廣西澄碧河水庫大壩防滲加固設計

熊美林 彭文祥

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

·水利工程·

廣西澄碧河水庫大壩防滲加固設計

熊美林1,2彭文祥1,2

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

澄碧河水庫大壩中已有混凝土防滲墻防滲，但由于運行多年，防滲墻質量存在缺陷，防滲效果較差，須進行防滲加固，根據澄碧河水庫大壩的具體情況，對大壩存在的滲漏問題進行了分析，提出了相應的防滲加固措施，加固效果明顯，為已有防滲墻的土壩防滲加固設計提供了參考。

澄碧河，除險加固，防滲，土石壩

1 工程概況

澄碧河水庫位于廣西百色市，距百色市城區約7 km，為大(1)型水利樞紐工程。水庫正常蓄水位185.0 m，死水位167.0 m，總庫容11.21億m3。地震基本烈度為7度。目前大壩壩頂高程190.4 m，最大壩高70.4 m，壩頂長425.0 m，壩頂寬6.0 m。大壩為粘土心墻與混凝土防滲墻結合的土壩，混凝土防滲墻厚0.8 m，墻頂高程188.2 m，墻底高程除右岸少部分為133.0 m外，其余為140.0 m，伸入粘土心墻，粘土心墻頂高程為150.0 m，最大寬約為110 m。壩體內有兩條穿壩涵管，引水發電管及灌溉管。

澄碧河水庫大壩自運行以來險情不斷。大壩于1958年9月動工興建，1961年10月基本建成，大壩壩頂高程188.20 m。1960年9月，大壩施工到高程185 m時，壩體出現裂縫，至1961年1月底，共產生72條裂縫，大壩下游發現滲水。1962年8月起對壩體進行帷幕灌漿。1971年8月，庫水位首次達到181.5 m時，下游壩坡嚴重滲水，高程174.0 m處2個滲水點呈現集中射流狀，壩坡滲水面積達4 315 m2。1972年1月～5月，大壩下游坡根據壩面滲水區設導滲溝，導滲溝布置呈“Y”或“W”型，溝深1.0 m～1.2 m、寬0.6 m～0.8 m，間距7.0 m，內填沙、卵石。上游壩坡高程174.0 m以上做粘土防滲斜墻，厚1.0 m～2.0 m，并用混凝土預制塊護坡。1972年4月，開始混凝土防滲墻的設計與施工。混凝土心墻厚0.8 m，其軸線位于壩頂中部偏下游側，墻頂高程188.20 m，深48.2 m～55.2 m，兩岸的混凝土心墻底部深入基巖1.0 m，其余位置伸入粘土心墻，但在引水發電管及灌溉管部位，混凝土心墻底部在引水管上方，分別高出兩管3.8 m和2.2 m。混凝土防滲墻施工完畢后，壩頂加高至190.40 m。由于混凝土心墻在引水發電管及灌溉管處留有缺口，且混凝土心墻54號槽孔段存在質量缺陷，上述部位的下游壩坡仍有滲水，且當庫水位超過180 m時，右壩肩下游側高程178 m處的山體有繞壩滲漏。因此，1987年—1998年間水庫第二次除險加固時，采用高噴灌漿對兩條引水發電管、原灌溉管周邊的混凝土防滲墻缺口和心墻54號槽孔進行了加固，同時對兩壩肩進行了帷幕灌漿。

