澄碧河心墻壩超深防滲墻加固效果分析與評價(jià)★

高 全 楊明化 高大水

(1.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

滲流是反映土壩安全狀態(tài)的重要項(xiàng)目，根據(jù)水利部《全國水庫垮壩登記冊》的統(tǒng)計(jì)，除漫頂外，因滲流問題而導(dǎo)致的土石壩垮壩是土石壩失事的最主要形式[1,2]。土石壩工程的防滲體系以其結(jié)構(gòu)重要性、技術(shù)復(fù)雜性、投資比重大等因素，在水利水電工程中占有重要位置，其中混凝土防滲墻的防滲效果可靠，在壩基滲流控制、土石壩加固、土石圍堰防滲等工程中得到廣泛應(yīng)用[3,4]。混凝土防滲墻是在松散透水地基或土石壩壩體中連續(xù)造孔成槽，以泥漿固壁，在孔槽內(nèi)澆筑混凝土而建成的，是保證大壩安全的有力措施。

隨著我國施工水平的不斷進(jìn)步，我國防滲墻技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，但仍然存在對墻體材料研究比較單一、墻體結(jié)構(gòu)計(jì)算不盡合理，致使工程設(shè)計(jì)存在較強(qiáng)的隨機(jī)性和經(jīng)驗(yàn)性等問題。尤其在除險(xiǎn)加固工程中[5]，深度超過60 m的超深防滲墻方面，研究還不深入[6]，由于超深防滲墻施工難度大，超深槽孔的孔斜控制、固壁泥漿材料和陡坡嵌巖技術(shù)等方面均不成熟[7]，混凝土防滲墻在高壩建設(shè)應(yīng)用受到了限制，其防滲效果也有待進(jìn)一步研究。

本文以目前國內(nèi)土石壩壩體加固工程中最深的超深防滲墻——澄碧河心墻壩超深防滲墻(最大墻深75.2 m，成墻面積18 325 m2)為實(shí)例，綜合考慮大壩混凝土防滲墻在滲流場和應(yīng)力場耦合效應(yīng)以及與土體直接接觸效應(yīng)的作用下，分別從有限元仿真分析和實(shí)測監(jiān)測資料兩個(gè)角度對超深防滲墻的防滲效果進(jìn)行分析和評價(jià)，并結(jié)合綜合分析結(jié)果對加固過程提出改進(jìn)建議，對于超深防滲墻的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 防滲加固方案

澄碧河水庫工程是一座具有發(fā)電、防洪、養(yǎng)魚、供水等綜合利用功能的大(1)型水利樞紐工程，水庫壩址以上集雨面積2 000 km2，總庫容11.21億m3，具有多年調(diào)節(jié)性能。樞紐工程由大壩、溢洪道、引水發(fā)電管、壩后電站等建筑物組成，大壩為混凝土防滲墻與粘土心墻結(jié)合的土壩，壩頂高程190.40 m，最大壩高70.40 m，壩頂長425.0 m，壩頂寬6.0 m。工程于2011年經(jīng)鑒定為“三類壩”，書面核查認(rèn)定主壩大壩左端排水溝發(fā)現(xiàn)滲流明流，大壩二級馬道存在滲漏現(xiàn)象，原大壩混凝土防滲墻連續(xù)性較差，存在縱、橫向裂縫，其透水性有增大的趨勢。為確保工程防洪安全和水庫安全可靠運(yùn)行，充分發(fā)揮水庫的各項(xiàng)功能和效益，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣姆€(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，構(gòu)建新時(shí)期的和諧社會，有必要及時(shí)對澄碧河水庫大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

