竹壽水庫大壩加高防滲體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫 來，賴道平，鄭惠峰

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

根據(jù)白鶴灘水電站移民安置規(guī)劃中的水源配置計(jì)劃，需對位于四川省涼山州會理縣境內(nèi)的竹壽水庫進(jìn)行擴(kuò)建。竹壽水庫擴(kuò)建工程主要由樞紐加高擴(kuò)容工程和長距離輸水工程兩部分組成。擴(kuò)建后的竹壽水庫蓄水能力增加，具有多年調(diào)節(jié)能力，對改善寧南縣工程性缺水現(xiàn)狀有著重要意義［1］。

竹壽水庫老壩采用粘土心墻碾壓石渣壩，壩頂高程2 416.10 m，大壩全長190.00 m，壩頂寬度6.0 m。上游壩坡坡比1∶2.2～1∶2.8，下游壩坡坡比1∶1.7～1∶1.9，上、下游壩腳均設(shè)堆石棱體。礫質(zhì)土心墻頂寬6.0 m，墻頂高程2 415.3 m，上下游邊坡均為1∶0.4。

2009年對原竹壽水庫大壩進(jìn)行了安全性評價(jià)，得出與大壩安全有關(guān)的主要鑒定意見如下。

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核：大壩下游壩坡在正常運(yùn)行工況及地震工況下的安全系數(shù)K都不滿足規(guī)范要求，安全等級為C級。

滲流穩(wěn)定復(fù)核：大壩心墻頂高程低于設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位，防浪墻與心墻結(jié)合不滿足要求，左壩肩岸坡裂縫發(fā)育，透水率較大，存在繞壩滲漏安全隱患，其安全級別評定為C級［2］。

擴(kuò)建工程擬在解決老壩存在的安全問題的條件下，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃要求的擴(kuò)建后正常蓄水位達(dá)到2 444.00 m的目標(biāo)。針對老壩下游壩坡穩(wěn)定安全性不滿足要求的結(jié)構(gòu)安全性問題，大壩加高布置時(shí)考慮培厚下游側(cè)壩體，并填筑模量較高的新鮮壩料于老壩壩體下游側(cè)，對老壩下游側(cè)壩坡起到壓坡固腳作用。針對老壩壩基巖層滲透率大（q=18～120 Lu），且施工時(shí)未對大壩基礎(chǔ)進(jìn)行封閉處理，存在一定安全隱患的情況，大壩加高布置時(shí)考慮對老壩的防滲系統(tǒng)進(jìn)行加固或新建。

根據(jù)國內(nèi)外老壩加高成功經(jīng)驗(yàn)［3-5］及竹壽水庫老壩實(shí)際條件，擬定的混凝土面板堆石壩加高方案布置如圖1所示。大壩加高利用原有心墻壩的擋水能力，在老壩下游面進(jìn)行堆石培厚加高，老壩心墻部位采用80 cm厚混凝土防滲墻加固，同時(shí)在防滲墻下部設(shè)加強(qiáng)基礎(chǔ)帷幕灌漿；加高堆石壩體采用鋼筋混凝土面板與趾板共同作用形成壩體的防滲體，趾板通過周邊縫及止水與面板連接；混凝土防滲墻與趾板之間設(shè)置連接板?？紤]到原竹壽大壩堆石填筑質(zhì)量較差，為使加高堆石壩河床部位趾板及連接板坐落于相對穩(wěn)定基礎(chǔ)，挖除原大壩2 407.60 m高程以上壩殼堆石，從下至上依次采用碾壓堆石、過渡料和墊層料換填至2 412.60 m高程，以此作為加高堆石壩防滲體基礎(chǔ)。

加高后大壩壩頂高程2451.0m，最大壩高98.1m，壩頂長度271.47 m，壩頂寬度10.0 m。壩體上游面坡比為1∶1.4，下游面坡比1∶1.5～1∶1.4。壩體從上游向下游依次分為：混凝土面板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游次堆石區(qū)及砌塊石護(hù)坡等區(qū)域。