2 防滲墻質量檢測

大壩雖經多次加固，但隨著時間的推移，墻前、墻后水位差明顯減少，仍存在較多的滲流安全隱患。目前，大壩中部下游壩坡140.5 m平臺處，長年滲水。滲水量與大壩上游水位有一定關聯。為查清大壩滲流的實際狀況，本次設計對大壩防滲墻做了較為全面的質量檢測。通過對大壩20年來測壓管資料的分析，發現在相近的庫水位下，隨著防滲墻使用年限的增加，部分墻段上下游水位差趨于減小，壩體浸潤線逐漸抬高。在勘察過程中還選取了4個鉆孔，使用孔內超聲波檢測法對其進行了無損檢測。孔內聲波檢測表明：混凝土防滲墻連續性較差，局部存在波速較低的部位。同時還使用了鉆孔電視成像法檢測，鉆孔電視成像顯示孔壁混凝土質量不均勻，砂漿質量較差，振搗不密實，巖芯為散塊狀，卵礫石骨料與砂漿膠結差，表面粗糙，多蜂窩麻面，橫向裂縫及縱向裂縫發育。另外對混凝土防滲墻上4個鉆孔進行了16段壓水試驗，成果統計表明：大壩混凝土防滲墻大部分屬弱透水性，但有兩段為中等透水性，大于設計對混凝土防滲墻的防滲要求。綜上所述，大壩防滲墻質量不均勻，局部存在裂縫，混凝土防滲墻質量存在缺陷[1]。因此，應對大壩進行防滲加固，見圖1。

3 防滲加固設計

澄碧河水庫大壩在加固過程中曾經采用過下游壩坡設導滲溝、上游壩坡設粘土防滲斜墻的方案，但加固效果均不明顯，最后于1974年采用壩體防滲墻的措施加固。但限于當時的施工條件，防滲墻最大深度僅為55.2 m，深入粘土斜墻，并未入巖，在兩條壩內埋管位置，防滲墻也僅位于埋管上方，并未穿過埋管，截斷埋管處的接觸滲漏通道，為后期運行留下了很多滲漏隱患。對于土壩的防滲措施主要有垂直防滲和水平防滲。垂直防滲能全面、系統、可靠的解決壩體滲流問題。垂直防滲加固措施目前應用較為廣泛的有防滲墻和高噴灌漿兩種型式。澄碧河水庫大壩最大壩高70.4 m，防滲體最深處大于70 m，且水庫大壩經過多年的運行，已沉降完成。壩體下部又為粘土心墻，填筑密實，采用高噴灌漿，成墻深度達75 m以上，成墻困難。在水庫大壩98年加固時，曾對引水發電管、灌溉管及心墻54號槽孔等部位進行過高噴灌漿，但運行幾年后，防滲加固效果不明顯。因此，經綜合研究，采用新建混凝土防滲墻+壩基帷幕灌漿方案對大壩進行防滲加固。即在大壩混凝土防滲墻下游側增加一道新的混凝土防滲墻，防滲墻穿過壩體嵌入基巖，弱風化巖層入巖0.5 m，強風化巖層入巖1.0 m，以新建混凝土防滲墻替代原粘土心墻和原混凝土防滲墻的防滲功能。新建混凝土防滲墻軸線長390.0 m(樁號K0+000 m～K0+390 m)，最大墻深約75.2 m，中心線位于原防滲墻軸線下游側4.0 m，墻厚0.8 m，混凝土強度等級為C15，抗滲標號為W8。該方案可有效地解決原防滲墻防滲效果較差的問題，還可在兩條壩內埋管的位置，截斷兩條埋管，防滲墻底部直接深入基巖，徹底解決老防滲墻與兩條埋管處的接觸滲漏問題，見圖2。

大壩壩基局部地段受裂隙及斷層的影響，透水率達10 Lu～43 Lu，具中等透水性，采用帷幕灌漿進行防滲處理。帷幕灌漿軸線與新建混凝土防滲墻中心線重合，長度445 m(樁號K0-020 m～K0+425 m)，其中防滲墻下采用墻下帷幕灌漿，該段帷幕長390 m，壩肩段采用壓漿板下灌漿，帷幕深至基巖透水率5 Lu線以下5 m，最大孔深28 m。

但由于大壩內現已有防滲墻，新建防滲墻距離老防滲墻較近，新防滲墻深超過70 m，且大壩處于7度地震烈度區，為確保大壩工程安全，必須對采用加固方案后大壩新、老防滲墻的應力變形進行復核計算。