本次加固方案為在大壩混凝土防滲墻下游側(cè)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(fēng)化巖層入巖0.5 m，強(qiáng)風(fēng)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，最大墻深約75.2 m，中心線位于原防滲墻軸線下游側(cè)4.0 m，墻厚0.8 m，混凝土強(qiáng)度等級為C15，抗?jié)B標(biāo)號W8。混凝土防滲墻采用沖擊鉆成槽，泥漿護(hù)壁，槽孔內(nèi)采用泥漿平壓，保持槽孔穩(wěn)定。帷幕灌漿采用混凝土防滲墻預(yù)埋管、自下而上分段灌漿，帷幕灌漿安排在枯水期進(jìn)行。由于壩體高程150.0 m以下為粘土心墻，在其中建造深75.2 m的混凝土防滲墻，施工難度大，防滲墻施工需要較寬的平臺才能實(shí)施，為保證施工平臺，混凝土防滲墻施工前，將壩頂開挖至高程188.20 m，使其寬度滿足施工需要。

2 加固前后防滲效果仿真分析

2.1 計(jì)算方法

假定壩體材料為非均質(zhì)各向異性可壓縮材料，利用達(dá)西定律，則平面飽和—非飽和滲流的控制微分方程可表示為：

(1)

(2)

因?yàn)閥是常數(shù)，式(2)可以進(jìn)一步簡化為：

(3)

由于工程問題中幾何形狀和邊界條件十分復(fù)雜，解析求解困難，解決工程中的滲流問題通常采用數(shù)值方法，主要是有限元法，通過應(yīng)用變分法，并對時(shí)間取隱式差分，可得有限元方程[8]：

(4)

2.2 計(jì)算過程

澄碧河水庫大壩為混凝土防滲墻壩，加固前樁號K0+128 m～K0+268 m范圍內(nèi)混凝土防滲墻未能入巖，其中樁號K0+192斷面為最大壩高斷面，因此選取最大斷面作為典型斷面進(jìn)行計(jì)算。壩體主要材料的滲流參數(shù)根據(jù)上述監(jiān)測成果反演確定。具體計(jì)算時(shí)選擇加固前2012年8月15日水位數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，采用直接分析法中的單純形法進(jìn)行反演分析。反演分析的目標(biāo)函數(shù)選取如下：

(5)

其中，n為測點(diǎn)數(shù)，dm，dc分別為實(shí)測水位和計(jì)算水位值。排水棱體和壩基巖體的滲流參數(shù)不作為反演對象，只將防滲墻和主要填筑土料的滲流參數(shù)作為反演對象。反演計(jì)算時(shí)參數(shù)初始值和反演出的滲透系數(shù)見表1。根據(jù)反演參數(shù)計(jì)算出防滲墻前后水位值與實(shí)測值的對比，計(jì)算值與實(shí)測值比較吻合，反演參數(shù)較為符合實(shí)際。

表1 澄碧河水庫大壩壩體填筑料物理性質(zhì)指標(biāo)反演

2.3 結(jié)果分析

對樁號K0+192斷面在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位三種典型工況下的穩(wěn)定滲流狀態(tài)進(jìn)行了滲流計(jì)算，滲流計(jì)算結(jié)果見表2。加固前、后正常蓄水位工況下的等勢線見圖1。

表2 加固前后K0+192斷面滲流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)大壩加固前后滲流計(jì)算[9]，大壩原混凝土防滲墻起到一定的防滲作用，但由于大壩原混凝土防滲墻存在質(zhì)量缺陷，整體滲透系數(shù)為10-6cm/s～10-5cm/s，防滲性能不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求(滲透系數(shù)10-7cm/s)，在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位時(shí)，大壩浸潤線逸出點(diǎn)在150.00 m左右，超過排水棱體頂高程136.00 m，存在滲流安全隱患。采用新建防滲墻加固后，浸潤線逸出點(diǎn)高程均在排水棱體以下，較加固前有明顯降低，防滲墻最大滲透比降也均小于允許值([J]=80)，混凝土防滲墻厚度滿足防滲要求，大壩滲流安全。