2 防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如前所述，竹壽水庫大壩加高后防滲體系由防滲墻+混凝土連接板+趾板+面板組成。防滲墻與連接板、連接板與趾板間結(jié)構(gòu)縫均設(shè)為寬縫，并設(shè)置一道銅片止水和一道塑性止水，見圖1所示。同時(shí)，根據(jù)趾板布置于軟基之上的類似工程經(jīng)驗(yàn)，為避免趾板及連接板在垂直河床方向由于基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生較大應(yīng)力而形成裂縫，對河床段布置于老壩頂部的趾板及連接板結(jié)構(gòu)沿壩軸線進(jìn)行結(jié)構(gòu)分縫，分縫間距均為12 m，結(jié)構(gòu)分縫部位交錯(cuò)布置。同時(shí)在順?biāo)飨蚪Y(jié)構(gòu)分縫部位設(shè)置一道銅片止水和一道塑性止水［1］。

類比國內(nèi)外覆蓋層上面板堆石壩建壩經(jīng)驗(yàn)，防滲墻采用80 cm厚C25常規(guī)混凝土防滲墻。考慮墻體在運(yùn)行期可能出現(xiàn)的拉應(yīng)力，在墻體內(nèi)上下游側(cè)均配置一定數(shù)量的鋼筋；左右岸及河床段趾板寬度分別取為5.0 m、6.0 m和4.0 m，厚度0.6 m，河床段趾板與防滲墻之間設(shè)連接板，寬4.2 m，厚度與趾板相同?；炷撩姘宀捎?0 cm厚的C30等厚面板。

防滲體接縫包括周邊縫、垂直縫、趾板縫、連接板縫、趾板與連接板接縫、連接板與防滲墻接縫、防浪墻底縫、防浪墻伸縮縫及施工縫。根據(jù)壩體的不同部位、可能產(chǎn)生的變形和應(yīng)力的大小，接縫的結(jié)構(gòu)及止水形式分別采取了不同的型式。

3 大壩應(yīng)力變形分析

針對竹壽水庫老壩壩料物理力學(xué)參數(shù)較低、加高后大壩防滲體系結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的情況，對加高后大壩壩體尤其是大壩防滲體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維及三維靜動(dòng)力有限元分析，重點(diǎn)對加高后混凝土防滲墻、趾板、連接板和面板的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，研究大壩加高培厚施工及水庫蓄水運(yùn)行、地震等工況對防滲體（面板、趾板、連接板、止水及周邊縫等）結(jié)構(gòu)的影響，評價(jià)防滲體系的安全性與可靠性。

圖1 竹壽水庫大壩加高典型斷面Fig.1 Typical section of Zhushou reservoir dam

靜力計(jì)算采用的本構(gòu)模型為南水雙屈服模型［6］，動(dòng)力計(jì)算采用等價(jià)粘彈性模型。接觸面采用接觸摩擦模型［7］。壩料靜動(dòng)力本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)根據(jù)靜動(dòng)力試驗(yàn)成果選?。?］，計(jì)算采用的靜力參數(shù)如表1所示。

通過計(jì)算分析得出，竣工期和蓄水期壩體最大沉降分別為38.3 cm和39.9 cm，壩體指向上游最大水平位移分別為12.0 cm和7.67 cm，指向下游最大水平位移分別為4.63 cm和5.21 cm。雖然老壩心墻土及填筑石渣料的模量較低，但竣工期壩體沉降量僅為壩高的0.48%，與同類壩相比處于中等水平，一是由于空間效應(yīng)的影響，大主應(yīng)力僅為壩體自重的0.74倍，二是由于新壩壩料模量較大，壩體變形主要集中在老壩壩體內(nèi)。

蓄水后左、右岸面板軸向最大位移分別為0.50 cm和0.45 cm，面板的撓度最大值為6.37 cm，撓曲率為0.11%，在已建壩的實(shí)測撓曲率（0.02%～0.28%）［9］范圍內(nèi)，與同類壩相比處于中等偏小水平。

蓄水期面板壩軸向最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為-1.25MPa和1.74 MPa，順坡向最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為-0.68 MPa和1.86 MPa，根據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［10］，拉壓應(yīng)力均在C30素混凝土的允許范圍內(nèi)。

