某水庫工程庫底封堵方案的比選分析

劉泳茵 龍門縣水利水電勘測設(shè)計(jì)室

水庫是水利工程中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，承載著抗旱、防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖和灌溉等一系列功能，不僅可以改善區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，更是促進(jìn)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。然而，有些水庫因?yàn)槭褂媚晗蕹L、質(zhì)量欠佳、環(huán)境影響、管理不當(dāng)?shù)纫蛩?，水庫大壩滲漏現(xiàn)象屢見不鮮，如果不進(jìn)行及時(shí)的封堵，不僅會(huì)危及水庫的整體安全，還會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。由此，制定科學(xué)合理的壩底封堵方案，是解決問題的關(guān)鍵所在。

1.水庫工程庫底封堵方案分析

1.1 比選原則

通過評估分析水庫滲漏程度得知，水庫的水量充足后向庫外滲漏的位置是斷層破碎帶，基于面積不大，并且上游來水不多，所以選擇的防滲處理方式是庫底全封閉。而在原有的庫底封堵設(shè)計(jì)中，計(jì)劃采用的封堵方案為剛性圓弧拱殼體封堵模式，混凝土規(guī)格為C25，中心厚度為4.2米，兩端厚度為2.5米。雖然該封堵模式的優(yōu)勢是封堵效果好、強(qiáng)度高，但對水庫底巖層基礎(chǔ)的要求也相對高。參考我國其他區(qū)域庫底封堵的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施方案考慮利用柔性防滲模式，其流程是進(jìn)行表土清除，碾壓夯實(shí)下層土石形成庫底持力層，之后進(jìn)行填石＋瀝青混凝土面板的柔性封堵。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

借鑒水利工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)庫區(qū)的地質(zhì)狀況，設(shè)計(jì)因地制宜的封堵方案，本工程選用的柔性封堵方案，為由上至下的四層結(jié)構(gòu)：以巨石塊料換填最底層，厚度為5米；考慮到工程區(qū)沉積層不具備足夠承載力，必須先鋪設(shè)一層巨石塊石料，厚度為2米左右，進(jìn)行碾壓夯實(shí)作為車行的道路，之后再鋪設(shè)大約3米厚的巨石塊料；將1米厚的碎石層鋪在巨石塊料上，再次碾壓夯實(shí)，在上面鋪一層0.9米厚的瀝青混凝土面板。根據(jù)本工程的設(shè)計(jì)方案，底層的巨石換填能夠構(gòu)成很好的庫底排水通道。上面的過渡層為碎石塊結(jié)構(gòu)，滲透系數(shù)大約為每秒0.010厘米，在其上面的碾壓碎石墊層大約滲透系數(shù)為每秒0.001厘米，最上面的瀝青混凝土防滲性能極好，滲透系數(shù)低于每秒10-6厘米。顯而易見，利用以上防滲措施，杜絕了使用單一瀝青混凝土地基適應(yīng)性不佳的問題，確保了防滲效果，也顯著加強(qiáng)了封堵結(jié)構(gòu)的承載力。

2.水庫工程庫底封堵施工方法確定

2.1 建模過程分析

ANSYS是一款大型商用有限元軟件，是美國ANSYS公司研制的，其功能完善而強(qiáng)大，尤其是模型的調(diào)整可以通過與CAD的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)，不僅讓網(wǎng)格劃分更有效、更合理，而且讓計(jì)算時(shí)間顯著縮短。所以，本工程實(shí)施采用的軟件為ANSYS，以本文案例工程水庫實(shí)地檢測結(jié)果以及設(shè)計(jì)方案為參考構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型。為了保證計(jì)算的高效率和穩(wěn)定性，可以適當(dāng)?shù)馗呕幚韼缀文Ｐ?，進(jìn)行模型邊界的繪制，計(jì)算模型圖的生成可以通過提取相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型完成，然后構(gòu)建網(wǎng)格。基于必須具備一定的計(jì)算效率和可靠的精度，可以對計(jì)算模型實(shí)施網(wǎng)格單元剖分，并加密處理庫底防滲的局部區(qū)域。

