基于滲流體力下某土石壩防滲墻加固效果分析

童旭宇

（湖北省水利水電科學研究院，武漢 430070）

土石壩防滲問題一直以來都是壩工界關注的重點[1-2]。其中土石壩混凝土防滲墻的修復是土石壩防滲加固的重要手段，對此國內外相關學者開展了較為深入的研究[3]。然而，由于水利工程的獨特性，使得水庫工程具有不同的地形條件、結構形式等，土石壩防滲所采用的修復方案不盡相同，加固后病險除控效果并不理想[4-6]。為此，對土石壩混凝土防滲墻加固效果進行數值模擬分析具有重要意義。

在進行土石壩數值分析時，若考慮滲流體力這一因素，則模擬結果更符合大壩服役真實狀況，而對此方面的研究鮮卻有報道[7]。基于上述背景，在前人研究的基礎之上，依托某水庫大壩工程，筆者提出并對比分析了兩種防滲加固方案，綜合考慮工程安全性、加固徹底性、防滲質量可靠性等多方面因素，采用了新建混凝土防滲墻的方案2；考慮滲流體力因素模擬計算，推薦方案固后加入混凝土防滲墻的土石壩應力、變形分析。

1 工程概況

某水庫位于湖北省境內，該工程屬于大（1）型水利工程。大壩心墻為混凝土與黏土相結合心墻，連續性較差，其壩頂高程為90m，最大壩高、壩頂長、壩頂寬分別為70，425，6m。經安全評估，該水庫大壩壩體內的混凝土防滲墻未形成一道阻水屏障，連續性較差，局部出現滲透坡降值小于允許值，但未見壩基滲透變形或繞壩滲漏問題； 但左岸灌溉渠內的水經過高程155m公路以下壩坡橫向水溝底滲流溢出，該水溝常年流水，對左壩岸坡的穩定存在一定的安全隱患。

2 加固方案比選

根據水庫大壩的實際服役狀況，提出了兩個水庫大壩防滲加固方案。方案1：壩體內高壓旋噴灌漿方案。方案2：在舊防滲墻基礎上新建混凝土防滲墻方案。兩種防滲加固方案工程量與工程投資如表1。

表1 兩種防滲加固方案工程量與工程投資

由于在高壓旋噴時，防滲墻底部土體受到擾動，對舊防滲墻會產生不利影響。因此，經工程安全性、施工控制等方面進行對比分析，最終確定采用方案2進行防滲墻加固。

3 數值仿真計算

3.1 計算模型

計算過程中，雙屈服面彈塑性模型[4-5]及等價黏彈性模型[6-8]分別用于土石壩的靜、動力計算，混凝土防滲墻則采用線彈性模型。

3.2 網格剖分、邊界條件

由于壩體內設置了材料分區，壩內輪廓線呈現不規則形狀，為了適應這種變化，在對壩體二維有限元網格剖分時，主要以4結點等參單元為主，局部網格輔以3結點三角形單元。混凝土防滲墻沿順河向共劃分3排單元，壩體共剖分實體單元823個，結點782個，壩體網格剖分如圖1。為更加真實模擬墻體與周邊土體之間的接觸特性，在周邊剖分了厚度3.5cm泥皮單元，墻底剖分了厚度為14.5cm沉渣單元。本次計算邊界條件未考慮壩體與基巖間的作用，之間觸面為三向約束。

圖1 壩體網格剖分

3.3 計算參數及工況

壩料動力計算參數參考地勘報告，部分缺失數據參考類似工程選取，防滲墻周邊的泥皮單元和底部沉渣單元參數參考類似工程選取，最終采用的計算參數如表2。

表2 壩料動力計算參數

計算條件設置兩種工況：

（1）工況1：大壩固后竣工時165m水位。

（2）工況2：正常蓄水位185m。

將兩種工況下土石壩穩定滲流場所形成的壩體滲透壓力在計算過程中作為計算荷載施加于大壩壩體，計算時考慮的荷載為：自重、滲透體力、地震荷載。

3.4 防滲墻應力變形

計算得出兩種工況條件下壩體孔隙水頭，分別如圖2～圖3。

圖2 工況1壩體孔隙水頭

圖3 工況2壩體孔隙水頭

通過計算可知，工況1、工況2條件下壩體滲透壓力最大值分別為0.57，0.67MPa，兩種工況條件下壩體滲透壓力極值均位于壩體中心底部位置。本次對兩種工況條件下進行論述，如圖4～圖8。

圖4 大壩防滲墻位移變化

圖5 舊防滲墻上游面應力分布

圖6 舊防滲墻下游面應力分布

圖7 新建混凝土防滲墻上游面應力分布

圖8 新建混凝土防滲墻下游面應力分布

圖4（a）顯示了工況1與工況2條件下固后舊防滲墻的位移變化圖，圖4（b）顯示了工況1與工況2條件下固后新防滲墻的位移變化。可以看出，工況1條件下加固后舊、新防滲墻位移指向均為順河向方向，且防滲墻墻頂位移變化值最大，其值分別為5.27，3.75cm；工況2條件下加固后舊、新防滲墻墻頂位移變化規律同工況1，其值分別為11.09，9.39cm。

圖5顯示了兩種工況條件下固后混凝土舊防滲墻上、下游面的應力分布規律，可以看出：

（1）工況1條件下的固后混凝土舊防滲墻墻體上游面第一主應力最大值為0.75MPa，第三主壓、拉應力最大值分別為0.24，0.13MPa，工況2條件下的固后混凝土舊防滲墻墻體上游面第一主應力最大值為0.48MPa，第三主壓、拉應力最大值分別為0.22，0.26MPa。

（2）工況1條件下的固后混凝土舊防滲墻墻體下游面第一主應力最大值為1.04MPa，第三主壓、拉應力最大值分別為0.24，0.09MPa，工況2條件下的固后混凝土舊防滲墻墻體下游面第一主應力最大值為0.72MPa，第三主壓、拉應力最大值分別為0.17，0.21MPa。

圖7、圖8分別顯示了固后新建混凝土防滲墻上、下游面的應力分布規律。可以看出：

（1）工況1條件下的固后新建混凝土防滲墻墻體上、下游面第一主應力最大值為4.34，4.35MPa，墻體上、下游面第三主壓應力最大值分別為0.43，0.37MPa，墻體上、下游面第三主拉應力最大值分別為0.20，0.24MPa。

（2）工況2條件下的固后新建混凝土防滲墻上、下游面墻體第一主應力最大值分別為3.55，3.53MPa，墻體上、下游面第三主壓應力最大值為0.37，0.33MPa，墻體上、下游面第三主拉應力最大值分別為0.09，0.13MPa。

兩種工況條件下的固后混凝土新、舊防滲墻的壓、拉應力值均在混凝土強度允許范圍內，土石壩滿足防滲要求，病險除控效果較好。

4 結語

（1）綜合考慮工程安全性、加固徹底性、防滲質量可靠性等多方面因素，最終確定采用混凝土防滲墻加固的方案2。

（2）兩種工況條件下，固后混凝土新、舊防滲墻的壓、拉應力值均在混凝土強度允許范圍內，土石壩滿足防滲要求，病險除控效果較好。