4 防滲墻應力變形分析

大壩應力變形計算采用基于Biot固結理論的有效應力有限元分析方法。其中，土體靜力計算模型采用“南水”雙屈服面彈塑性模型，動力模型采用等價粘彈性模型，混凝土防滲墻采用線彈性模型。為模擬防滲墻與周邊土體的接觸特性，周邊設置3 cm厚泥皮單元，墻底設置15 cm厚沉渣單元。

有限元計算時模擬填筑、蓄水順序為：1958年—1961年大壩建成→1970年大壩蓄水至181.5 m高程→1972年4月防滲墻施工→大壩蓄水至正常蓄水位185 m高程→大壩正常運行38年→上游水位降落至死水位165 m高程→新混凝土防滲墻施工→下游幫坡填筑→壩頂回填→大壩蓄水至正常蓄水位185 m高程。地震動輸入采用以場地譜為目標譜的人工合成地震波。本工程大壩以100年超越概率2%結果作為抗震設防依據。

1)加固前老防滲墻靜力作用下的應力變形分析。通過計算分析，加固前老混凝土防滲墻的撓度變形表現為指向下游的變形，最大值為7.46 cm。老混凝土防滲墻上、下游面大主應力最大值分別為0.36 MPa，0.34 MPa，小主應力總體為拉應力，但拉應力數值不大，上、下游面拉應力最大值分別為0.18 MPa，0.50 MPa。老防滲墻壓、拉應力均在C15混凝土強度允許范圍內。由于老防滲墻為大壩基本建成10年后所建設，且墻體并未嵌入基巖，墻內應力較小，墻體應力滿足要求，見表1。

表1 加固前老防滲墻應力變形值

2)加固后新、老防滲墻靜力作用下的應力變形分析。大壩加固竣工時，老防滲墻撓度指向下游，墻頂最大撓度為5.34 cm，新防滲墻撓度指向下游，墻頂最大撓度值為3.68 cm；蓄水至正常蓄水位后，老防滲墻墻頂撓度增加到11.09 cm，新防滲墻壩頂撓度增加到9.37 cm。老防滲墻墻體上游側，大壩加固完畢時大主應力最大值0.75 MPa，小主應力最大壓應力值0.24 MPa，最大拉應力值0.13 MPa，正常蓄水位下，大主應力最大值0.48 MPa，小主應力最大壓應力值0.22 MPa，最大拉應力值0.26 MPa；墻體下游側，大壩加固完畢時大主應力最大值為1.04 MPa，小主應力最大壓應力0.24 MPa，最大拉應力0.09 MPa，正常蓄水位時大主應力最大值0.72 MPa，小主應力最大壓應力值0.17 MPa，最大拉應力值為0.21 MPa。大壩加固完畢時，新建防滲墻上游側和下游側大主應力最大值均為4.34 MPa，小主應力壓應力最大值分別為0.43 MPa，0.37 MPa，拉應力最大值分別為0.09 MPa，0.24 MPa；蓄水至正常水位時，上游側和下游側墻體大主應力最大值分別為3.56 MPa，3.52 MPa，小主應力壓應力最大值為0.38 MPa，0.34 MPa，拉應力最大值分別為0.09 MPa，0.18 MPa，見表2，表3。通過上述分析，大壩加固完畢以及正常蓄水位運行時老防滲墻和新建防滲墻的壓、拉應力均在C15混凝土強度允許范圍內。

表3 加固后新防滲墻應力變形值(一)

3)加固后新、老防滲墻地震作用下應力變形分析。地震作用下老防滲墻撓度變形指向下游，最大值為10.4 cm，位于墻頂；新建防滲墻撓度分布，變形指向下游，最大值為10.8 cm，位于墻頂。老防滲墻墻體動應力隨著高程的增加而增大，最大動應力位于墻頂。100年超越概率2%地震情況下老防滲墻上游大主應力最大值為3.67 MPa，小主應力(拉應力)最大值為2.23 MPa；下游大主應力最大值為3.65 MPa，小主應力(拉應力)最大值為2.22 MPa。靜動應力疊加，老防滲墻上游側壓應力最大值為3.98 MPa，拉應力最大值為2.48 MPa，下游側壓應力最大值為4.08 MPa，拉應力最大值為2.43 MPa。最大值均發生在防滲墻頂部。考慮混凝土的

