廣西澄碧河水庫大壩防滲墻應(yīng)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(qū)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(fā)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(shè)計(jì)為碾壓式黏土心墻壩，但黏土心墻填筑到高程 150.0 m時(shí)，由于黏土料儲(chǔ)量不足，上部填筑為均質(zhì)土壩。運(yùn)行后，在壩體內(nèi)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(jié)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(cè)，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(fā)電管及灌溉管部位，為了不損壞引水管，混凝土防滲墻底設(shè)在引水管及灌溉管上方。防滲墻材料以混凝土為主，為適應(yīng)變形，在混凝土中摻入15%～20%優(yōu)質(zhì)黏土改善混凝土力學(xué)性能，增加其柔性。大壩混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 大壩混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)

考慮到大壩混凝土防滲墻運(yùn)行已達(dá)40 a，在2011年的水庫除險(xiǎn)加固勘測設(shè)計(jì)中，勘測單位對其做了較為全面的質(zhì)量檢測。通過對大壩20 a測壓管資料的分析，發(fā)現(xiàn)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(gè)鉆孔，使用孔內(nèi)超聲波檢測法對其進(jìn)行了無損檢測。孔內(nèi)聲波檢測表明：混凝土防滲墻連續(xù)性較差，局部部位波速較低。同時(shí)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(zhì)量不均勻，砂漿質(zhì)量較差，振搗不密實(shí)，巖芯為散塊狀，卵礫石骨料與砂漿膠結(jié)差，表面粗糙，多蜂窩麻面，橫向裂縫及縱向裂縫發(fā)育。另外，對混凝土防滲墻上4個(gè)鉆孔進(jìn)行了16段壓水試驗(yàn)，成果統(tǒng)計(jì)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(shè)計(jì)對混凝土防滲墻的防滲要求。綜上所述，大壩防滲墻質(zhì)量不均勻，局部存在裂縫，質(zhì)量有缺陷。因此，應(yīng)對大壩進(jìn)行防滲加固。

表1 靜力計(jì)算參數(shù)

注：c、Φ0、ΔΦ均為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；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(jì)算切線泊松比的3個(gè)參數(shù)。

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(cè)增設(shè)一道混凝土防滲墻，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(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(nèi)兩條埋管進(jìn)行截?cái)啵狗罎B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(qū)，為確保大壩工程安全，必須對大壩防滲墻的應(yīng)力變形進(jìn)行研究。

圖2 大壩混凝土防滲墻加固(單位：cm)

2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取壩料靜力計(jì)算參數(shù)，防滲墻周邊的泥皮單元和底部沉渣單元參數(shù)參考文獻(xiàn)資料選取。動(dòng)力計(jì)算參數(shù)根據(jù)壩料靜力特性并結(jié)合工程類比選取。采用的計(jì)算參數(shù)見表1，2。

大壩應(yīng)力變形計(jì)算采用基于Biot固結(jié)理論的有效應(yīng)力有限元分析方法。其中，土體靜力計(jì)算采用“南水”雙屈服面彈塑性模型，動(dòng)力計(jì)算采用等價(jià)粘彈性模型，混凝土防滲墻采用線彈性模型。

在進(jìn)行平面限元網(wǎng)格剖分時(shí)，實(shí)體單元采用4結(jié)點(diǎn)等參單元，為適應(yīng)邊界條件及壩料分區(qū)變化，部分采用三角形單元處理，圖3為有限元網(wǎng)格圖，共形成實(shí)體單元779個(gè)，結(jié)點(diǎn)739個(gè)。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(shè)置3 cm厚泥皮單元，墻底設(shè)置15 cm厚沉渣單元。

2.2 計(jì)算參數(shù)

有限元計(jì)算時(shí)模擬填筑、蓄水順序?yàn)椋?958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(yùn)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(dòng)力計(jì)算參數(shù)

