廣西澄碧河水庫大壩防滲墻應力變形分析

(1.， 430010；2.， 430010)

1 研究背景

澄碧河水庫位于廣西百色市，距百色市城區約7 km，壩址以上控制流域面積2 000 km2，是一座兼防洪、供水、發電等綜合利用的大(1)型水庫。水庫正常蓄水位 185.0 m(珠江基面高程，下同)，死水位 165.0 m，總庫容 11.21億m3。水庫大壩壩頂高程190.4 m，壩底高程120.0 m，最大壩高70.4 m，壩頂長 425.0 m，壩頂寬6.0 m。大壩原設計為碾壓式黏土心墻壩，但黏土心墻填筑到高程 150.0 m時，由于黏土料儲量不足，上部填筑為均質土壩。運行后，在壩體內加筑一道混凝土防滲心墻，形成如今的黏土心墻與防滲墻相結合的土壩。大壩黏土心墻軸線位于大壩中部，黏土心墻頂高程 150.0 m，混凝土防滲墻軸線位于壩頂中部偏下游側，混凝土防滲墻厚0.8 m，深 48.2～55.2 m，墻頂高程188.2 m。在主河槽段混凝土防滲墻底部伸入黏土心墻中，兩岸混凝土防滲墻底深入基巖1.0 m。在引水發電管及灌溉管部位，為了不損壞引水管，混凝土防滲墻底設在引水管及灌溉管上方。防滲墻材料以混凝土為主，為適應變形，在混凝土中摻入15%～20%優質黏土改善混凝土力學性能，增加其柔性。大壩混凝土防滲墻結構見圖1。

圖1 大壩混凝土防滲墻結構

考慮到大壩混凝土防滲墻運行已達40 a，在2011年的水庫除險加固勘測設計中，勘測單位對其做了較為全面的質量檢測。通過對大壩20 a測壓管資料的分析，發現在相近庫水位下，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，局部部位波速較低。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，不符合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，質量有缺陷。因此，應對大壩進行防滲加固。

表1 靜力計算參數

注：c、Φ0、ΔΦ均為抗剪強度指標；n為切線楊壓模量Et隨圍壓σ3增加而增加的冪次；G、F、D分別為計算切線泊松比的3個參數。

大壩防滲加固采用新建混凝土防滲墻方案，即在大壩混凝土防滲墻下游側增設一道混凝土防滲墻，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黏土心墻。新建混凝土防滲墻軸線長 390.0 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，還可將壩內兩條埋管進行截斷，使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。但由于大壩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，必須對大壩防滲墻的應力變形進行研究。

圖2 大壩混凝土防滲墻加固(單位：cm)

2 計算模型及計算參數

2.1 計算模型

根據工程經驗選取壩料靜力計算參數，防滲墻周邊的泥皮單元和底部沉渣單元參數參考文獻資料選取。動力計算參數根據壩料靜力特性并結合工程類比選取。采用的計算參數見表1，2。

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，土體靜力計算采用“南水”雙屈服面彈塑性模型，動力計算采用等價粘彈性模型，混凝土防滲墻采用線彈性模型。

在進行平面限元網格剖分時，實體單元采用4結點等參單元，為適應邊界條件及壩料分區變化，部分采用三角形單元處理，圖3為有限元網格圖，共形成實體單元779個，結點739個。防滲墻順河向剖分3排單元，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。

2.2 計算參數

有限元計算時模擬填筑、蓄水順序為：1958年～1961年大壩建成；1970年水庫蓄水至181.5 m高程；1972年4月防滲墻施工，水庫蓄水至正常蓄水位185 m高程；大壩正常運行38 a，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；水庫蓄水至正常蓄水位185 m高程。

表2 動力計算參數

注：k1、k2為動剪常數；Gd為動剪切模量；c1、c2、c3、c4、c5為5個計算常數，由殘余變形試驗，即不同應力狀態下軸向應變與振動次數的關系曲線和體積應變與振動次數的關系曲線得出。

圖3 有限元網格剖分

地震動輸入采用以場地譜為目標譜的人工合成地震波。該工程大壩以100 a超越概率2%結果作為抗震設防依據。場地基巖主要設計地震參數見表3。地震動輸入采用順河向和垂直向兩向輸入，水平向地震基巖峰值加速度為230 gal，垂直向地震動輸入峰值加速度取水平向的2/3。地震持續時間取36 s。

表3 場地基巖主要設計地震動參數

注：Am為地震動峰值加速度；βm為動力系數最大值；T1為反應譜拐點周期；Tg為特征周期；γ為衰減系數。

圖4 老混凝土防滲墻變形分布(加固前)

3 加固前老防滲墻應力變形分析

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，最大值為 7.46 cm，見圖4。

圖5 老混凝土防滲墻上、下游應力分布(加固前)

圖5分別為加固前老防滲墻上、下游面應力分布圖。由圖可見，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 0.21 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 a后所筑，且墻體并未嵌入基巖，墻內應力較小。墻體應力雖滿足要求，但由于存在施工質量缺陷，滲透性能較差。

4 加固后新、老防滲墻應力變形分析

4.1 靜力作用下應力變形分析

圖6為大壩竣工期(大壩加固完畢)以及運行期(蓄水至正常蓄水位)老防滲墻與新防滲墻的撓度變形圖。由圖可見，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。