蓄水期趾板（連接板）壩軸向最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為-4.78 MPa和1.53 MPa，最大大主應(yīng)力和小主應(yīng)力分別為6.33 MPa和-4.80 MPa。趾板和連接板的壓應(yīng)力以及連接板的拉應(yīng)力均在C30素混凝土的允許范圍內(nèi)，但趾板與岸坡交界部位局部區(qū)域的拉應(yīng)力已超出C30素混凝土的允許值，需在該部位加強(qiáng)配筋。

蓄水期防滲墻壩軸向最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為-2.53 MPa和3.21 MPa，最大大主應(yīng)力和小主應(yīng)力分別為12.0 MPa和-1.74 MPa，均在C25素混凝土的允許范圍內(nèi)。

蓄水期防滲墻與連接板以及連接板與趾板的三向變位中，防滲墻與連接板的垂直錯(cuò)動(dòng)、壩軸向錯(cuò)動(dòng)和張開量最大值分別為37.9 mm、9.46 mm和7.12 mm；連接板和趾板板間縫的三向變位中，連接板板間縫的變形較大，順河向錯(cuò)動(dòng)、張開量和垂直錯(cuò)動(dòng)的最大值分別為5.7 mm、6.84 mm和3.22 mm；周邊縫三向變位中，切向錯(cuò)動(dòng)、沉陷和張開最大值為5.1 mm、4.6 mm和2.0 mm；面板垂直縫最大張開量為2.6 mm。現(xiàn)有的止水結(jié)構(gòu)完全能適應(yīng)這樣的變形，蓄水后止水結(jié)構(gòu)的安全性是有保障的。

圖2給出了趾板與連接板以及連接板與防滲墻之間的相對變形沿壩軸線的分布。其中壩軸向錯(cuò)動(dòng)：上游側(cè)指向河床方向?yàn)檎?；張開：順河向相對變形，張開為正；垂直錯(cuò)動(dòng)：垂直向相對變形，下游側(cè)向下為正。由圖2可以看出，壩軸向變形整體上表現(xiàn)為向河谷中央收縮，上游側(cè)指向河床部位的壩軸向變形較之下游側(cè)要大，最大水平錯(cuò)動(dòng)約為9.46 mm；在水荷載作用下，連接板和防滲墻之間接縫呈閉合狀態(tài)，趾板和連接板之間也基本呈閉合狀態(tài)，但在兩側(cè)與岸坡接觸部位，局部呈張開狀態(tài)，最大張開量為5.69 mm；由于防滲墻嵌固于基巖上，防滲墻自身的壓縮變形很小，因而連接板與防滲墻之間的錯(cuò)動(dòng)最大，最大值約為37.9 mm，趾板和連接板之間的垂直錯(cuò)動(dòng)則小很多，最大值僅為1.34 mm。

表1 壩料南水模型參數(shù)Table 1 Parameters of the dam materials in Nanshui model

圖2 趾板、連接板以及連接板、防滲墻相對變位沿壩軸線分布圖Fig.2 Distribution of relative displacement between toe slab and connecting plate,connecting plate and cutoff wall along dam axis

4 竣工期趾板沉降問題的處理措施比較

4.1 竣工期沉降計(jì)算值較大的問題

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，竹壽大壩加高總體施工程序?yàn)椋夯A(chǔ)開挖→高程2 413 m以下壩體填筑→老壩頂?shù)闹喊迨┕ぁ叱? 413 m以上壩體填筑→混凝土防滲墻施工→混凝土面板施工→連接板施工。初步分析大壩施工工期39個(gè)月，分述如下：

第1年5～10月，壩肩及基礎(chǔ)土石方開挖，工期6個(gè)月。

第1年11月～第2年11月，高程2 413 m以下壩體填筑，工期13個(gè)月。

第2年12月～第3年8月，趾板混凝土澆筑及高程2 413 m以上壩體填筑，工期9個(gè)月。其中第2年12月～第3年1月，拆除老壩高程2416.1～2407.6m，拆除高度8.5 m，工期1個(gè)月，在高程2 407.6～2 412.6 m之間換填碾壓堆石體，高5 m。