3 大壩滲流監(jiān)測資料分析

澄碧河水庫大壩以K0+192斷面作為監(jiān)測重點(diǎn)，在該斷面壩頂防滲墻前、防滲墻后、下游壩坡各布置1根測壓管，監(jiān)測壩體浸潤線和防滲墻防滲效果，測壓管內(nèi)安裝滲壓計(jì)以實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測。以防滲墻后第一根測壓管為分析對象，根據(jù)資料連續(xù)性、完整性以及可靠性[10]，選擇測壓管16作為典型測壓管(測壓管16位于主斷面偏左，新澆防滲墻后)，數(shù)據(jù)時(shí)間系列為2007年—2017年，該測壓管加固前后測壓管實(shí)測數(shù)據(jù)與上游水位關(guān)系過程線如圖2所示。

由圖2可知，自1997年至2015年，測壓管16在相近的庫水位下，隨著防滲墻使用年限的增加，該墻段的測壓管水位不斷增高，壩體滲潤線在逐漸抬高，心墻的防滲功能在減弱。結(jié)合根據(jù)地勘資料分析，系原防滲墻局部地段混凝土質(zhì)量較差，存在縱、橫向及垂直向裂縫，且混凝土防滲墻未能入巖等原因造成。2015年進(jìn)行除險(xiǎn)加固后，隨著水庫蓄水，庫水位逐漸增高至接近正常蓄水位(183.41 m 2017.08.16)，表現(xiàn)出：1)從變化性態(tài)來看，加固前測壓管16測值變化呈鋸齒狀，受水位、溫度變化等因素影響明顯，加固后測值變化平緩，表面原心墻內(nèi)確實(shí)存在裂縫，本次加固心墻質(zhì)量較好；2)從變化過程來看，加固后，測壓管水位變幅明顯較小(162.36 m)，較加固前相同庫水位條件下(182.45 m 2015.08.10)測壓管水位(164.05 m)低了近2.0 m，加固心墻防滲效果較好；3)對比加固前后測壓管水位與仿真計(jì)算結(jié)果，雖然測值大小因參數(shù)原因存在偏差，但反映規(guī)律性基本一致，仿真計(jì)算結(jié)果可靠。

通過計(jì)算各年測壓管16水位變化與上游水位之間的相關(guān)性(如表3所示)進(jìn)一步分析，加固前相關(guān)性呈逐漸增大趨勢，最大達(dá)0.87，加固后相關(guān)系數(shù)明顯減小，甚至為負(fù)值，表現(xiàn)出加固心墻隔水效果較好，與測壓管水位變化關(guān)系規(guī)律性基本一致。

表3 測壓管16加固前后測壓管實(shí)測水位與上游水位相關(guān)性統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合現(xiàn)場檢查進(jìn)行綜合分析，澄碧河壩超深防滲墻防滲效果較好，針對原防滲墻存在的裂縫和未嵌入巖基等問題，本次加固得到了很好的解決。新加固超深防滲墻質(zhì)量良好，與基巖有很好銜接，超深防滲墻對原大壩滲漏問題解決效果較好，加固后大壩滲流安全性態(tài)正常。

4 結(jié)語

1)滲流異常是引起土壩失事的主要原因之一，針對澄碧河心墻壩原防滲墻連續(xù)性較差，存在縱、橫向裂縫等造成的滲流異常問題，采用超深防滲墻方案進(jìn)行除險(xiǎn)加固，方案合理、加固效果較好。

2)從仿真分析和監(jiān)測資料分析兩個(gè)角度，對加固前后大壩的滲流性態(tài)進(jìn)行了全面分析，兩者相互驗(yàn)證，分析結(jié)果綜合反映加固前心墻存在質(zhì)量缺陷，大壩滲流安全性態(tài)異常，加固后新澆超深防滲墻質(zhì)量良好，大壩滲流安全性態(tài)正常。

3)考慮到超深防滲墻還存在施工難度大、受力條件復(fù)雜、不確定因素多等特點(diǎn)，滲流分析還不能全面評估超深防滲墻的工作狀態(tài)，相關(guān)分析還有待進(jìn)一步研究。

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