圖6 防滲墻撓度變形

圖7 老防滲墻上游應力分布

圖7、圖8為大壩竣工期(大壩加固完畢)以及運行期(蓄水至正常蓄水位)老防滲墻上、下游面的應力分布圖。由圖可見，在墻體上游面，①竣工期：大主應力最大值為 0.75 MPa、小主應力最大壓應力值為0.24 MPa、最大拉應力值為 0.13 MPa；②運行期：大主應力最大值為 0.48 MPa、小主應力最大壓應力值為0.22 MPa、最大拉應力值為 0.26 MPa。在墻體下游面，①竣工期：大主應力最大值為 1.04 MPa、小主應力最大壓應力為 0.24 MPa、最大拉應力為 0.09 MPa；③運行期：大主應力最大值為 0.72 MPa、小主應力最大壓應力值為 0.17 MPa、最大拉應力值為 0.21 MPa。

圖8 老防滲墻下游應力分布

圖9 新建防滲墻上游面應力分布

圖9、圖10為新建防滲墻上游面、下游面的應力分布圖。由圖可見：①竣工期，新建防滲墻上游面和下游面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0.43,0.37 MPa，拉應力最大值分別為0.09,0.24 MPa；②運行期，上游面和下游面墻體大主應力最大值分別為3.56 Pa、3.52 MPa，小主應力壓應力最大值為0.38,0.34 MPa，拉應力最大值分別為0.09，0.18 MPa。

圖10 新建防滲墻下游面應力分布

通過上述分析，大壩竣工期及運行期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。

4.2 地震作用下應力變形分析

圖11，12分別為地震引起的老防滲墻及新防滲墻撓度分布，變形指向下游，最大值分別為10.4cm和10.8 cm，均位于墻頂。

圖11 地震引起的老混凝土防滲墻撓度變形(加固后)

圖12 地震引起的新混凝土防滲墻撓度變形(加固后)

圖13 老防滲墻最大動應力分布(加固后)

圖13給出了地震過程中老防滲墻上、下游面最大動應力分布圖。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 a超越概率2%地震情況下老防滲墻上游面大主應力最大值為 3.67 MPa，小主應力(拉應力)最大值為 2.23 MPa；下游面大主應力最大值為3.65 MPa，小主應力(拉應力)最大值為 2.22 MPa。

圖14 老防滲墻靜動應力疊加(加固后)

100 a 2%概率水平地震情況下，老混凝土防滲墻上、下游面靜動應力疊加，見圖14。靜動應力疊加后，老防滲墻上游面壓應力最大值為3.98 MPa，拉應力最大值為 2.48 MPa；下游面壓應力最大值為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。

考慮到混凝土的動態強度比靜態強度至少高30%，發生100 a 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，由于未模擬拉應力在超過混凝土抗拉強度時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。

圖15為地震過程中新建防滲墻上、下游面最大動應力分布圖，新建防滲墻上游面大主應力最大值為3.75 MPa，小主應力(拉應力)最大值為1.97 MPa；下游面大主應力最大值為3.77 MPa，小主應力(拉應力)最大值為1.96 MPa。最大值均出現在墻頂。

圖15 新建防滲墻最大動應力分布

圖16 新建防滲墻靜動應力疊加

100 a超越2%地震概率水平情況下，新建防滲墻上、下游面靜動應力疊加圖如圖16所示。疊加后，上游面最大壓應力為4.62 MPa、最大拉應力為2.17 MPa；下游面最大壓應力為4.59 MPa、最大拉應力為2.20 MPa。最大值均發生在防滲墻頂部。

發生100 a 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。

5 結論和建議

通過采用靜、動力有限元法模擬大壩建設、加固和水庫蓄水運行過程，以及遇100 a超越概率2%地震情況，研究各種工況下新、老防滲墻的應力變形特性，得出如下結論：

(1) 大壩現狀運行時。老混凝土防滲墻墻體應力在混凝土材料強度允許范圍內。

(2) 大壩竣工期。新、老混凝土防滲墻墻體壓、拉應力均在混凝土材料強度允許范圍內。

(3) 大壩運行期。新、老防滲墻應力均在混凝土材料強度允許范圍內。

(4) 100 a超越概率2%地震情況下，老混凝土防滲墻和新建混凝土防滲墻變形均指向下游，撓度增量最大值均位于墻頂，分別為10.4 cm和10.8 cm。

(5) 100 a超越概率2%地震情況下，地震過程中墻體動應力隨著高程的增加而增大，地震時老防滲墻和新建防滲墻的壓應力小于C15混凝土允許抗壓強度，墻體壓應力滿足要求，但墻頂附近拉應力較大，有所超標；由于最大動應力只是瞬時作用，不能與靜應力等同看待，且由于未模擬拉應力在超過混凝土抗拉強度時混凝土出現破損后的應力調整，拉應力為累加應力，所計算出的拉應力峰值偏大，因此可以認為該部位混凝土并不會發生嚴重的拉裂破壞現象。

綜上所述，通過對防滲墻的應力變形分析，新、老防滲墻在加固后不會發生破壞，認為澄碧河水庫大壩防滲設計方案合理。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。目前國內在已有防滲墻的土壩中再建超過70 m深的防滲墻的案例并不多見，本次新建防滲墻的成功實施對已有防滲墻的土壩防滲加固具有較強的現實意義。