小峰水庫主壩除險加固有限元計算分析

蘇佩珍

【摘 要】1949年以來，我國修建的水庫及堤防以土壩（土堤）為主，但由于水文、地質(zhì)、施工質(zhì)量等多方面的原因，所以有相當(dāng)一部分的土壩（土堤）存在一定的裂縫和滲透、不穩(wěn)定等問題，影響結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行，為了處理好這些問題，采用開挖回填、灌漿等技術(shù)進(jìn)行除險加固，并對除險加固效果進(jìn)行評定。文章采用二維有限元法對除險加固后的小峰水庫主壩進(jìn)行計算，復(fù)核了高壓旋噴灌漿及帷幕灌漿防滲墻在上、下游水荷載作用下的強(qiáng)度是否滿足要求，對主壩防滲體結(jié)構(gòu)的安全性提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】土壩；除險加固；有限元計算；安全評價

【中圖分類號】TV543 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）02-0157-04

1 工程概況及主壩維修加固

小峰水庫于1977年完成初步設(shè)計，于1978年10月底動工興建，是一項邊勘測、邊設(shè)計、邊施工的“三邊工程”， 小峰水庫工程指揮部組織施工，小峰水庫主壩于1978年10月底動工，副壩工程于1981年4月動工，主壩至1982年5月基本建成，副壩施工斷斷續(xù)續(xù)，拖延至1987年年底才基本按設(shè)計剖面完成。大壩施工方式是采用專業(yè)施工隊伍和民工相結(jié)合的辦法施工。

小峰水庫主壩設(shè)計是心墻土壩，壩體于1982年5月基本建成。由于庫區(qū)位于暴雨中心區(qū)，工程施工多從安全度汛進(jìn)行安排，第一階段是先施工壩軸線至上游壩腳的度汛臨時斷面，填筑至165.0 m高程時汛期已近，為確保安全度汛而改變施工方法，采用100多臺手扶拖拉機(jī)運(yùn)土，實行三班制作業(yè)，日夜連續(xù)施工，由于無法控制心墻土料，所以改為均質(zhì)土壩。1979年汛期搶險施工常遇下雨，填土含水量偏高，難以壓實，填土施工質(zhì)量遠(yuǎn)未達(dá)設(shè)計要求。水庫于1981年試蓄水運(yùn)行，當(dāng)年庫水位最高水位達(dá)174.0 m，壩下游壩面就出現(xiàn)大面積滲漏面，高程在150.0～162.0 m，致使水庫被迫降低水位至176m以下運(yùn)行。

（1）1982年年底至1985年，沿大壩軸線進(jìn)行了充填式帷幕灌漿，但沒有明顯效果，下游坡浸潤線逸出點未見降低，范圍未見縮小。

（2）1991年小峰水庫除險加固，主壩防滲采用砼心墻方案。由于各種原因，施工斷斷續(xù)續(xù)，疏于管理，造成大部分砼心墻施工質(zhì)量很差。未達(dá)到防滲效果。以致在后幾年汛期，庫水位達(dá)175.00 m以上時，下游壩坡仍出現(xiàn)大面積的嚴(yán)重浸潤。

（3）2001年8月9日開始發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流洞內(nèi)距出口25～35 m處滲出較多濁水且?guī)в心嗌邦w粒的險情，導(dǎo)流洞內(nèi)邊墻漏水呈射流狀。同年8月12日，下游邊坡局部塌陷，出現(xiàn)重大險情，當(dāng)?shù)卣皶r組織了臨時搶險施工，控制了險情。

（4）2001年的小峰水庫除險加固，主壩采用高噴灌漿+帷幕灌漿防滲墻，同時加固項目還有主壩上游壩坡砼護(hù)坡及下游反濾體翻修、溢洪道右側(cè)土壩加寬培厚及主壩下游壩坡草皮護(hù)坡。主壩防滲墻工程共523.5 m壩長的上部高壓旋噴灌漿及下部帷幕灌漿。高壓旋噴灌漿及帷幕灌漿沿壩頂原混凝土防滲墻軸線上游布置，高壓旋噴灌漿底高程深入至全風(fēng)化花崗巖下限，帷幕灌漿由全風(fēng)化花崗巖下限（即旋噴墻底線）以上2 m至單位吸水率≤5 Lu線以下5 m。高壓旋噴灌漿共布置鉆孔633個，帷幕灌漿共布置鉆孔300個。主壩防滲墻施工高壓旋噴灌漿及帷幕灌漿采用自下而上的灌漿法，有帷幕灌漿的孔施工程序為鉆孔、帷幕灌漿、下注漿管、噴射灌漿、充填。無帷幕灌漿的孔施工程序為鉆孔、下注漿管、噴射灌漿、充填。本次加固施工效果為主壩防滲墻已經(jīng)封閉，能有效防滲，測壓管水位已全線下降，下游壩面濕潤面已完全消失；壩腳反濾棱體滲漏量減少2/3，導(dǎo)流洞滲漏量已有效削減1/3左右。但導(dǎo)流洞滲漏問題還需進(jìn)一步處理，以絕后患。