在本文的試驗(yàn)中，相應(yīng)水位的設(shè)定是選取兩側(cè)庫壁的表層單元和封堵結(jié)構(gòu)的頂部，并給予對應(yīng)的水壓力；淤沙荷載的施加可以選取庫底防沖層的頂部單元線，并可以視作規(guī)格為45.56 kN/m的線性壓力。模擬計(jì)算可以在兩種工況下進(jìn)行，即建成期和蓄水期。其中庫區(qū)建成使用階段常規(guī)蓄水位高度的計(jì)算，庫底與水面高度的最大位差40.07米，在這種情況下，通常是三個(gè)方面形成庫底封堵結(jié)構(gòu)承載的負(fù)荷：水壓力、封堵結(jié)構(gòu)自重和淤沙荷載。因?yàn)樗畮旖ǔ善陂g沒有蓄水，可以只考慮封堵結(jié)構(gòu)的自重負(fù)載。

2.2 結(jié)果比較分析

2.2.1 沉降量比較

通過本文構(gòu)建的有限元計(jì)算模型對防滲結(jié)構(gòu)沉降變形程度實(shí)施計(jì)算，計(jì)算的條件是兩種不同的施工方式下竣工期和運(yùn)行期的沉降情況。計(jì)算結(jié)果顯示，封堵結(jié)構(gòu)的最大沉降量，不管是建成期還是蓄水期，都會(huì)出現(xiàn)在庫底中軸線位置，也就是堆石層與過渡層相交的地方，距離該位置越近沉降量就越大，距離該部位越遠(yuǎn)，沉降量就越小。從計(jì)算結(jié)果中將沉降量最大值提取出來，結(jié)果顯示，利用分層碾壓填筑的方式最大沉降量數(shù)值偏小，沉降量減少了1.11厘米，減小幅度為5.13%；比起一次性填筑方式，沉降量減小1.70厘米，減小幅度為6.89%。所以，通過沉降量的比較，較優(yōu)的施工方式是分層填筑法。

2.2.2 兩種方式的應(yīng)力比較

水庫工程建成之后便進(jìn)入蓄水運(yùn)行階段，而且比起建成期防滲結(jié)構(gòu)應(yīng)力，運(yùn)行期更大。所以，在本文的試驗(yàn)中不但模擬計(jì)算了運(yùn)行期不同施工方式下的應(yīng)力，而且按照分析結(jié)果作為選擇施工方式的參考依據(jù)。考慮到防滲結(jié)構(gòu)不同部位都會(huì)有不同的應(yīng)力分布特征，在研究中會(huì)從模擬計(jì)算數(shù)據(jù)中分別提取模型左邊、右邊的大主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)按照計(jì)算結(jié)果繪制對比圖（見圖1，圖2）。

圖1 左大應(yīng)力對比圖

圖2 右大應(yīng)力對比圖

對比研究顯示，以上兩種施工方式的拉應(yīng)力在斷面左右兩邊變化特征差距特別明顯。如果選擇分層施工方式，該位置的拉應(yīng)力在縮減，只是占據(jù)一次性填筑方式的六分之一，足以顯示利用分層施工方式可以顯著減小防滲結(jié)構(gòu)外圍表層的拉應(yīng)力。分析中部的應(yīng)力分布狀態(tài)，不管選擇哪種方式，最大主應(yīng)力都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，并且與增加的深度成正比。對比兩種施工方式，低于3米的深度時(shí)，應(yīng)力值大的為一次性填筑方式，而如果在3米以下的深度，應(yīng)力值較大的為分層填筑方式，但二者的數(shù)值差距較小。顯而易見，采用何種施工方式對防滲結(jié)構(gòu)受壓區(qū)域沒有太大的影響，但受拉區(qū)應(yīng)力值影響很明顯，如果利用分層填筑法，受拉區(qū)域應(yīng)力值明顯偏小，這樣的狀態(tài)更有利于瀝青混凝土防滲層的高度穩(wěn)定。本文通過比較兩種施工方式的工期和成本，顯示差距不大，故而應(yīng)該選擇分層填筑的施工方案。

3.結(jié)論

本文通過以上的案例工程，結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和滲漏屬性，確定了柔性的封堵方案，即填石＋瀝青混凝土面板；針對沉降變形的狀況，利用的施工方式是沉降量較小的分層碾壓填筑的方法；分析應(yīng)力分布拉施工方式，對防滲結(jié)構(gòu)受壓區(qū)域沒有明顯的影響，而選擇分層填筑施工手段，應(yīng)力值在受拉區(qū)域內(nèi)偏小，該方式切實(shí)可行；通過比選，建議本工程選擇分層填筑的施工方案。