注：k1、k2為動(dòng)剪常數(shù)；Gd為動(dòng)剪切模量；c1、c2、c3、c4、c5為5個(gè)計(jì)算常數(shù)，由殘余變形試驗(yàn)，即不同應(yīng)力狀態(tài)下軸向應(yīng)變與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線和體積應(yīng)變與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線得出。

圖3 有限元網(wǎng)格剖分

地震動(dòng)輸入采用以場地譜為目標(biāo)譜的人工合成地震波。該工程大壩以100 a超越概率2%結(jié)果作為抗震設(shè)防依據(jù)。場地基巖主要設(shè)計(jì)地震參數(shù)見表3。地震動(dòng)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(dòng)輸入峰值加速度取水平向的2/3。地震持續(xù)時(shí)間取36 s。

表3 場地基巖主要設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)

注：Am為地震動(dòng)峰值加速度；βm為動(dòng)力系數(shù)最大值；T1為反應(yīng)譜拐點(diǎn)周期；Tg為特征周期；γ為衰減系數(shù)。

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(yīng)力變形分析

通過計(jì)算分析，加固前老混凝土防滲墻的撓度變形表現(xiàn)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(yīng)力分布(加固前)

圖5分別為加固前老防滲墻上、下游面應(yīng)力分布圖。由圖可見，老混凝土防滲墻上、下游面大主應(yīng)力最大值分別為 0.36 MPa，0.34 MPa，小主應(yīng)力總體為拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力數(shù)值不大，上、下游面拉應(yīng)力最大值分別為 0.21 MPa、0.50 MPa。老防滲墻壓、拉應(yīng)力均在C15混凝土強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。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(nèi)應(yīng)力較小。墻體應(yīng)力雖滿足要求，但由于存在施工質(zhì)量缺陷，滲透性能較差。

4 加固后新、老防滲墻應(yīng)力變形分析

4.1 靜力作用下應(yīng)力變形分析

圖6為大壩竣工期(大壩加固完畢)以及運(yùn)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(shí)，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(yīng)力分布

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

圖8 老防滲墻下游應(yīng)力分布

圖9 新建防滲墻上游面應(yīng)力分布

圖9、圖10為新建防滲墻上游面、下游面的應(yīng)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(yīng)力最大值均為4.34 MPa，小主應(yīng)力壓應(yīng)力最大值分別為0.43,0.37 MPa，拉應(yīng)力最大值分別為0.09,0.24 MPa；②運(yùn)行期，上游面和下游面墻體大主應(yīng)力最大值分別為3.56 Pa、3.52 MPa，小主應(yīng)力壓應(yīng)力最大值為0.38,0.34 MPa，拉應(yīng)力最大值分別為0.09，0.18 MPa。

圖10 新建防滲墻下游面應(yīng)力分布

通過上述分析，大壩竣工期及運(yùn)行期老防滲墻和新建防滲墻的壓、拉應(yīng)力均在C15混凝土強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。

4.2 地震作用下應(yīng)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(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)力分布圖。墻體動(dòng)應(yīng)力隨著高程的增加而增大，最大動(dòng)應(yīng)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(yīng)力最大值為 3.67 MPa，小主應(yīng)力(拉應(yīng)力)最大值為 2.23 MPa；下游面大主應(yīng)力最大值為3.65 MPa，小主應(yīng)力(拉應(yīng)力)最大值為 2.22 MPa。

圖14 老防滲墻靜動(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)力疊加，見圖14。靜動(dòng)應(yīng)力疊加后，老防滲墻上游面壓應(yīng)力最大值為3.98 MPa，拉應(yīng)力最大值為 2.48 MPa；下游面壓應(yīng)力最大值為4.08 MPa，拉應(yīng)力最大值為 2.43 MPa。最大值均發(fā)生在防滲墻頂部。