（5）2005年的導(dǎo)流洞專項加固，導(dǎo)流洞封堵采用“壩基帷幕灌漿處理及導(dǎo)流洞充填灌漿”的方案。加固后導(dǎo)流涵洞滲漏量在相同條件下減少了90%以上。本次專項加固工程其他項目還包括主壩壩腳排水棱體翻修增設(shè)下游棱體的頂部壓頂混凝土；主壩壩腳原有排水總溝及穿越消力池尾水渠左岸渠堤的涵洞擴(kuò)建；主壩壩頭山坡、壩腳平整綠化；主壩左岸、右岸上壩公路加固。

2 計算與分析

為復(fù)核小峰水庫主壩除險加固后高壓旋噴灌漿及帷幕灌漿防滲墻在上、下游水荷載作用下的強(qiáng)度是否滿足要求，對主壩壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維有限元計算分析。

2.1 有限元模型與計算參數(shù)

2.1.1 有限元計算模型

小峰水庫主壩的分區(qū)圖如圖1所示，根據(jù)《防城港市防城區(qū)小峰水庫除險加固工程灌漿試驗施工報告》（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司2002年3月），旋噴樁的有效直徑為1.0～1.2 m，孔距為0.6 m，計算中高壓旋噴灌漿防滲體的厚度取0.8 m。

采用MIDAS-GTS NX有限元軟件進(jìn)行分析計算。二維有限元計算模型采用4節(jié)點四邊形單元或者3節(jié)點三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共剖分23 849個單元，大壩二維整體網(wǎng)格剖分圖如圖2所示?；鶐r采用截斷選取，豎直方向向下截取80 m，并在其底部施加固定位移約束；水平向截斷長度為200 m，并在其截斷面上施加水平法向約束。

計算中規(guī)定整體右手坐標(biāo)系，垂直于壩軸線從上游到下游規(guī)定為X坐標(biāo)正向；沿壩體高程方向規(guī)定為Y坐標(biāo)（Y為高程）正向。

2.1.2 施工填筑過程的模擬

計算模擬施工的全過程，荷載分級按壩體填筑次序進(jìn)行，壩體施工順序為水平逐層施工，共分為8個加載步模擬壩體填筑及除險加固過程，5個加載步模擬蓄水。

2.1.3 計算工況及荷載組合

計算選用的工況有3種，分別如下。①正常工況：荷載考慮自重及水荷載，其中上游水位為182.00 m高程，下游水位為147.29 m高程；②設(shè)計工況：荷載考慮自重及水荷載，其中上游為設(shè)計洪水位183.82 m高程，下游水位為149.49 m高程；③校核工況：荷載考慮自重及水荷載，其中上游為校核洪水位185.45 m高程，下游水位為150.63 m高程。

2.1.4 計算參數(shù)選擇

本次有限元計算中壩體回填料、排水棱體均采用莫爾-庫倫模型，基巖、高壓旋噴灌漿、帷幕灌漿防滲墻均采用彈性模型，其計算參數(shù)根據(jù)已有勘探成果，并參考其他類似工程進(jìn)行確定，具體見表1。

2.2 防滲結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形計算成果及分析

高壓旋噴灌漿防滲體及帷幕灌漿防滲墻在正常工況、設(shè)計工況及校核工況下的應(yīng)力最大值見表2，其中正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。高壓旋噴灌漿防滲體及帷幕灌漿防滲墻的應(yīng)力云圖如圖3～圖5所示。

