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(xué)研究院，武漢 430070）

土石壩防滲問(wèn)題一直以來(lái)都是壩工界關(guān)注的重點(diǎn)[1-2]。其中土石壩混凝土防滲墻的修復(fù)是土石壩防滲加固的重要手段，對(duì)此國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了較為深入的研究[3]。然而，由于水利工程的獨(dú)特性，使得水庫(kù)工程具有不同的地形條件、結(jié)構(gòu)形式等，土石壩防滲所采用的修復(fù)方案不盡相同，加固后病險(xiǎn)除控效果并不理想[4-6]。為此，對(duì)土石壩混凝土防滲墻加固效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析具有重要意義。

在進(jìn)行土石壩數(shù)值分析時(shí)，若考慮滲流體力這一因素，則模擬結(jié)果更符合大壩服役真實(shí)狀況，而對(duì)此方面的研究鮮卻有報(bào)道[7]?；谏鲜霰尘埃谇叭搜芯康幕A(chǔ)之上，依托某水庫(kù)大壩工程，筆者提出并對(duì)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(zhì)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(jì)算，推薦方案固后加入混凝土防滲墻的土石壩應(yīng)力、變形分析。

1 工程概況

某水庫(kù)位于湖北省境內(nèi)，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(jié)合心墻，連續(xù)性較差，其壩頂高程為90m，最大壩高、壩頂長(zhǎng)、壩頂寬分別為70，425，6m。經(jīng)安全評(píng)估，該水庫(kù)大壩壩體內(nèi)的混凝土防滲墻未形成一道阻水屏障，連續(xù)性較差，局部出現(xiàn)滲透坡降值小于允許值，但未見(jiàn)壩基滲透變形或繞壩滲漏問(wèn)題； 但左岸灌溉渠內(nèi)的水經(jīng)過(guò)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(duì)左壩岸坡的穩(wěn)定存在一定的安全隱患。

2 加固方案比選

根據(jù)水庫(kù)大壩的實(shí)際服役狀況，提出了兩個(gè)水庫(kù)大壩防滲加固方案。方案1：壩體內(nèi)高壓旋噴灌漿方案。方案2：在舊防滲墻基礎(chǔ)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(shí)，防滲墻底部土體受到擾動(dòng)，對(duì)舊防滲墻會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此，經(jīng)工程安全性、施工控制等方面進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定采用方案2進(jìn)行防滲墻加固。

3 數(shù)值仿真計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算過(guò)程中，雙屈服面彈塑性模型[4-5]及等價(jià)黏彈性模型[6-8]分別用于土石壩的靜、動(dòng)力計(jì)算，混凝土防滲墻則采用線彈性模型。

3.2 網(wǎng)格剖分、邊界條件

由于壩體內(nèi)設(shè)置了材料分區(qū)，壩內(nèi)輪廓線呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，為了適應(yīng)這種變化，在對(duì)壩體二維有限元網(wǎng)格剖分時(shí)，主要以4結(jié)點(diǎn)等參單元為主，局部網(wǎng)格輔以3結(jié)點(diǎn)三角形單元?；炷练罎B墻沿順河向共劃分3排單元，壩體共剖分實(shí)體單元823個(gè)，結(jié)點(diǎn)782個(gè)，壩體網(wǎng)格剖分如圖1。為更加真實(shí)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(jì)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(wǎng)格剖分

3.3 計(jì)算參數(shù)及工況

壩料動(dòng)力計(jì)算參數(shù)參考地勘報(bào)告，部分缺失數(shù)據(jù)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(shù)參考類似工程選取，最終采用的計(jì)算參數(shù)如表2。

表2 壩料動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

計(jì)算條件設(shè)置兩種工況：

（1）工況1：大壩固后竣工時(shí)165m水位。

（2）工況2：正常蓄水位185m。

將兩種工況下土石壩穩(wěn)定滲流場(chǎng)所形成的壩體滲透壓力在計(jì)算過(guò)程中作為計(jì)算荷載施加于大壩壩體，計(jì)算時(shí)考慮的荷載為：自重、滲透體力、地震荷載。

3.4 防滲墻應(yīng)力變形

計(jì)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(guò)計(jì)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(duì)兩種工況條件下進(jìn)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(yīng)力分布

圖6 舊防滲墻下游面應(yīng)力分布

圖7 新建混凝土防滲墻上游面應(yīng)力分布

圖8 新建混凝土防滲墻下游面應(yīng)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(guī)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(yīng)力分布規(guī)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(yīng)力最大值為0.75MPa，第三主壓、拉應(yīng)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(yīng)力最大值為0.48MPa，第三主壓、拉應(yīng)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(yīng)力最大值為1.04MPa，第三主壓、拉應(yīng)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(yīng)力最大值為0.72MPa，第三主壓、拉應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)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(yīng)力最大值為4.34，4.35MPa，墻體上、下游面第三主壓應(yīng)力最大值分別為0.43，0.37MPa，墻體上、下游面第三主拉應(yīng)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(yīng)力最大值分別為3.55，3.53MPa，墻體上、下游面第三主壓應(yīng)力最大值為0.37，0.33MPa，墻體上、下游面第三主拉應(yīng)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(yīng)力值均在混凝土強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，土石壩滿足防滲要求，病險(xiǎn)除控效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）綜合考慮工程安全性、加固徹底性、防滲質(zhì)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(yīng)力值均在混凝土強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，土石壩滿足防滲要求，病險(xiǎn)除控效果較好。