第3年9～11月，大壩預(yù)沉降3個(gè)月。

第3年12月～第4年5月，心墻加固防滲墻及墻下帷幕施工，工期6個(gè)月。

第4年4～6月，面板及防浪墻混凝土澆筑，工期3個(gè)月。

第4年7～8月，連接板混凝土澆筑及土工膜敷設(shè)，工期2個(gè)月。

針對上述大壩施工過程進(jìn)行了有限元模擬，重點(diǎn)對第3年8月2 412.6 m高程老壩趾板澆筑完成至第4年8月大壩整體施工完成期間的趾板部位沉降進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 趾板部位澆筑完成至竣工期沉降（單位：cm）Fig.3 Settlement of toe slab from pouring to completion(unit:cm)

由圖3可以看出，河床部位趾板結(jié)構(gòu)竣工期沉降整體較大，沉降最大值為17.5 cm，發(fā)生在趾板頭部；沉降最小值為15.2 cm，發(fā)生在趾板尾部；趾板沉降差較小，最大沉降差為2.3 cm?？紤]竣工期形成較大沉降原因?yàn)橹喊逑虏坷蠅涡膲Σ牧霞皦螝ど喜渴Ａ枯^低，K值分別為164.4和318.8，在趾板上部壩體填筑及面板澆筑過程中，老壩心墻及壩殼部位在上部荷載作用下沉降較大導(dǎo)致上部趾板形成較大沉降。

4.2 措施與方案比較

4.2.1 方案一：調(diào)整大壩填筑施工分區(qū)

通過調(diào)整上部壩體填筑過程來減小壩體沉降對趾板的影響：即河床段趾板及大壩上游側(cè)10 m范圍壩料在下游側(cè)大面積填筑完成后再進(jìn)行施工的方案，以期減少趾板竣工期沉降。計(jì)算得到該施工方案下趾板部位竣工期沉降，如圖4所示。

圖4 分期填筑方案趾板部位澆筑完成至竣工期沉降（單位：cm）Fig.4 Settlement of toe slab from pouring to completion in the staged-filling scheme(unit:cm)

由圖4可以看出，方案一趾板部位竣工期整體沉降較原有施工方案減少較多，沉降最大值為5.7cm，發(fā)生在趾板頭部；沉降最小值為3.6 cm，發(fā)生在趾板尾部；趾板最大沉降差為2.1 cm。

由以上計(jì)算可以得出，2 430 m高程以上壩體分期填筑方案能基本解決趾板部位竣工期沉降量過大的問題，但由施工進(jìn)度表中可以看出，該方案對大壩的施工工期影響較大，壩體分期填筑使得大壩部位工期相比原方案增加6個(gè)月，與關(guān)鍵工期僅相差1個(gè)月。因此，工期成為制約該方案的主要因素。

4.2.2 方案二：河床部位趾板分期澆筑的方案

為解決壩體填筑引起趾板沉降較大可能導(dǎo)致接縫止水破壞的問題，考慮將趾板混凝土分為兩期進(jìn)行澆筑，在2 430 m高程以上壩體填筑前先澆筑趾板頭部部位且不埋設(shè)止水，以保證小區(qū)料部位填筑密實(shí)，其余部位在2 430 m高程以上壩體整體填筑完成后進(jìn)行澆筑，河床段趾板厚度整體由60 cm增加至80 cm。

趾板分期澆筑方案可有效解決趾板沉降較大的問題，且在以往工程中得到一定的應(yīng)用，但由于趾板混凝土厚度較小，分期澆筑又存在新老混凝土結(jié)合的問題，趾板分期澆筑方案對趾板施工質(zhì)量提出了較高要求。同時(shí)考慮趾板部位應(yīng)力較大，分期澆筑面若存在澆筑質(zhì)量問題，可能造成沿分期面的裂縫。因此施工質(zhì)量控制成為了制約方案二的因素。

