)生裂隙的巖體進行壓水試驗,以獲取現(xiàn)場各孔段的滲透率值,可以直接判斷每個孔段注漿的效果。然而,隨著越來越多的高壩投入建設(shè),常規(guī)壓水試驗的結(jié)果往往不能有效反映巖體的滲透特性,故單次壓水試驗的結(jié)果不能作為確定灌漿效果的唯一依據(jù)。此外,通過巖心鉆探和數(shù)字鉆井成像方法,可以直接觀察裂縫中泥漿的充填情況,直觀可靠,不受地層限制。因此,近年來將水壓試驗的透水性試驗值、后灌巖石中的裂縫充填情況作為評價灌漿效果的合理指標。

        4.3 壩基防滲效果模糊綜合評價實例研究

        本文以油車水庫主壩為例,進行了防滲效果綜合評價。為了對灌漿質(zhì)量進行合理的檢查,研究范圍內(nèi)設(shè)置了5個施工質(zhì)量檢測孔,共70個截面。根據(jù)上一節(jié)的內(nèi)容,選取透水性和裂縫填充率作為灌漿效果的綜合評價指標,根據(jù)檢查孔水壓試驗、鉆孔成像,得出指標。根據(jù)檢測結(jié)果,采用算術(shù)平均法計算各單元孔段的各項參數(shù)值。具體結(jié)果如圖3所示。各檢查孔的裂縫填充率分布范圍為0~100%、透水性分布范圍為0.22~10。

        圖3 檢查孔評價指標的計算結(jié)果

        由于指標是根據(jù)注漿孔各段的注灰量與導水率確定的,因此檢測孔與注漿孔不重合,選擇離檢測孔最近注漿孔的監(jiān)測結(jié)果作為指標計算。輸入?yún)?shù),結(jié)合透水性和裂縫填充率,確定檢查孔附近的填充效果。使用莫也公式,每個灌漿段的水力傳導度可以從灌漿前的透水性轉(zhuǎn)換而來。具體公式如式(1)所示:

        (1)

        其中:Qw為壓力水流量;ρW是水的密度;g是重力加速度;△PW為有效壓力水壓;L為壓水試驗段長度;rb為注漿孔半徑。

        根據(jù)上述判斷方法,計算出各孔段漿液一維和二維流動中的注灰量的計算值,并確定其所屬的注漿面積,計算出RI(穩(wěn)定性)值。具體內(nèi)容見表2。

        表2 計算過程及RI計算值

        分析表2可知,絕大部分RI值都符合標準,說明在不同壓力下,工程下伏采空區(qū)和上覆巖層的應力未超過各種巖體的抗拉強度和抗壓強度,巖體未發(fā)生明顯的破壞,該壩基防滲效果較好。

        5 結(jié)論

        本文以油車水庫工程注漿穩(wěn)定性分析為例,分析了多因素影響下的工程變形特征與變形機理,并對注漿工程進行了詳細論述??梢宰鳛橹笇こ谭€(wěn)定性設(shè)計和施工的依據(jù)。實踐表明,本文提出的理論和方法可為壩基裂隙灌漿模擬、灌漿效果評價和穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

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