正常工況：高壓旋噴灌漿防滲體主要以受壓為主，水荷載直接作用在防滲體上，防滲體小主應(yīng)力極值為0.24 MPa，為拉應(yīng)力，位于防滲體上游側(cè)底部；防滲體大主應(yīng)力極值為-1.36 MPa，為壓應(yīng)力，位于防滲體下游側(cè)底部。帷幕灌漿防滲墻小主應(yīng)力極值為0.95 MPa，為拉應(yīng)力，位于防滲墻上游側(cè)與強(qiáng)風(fēng)化下限的接觸處；防滲墻大主應(yīng)力極值為-2.09 MPa，為壓應(yīng)力，位于防滲墻下游側(cè)與強(qiáng)風(fēng)化下限的接觸處。

設(shè)計工況：高壓旋噴灌漿防滲體主要以受壓為主，水荷載直接作用在防滲體上，防滲體小主應(yīng)力極值為0.38 MPa，為拉應(yīng)力，位于防滲體上游側(cè)底部；防滲體大主應(yīng)力極值為-1.41 MPa，為壓應(yīng)力，位于防滲體下游側(cè)底部。帷幕灌漿防滲墻小主應(yīng)力極值為1.09 MPa，為拉應(yīng)力，位于防滲墻上游側(cè)與強(qiáng)風(fēng)化下限的接觸處；防滲墻大主應(yīng)力極值為-2.11 MPa，為壓應(yīng)力，位于防滲墻下游側(cè)與強(qiáng)風(fēng)化下限的接觸處。

校核工況：高壓旋噴灌漿防滲體主要以受壓為主，水荷載直接作用在防滲體上，防滲體小主應(yīng)力極值為0.54 MPa，為拉應(yīng)力，位于防滲體上游側(cè)底部；防滲體大主應(yīng)力極值為-1.45 MPa，為壓應(yīng)力，位于防滲體下游側(cè)底部。帷幕灌漿防滲墻小主應(yīng)力極值為1.24 MPa，為拉應(yīng)力，位于防滲墻上游側(cè)與強(qiáng)風(fēng)化下限的接觸處；防滲墻大主應(yīng)力極值為-2.14 MPa，為壓應(yīng)力，位于防滲墻下游側(cè)與強(qiáng)風(fēng)化下限的接觸處。

根據(jù)《土石壩工程經(jīng)驗與創(chuàng)新》（中國電力出版社，顧淦臣、束一鳴、沈長松編著），對于高噴灌漿防滲體應(yīng)力是否滿足強(qiáng)度的判斷，采用大主應(yīng)力<抗壓強(qiáng)度，小主應(yīng)力<抗拉強(qiáng)度進(jìn)行。根據(jù)2003年除險加固施工時施工單位宏禹公司對高噴墻施工形成后的抗壓強(qiáng)度的試驗成果：凝結(jié)體2組6件均大于3 MPa，最大達(dá)到26 MPa，試驗成果均大于3種計算工況下防滲體的大主應(yīng)力最大值。對于防滲體是否會拉裂，由于缺乏抗拉強(qiáng)度試驗成果，所以目前尚不可對防滲體的拉應(yīng)力是否滿足抗拉強(qiáng)度要求進(jìn)行判斷，還有待進(jìn)一步驗證。

3 結(jié)論

1949年以來，我國修建的水庫及堤防以土壩（土堤）為主，但由于水文、地質(zhì)、施工質(zhì)量等多方面原因，有相當(dāng)部分的土壩（土堤）存在一定的裂縫和滲透穩(wěn)定等問題，影響結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行，為了處理好這些問題，采用開挖回填、灌漿等技術(shù)來進(jìn)行除險加固，并對除險加固效果進(jìn)行評定。本文采用二維有限元法對除險加固后的小峰水庫主壩進(jìn)行分析計算，3種計算工況下防滲體的大主應(yīng)力最大值均小于其抗壓強(qiáng)度試驗成果；由于缺乏抗拉強(qiáng)度試驗成果，所以對于防滲體是否會拉裂有待進(jìn)一步驗證。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]百度文庫.GTS NX通用巖土有限元分析軟件理論分析手冊[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/4c09c519

e97101f69e3143323968011ca300f73a.html，2017-08-

17.

[2]豆丁建筑.GTS NX巖土與隧洞有限元分析軟件用戶手冊[EB/OL].http：//jz.docin.com/p-1777344870.html，2016-11-07.

[3]顧淦臣，束一鳴，沈長松.土石壩工程經(jīng)驗與創(chuàng)新[M].北京：中國電力出版社，2004.