動態強度要比靜態強度高30%以上，可見，發生100年2%概率地震，老防滲墻的壓應力在C15抗壓強度允許范圍內，墻體不會發生壓裂破壞，頂部附近的拉應力則超出了C15抗拉強度，但由于墻體應力隨地震過程動態變化，最大動應力只是瞬時作用，不能與靜應力等同看待，此外，由于未模擬拉應力超過混凝土抗拉強度后混凝土出現破損后的應力調整，拉應力為累加應力，故所計算出的拉應力峰值是偏大的，因此可以認為該部位混凝土并不會發生嚴重的拉裂破壞。

100年超越2%地震概率水平情況下新建防滲墻上游側大主應力最大值為3.75 MPa，小主應力(拉應力)最大值為1.97 MPa；下游側大主應力最大值為3.77 MPa，小主應力(拉應力)最大值為1.96 MPa。最大值均發生在墻頂。新建防滲墻上、下游側靜動應力：上游側最大壓應力為4.62 MPa，最大拉應力為2.17 MPa，下游側最大壓應力為4.59 MPa，最大拉應力為2.20 MPa。最大值均發生在防滲墻頂部，見表4，見表5。

表4 加固后老防滲墻應力變形值(二)

表5 加固后新防滲墻應力變形值(二)

發生100年2%概率地震，新建防滲墻的壓應力在C15抗壓強度允許范圍內，墻體不會發生壓裂破壞，頂部附近的拉應力則超出了C15抗拉強度，但考慮到最大動應力只是瞬時作用，因此可以認為該強度地震不會導致該部位混凝土發生嚴重拉裂破壞。

通過計算分析認為大壩防滲墻位置布置合理，竣工期、運行期以及地震作用下，均不會發生破壞。

5 結論和建議

澄碧河水庫大壩防滲墻于2015年1月正式開始施工，施工過程中未出現塌孔、上下游壩坡及壩頂開裂等現象。2015年5月新建混凝土防滲墻完工至今運行良好，下游壩坡未發現滲水等現象。病險水庫大壩除險加固工程中防滲加固設計是工程中的重要方面，也是決定加固是否成功的關鍵因素。我國眾多的病險水庫大壩普遍存在滲漏和滲透穩定的病害問題。且很多存在滲漏和滲透問題的土壩中已經建有防滲墻，澄碧河水庫大壩防滲加固設計的成功實施，對這種已有防滲墻的土壩防滲加固具有較強的現實意義。

[1] 李 亮，徐復興，高建華.廣西澄碧河水庫混凝土防滲墻質量檢測與評價[J].人民長江，2011，42(22)：65-67.

Analysisonstress-deformationofdiaphragmwallforthedamofGuangxiChengbiriverreservoir

XiongMeilin1,2PengWenxiang1,2

(1.ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan430010,China； 2.NationalDamSafetyResearchCenter,Wuhan430010,China)

The dam of Chengbi river reservoir has a concrete diaphragm wall, but it has quality defects because of operating so many years. The seepage prevention is becoming less effective, so have to reinforce the anti-seepage system. According to the specific conditions of the dam of the reservoir, the seepage problems of the dam are analyzed, the corresponding anti-seepage reinforcement measures are put forward. The reinforcement effect is obvious. Offers a reference for the application to reinforce the anti-seepage system of the earth-dam which has the old diaphragm wall.

Chengbi river, danger elimination and reinforcement, seepage control, earth-dam

1009-6825(2017)32-0192-03

2017-09-05

熊美林(1984- ),女，工程師； 彭文祥(1987- )，男，工程師

TV641.2

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