考慮到混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度比靜態(tài)強(qiáng)度至少高30%，發(fā)生100 a 2%概率地震，老防滲墻的壓應(yīng)力在C15抗壓強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，墻體不會(huì)發(fā)生壓裂破壞，頂部附近的拉應(yīng)力則超出了C15抗拉強(qiáng)度，但由于墻體應(yīng)力隨地震過程動(dòng)態(tài)變化，最大動(dòng)應(yīng)力只是瞬時(shí)作用，不能與靜應(yīng)力等同看待，此外，由于未模擬拉應(yīng)力在超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土出現(xiàn)破損后的應(yīng)力調(diào)整，拉應(yīng)力為累加應(yīng)力，故所計(jì)算出的拉應(yīng)力峰值是偏大的，因此可以認(rèn)為該部位混凝土并不會(huì)發(fā)生嚴(yán)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(dòng)應(yīng)力分布圖，新建防滲墻上游面大主應(yīng)力最大值為3.75 MPa，小主應(yīng)力(拉應(yīng)力)最大值為1.97 MPa；下游面大主應(yīng)力最大值為3.77 MPa，小主應(yīng)力(拉應(yīng)力)最大值為1.96 MPa。最大值均出現(xiàn)在墻頂。

圖15 新建防滲墻最大動(dòng)應(yīng)力分布

圖16 新建防滲墻靜動(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)力疊加圖如圖16所示。疊加后，上游面最大壓應(yīng)力為4.62 MPa、最大拉應(yīng)力為2.17 MPa；下游面最大壓應(yīng)力為4.59 MPa、最大拉應(yīng)力為2.20 MPa。最大值均發(fā)生在防滲墻頂部。

發(fā)生100 a 2%概率地震，新建防滲墻的壓應(yīng)力在C15抗壓強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，墻體不會(huì)發(fā)生壓裂破壞，頂部附近的拉應(yīng)力則超出了C15抗拉強(qiáng)度，但考慮到最大動(dòng)應(yīng)力只是瞬時(shí)作用，因此可以認(rèn)為該強(qiáng)度地震不會(huì)導(dǎo)致該部位混凝土發(fā)生嚴(yán)重拉裂破壞。

5 結(jié)論和建議

通過采用靜、動(dòng)力有限元法模擬大壩建設(shè)、加固和水庫蓄水運(yùn)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(yīng)力變形特性，得出如下結(jié)論：

(1) 大壩現(xiàn)狀運(yùn)行時(shí)。老混凝土防滲墻墻體應(yīng)力在混凝土材料強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。

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

(3) 大壩運(yùn)行期。新、老防滲墻應(yīng)力均在混凝土材料強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。

(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(dòng)應(yīng)力隨著高程的增加而增大，地震時(shí)老防滲墻和新建防滲墻的壓應(yīng)力小于C15混凝土允許抗壓強(qiáng)度，墻體壓應(yīng)力滿足要求，但墻頂附近拉應(yīng)力較大，有所超標(biāo)；由于最大動(dòng)應(yīng)力只是瞬時(shí)作用，不能與靜應(yīng)力等同看待，且由于未模擬拉應(yīng)力在超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土出現(xiàn)破損后的應(yīng)力調(diào)整，拉應(yīng)力為累加應(yīng)力，所計(jì)算出的拉應(yīng)力峰值偏大，因此可以認(rèn)為該部位混凝土并不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的拉裂破壞現(xiàn)象。

綜上所述，通過對防滲墻的應(yīng)力變形分析，新、老防滲墻在加固后不會(huì)發(fā)生破壞，認(rèn)為澄碧河水庫大壩防滲設(shè)計(jì)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(xiàn)塌孔、上下游壩坡及壩頂開裂等現(xiàn)象。2015年5月新建混凝土防滲墻完工至今運(yùn)行良好，下游壩坡未發(fā)現(xiàn)滲水等現(xiàn)象。目前國內(nèi)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(shí)施對已有防滲墻的土壩防滲加固具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。