4.2.3 方案三：趾板基礎(chǔ)超高填筑方案

考慮以上問題，研究了第三種解決方案，即趾板一次性澆筑，同時(shí)適當(dāng)超高填筑趾板下墊層料高度，即在趾板基礎(chǔ)碾壓時(shí)考慮預(yù)留一定的至竣工期的沉降量，使大壩竣工期河床段老壩頂部趾板基本處于一條直線，不存在較大高程差。待壩體填筑到設(shè)計(jì)高程后，在澆筑混凝土面板時(shí)，可同時(shí)澆筑趾板上游連接板。

4.2.4 方案四：趾板結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

結(jié)合泰安抽蓄上庫工程中所采用的趾板型式［11］，擬定了第四種解決方案，即對趾板結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，取消趾板頭部下部結(jié)構(gòu)，以使趾板結(jié)構(gòu)能夠在2 430 m平臺高程以上壩體全部填筑完成后再進(jìn)行澆筑，使竣工期河床段趾板沉降減小為零。相比于其他解決方案，方案四能完全解決河床段趾板沉降過大的問題，但同時(shí)由于該方案所采用趾板型式在實(shí)際工程中相對較少采用，需進(jìn)一步考慮趾板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、周邊縫止水布置等。

經(jīng)以上綜合比選，方案三即趾板基礎(chǔ)超高填筑方案具有施工操作方便、對結(jié)構(gòu)安全影響較小、對施工工期影響也較小的特點(diǎn)，因此方案三為推薦方案。

5 結(jié)語

（1）竹壽水庫大壩加高工程的主要特點(diǎn)為原63.4 m高心墻土石壩上加高38.4 m，總壩高98.1 m，老壩壩高及加高高度均超過此前國內(nèi)大壩加高工程中最高的橫山水庫，為目前國內(nèi)外類似工程中規(guī)模最大。同時(shí)壩址區(qū)地震基本烈度8度，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，因此大壩加高工程在蓄水、運(yùn)行期及地震條件下的壩體不均勻變形、防滲體及止水的變形與安全、應(yīng)力與穩(wěn)定等是工程的關(guān)鍵技術(shù)問題。

（2）在竹壽水庫擴(kuò)建工程可研階段，針對擬定的老壩壩后加高培厚方案，進(jìn)行了針對性的防滲體分縫連接與止水型式的研究與設(shè)計(jì)，以適應(yīng)較大變形條件下防滲體的安全。防滲體系由防滲墻+混凝土連接板+趾板+面板組成。防滲墻與連接板、連接板與趾板間結(jié)構(gòu)縫均設(shè)為寬縫，并設(shè)置一道銅片止水和一道塑性止水。同時(shí)為避免趾板及連接板在垂直河床方向由于基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生較大應(yīng)力而形成裂縫，對河床段布置于老壩頂部的趾板及連接板結(jié)構(gòu)進(jìn)行順?biāo)飨蚪Y(jié)構(gòu)分縫，分縫間距均為12 m，結(jié)構(gòu)分縫部位交錯(cuò)布置。

（3）通過竹壽水庫老壩填筑料（礫石土心墻料、堆渣料）原位條件下的物理力學(xué)參數(shù)研究，獲得加高方案壩體變形分析參數(shù)，通過三維計(jì)算分析得到了加高后的大壩壩體與老壩壩體在竣工期、蓄水運(yùn)行期及地震工況下的壩體、混凝土防滲面板、混凝土防滲墻、混凝土趾板及接縫止水的應(yīng)力變形情況，評價(jià)蓄水條件下防滲體的安全性。計(jì)算得出加高后大壩在各工況下，大壩壩體及防滲體結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形在材料承受范圍之內(nèi)，大壩結(jié)構(gòu)及防滲體安全滿足要求。

（4）針對面板河床段趾板在施工完成至大壩竣工期間沉降較大的問題，分別研究了調(diào)整施工順序方案、趾板斷面分期施工方案、趾板下部基礎(chǔ)超高填筑方案與趾板斷面體型調(diào)整方案等四種方案，經(jīng)比選得出趾板下部基礎(chǔ)超高填筑方案較優(yōu)。