砌石拱壩壩體防滲形式變化對大壩應力影響探析

楊 泉

（婁底市水利水電勘測設計院，湖南 婁底 417000）

20 世紀60—70 年代，婁底市共建有各種砌石拱壩7 座，砌石拱壩壩身均采用上游面板防滲，由于年久失修，壩身均出現(xiàn)滲漏，在除險加固中，由于水庫上游普遍淤積較為嚴重，部分水庫底涵無法開啟，從上游對防滲面板加固處理實施難度極大且?guī)谉o可能，勢必采用對壩體灌漿變成壩體自身防滲，防滲方式的改變，會導致原壩體排水管堵塞，壩內排水系統(tǒng)失效，對大壩滲流場及應力會有一定影響，以漣源市大江口水庫砌石拱壩為例，采用壩身充填灌漿處理后，必然堵塞原有壩內排水系統(tǒng)，形成實質上的壩體自身防滲形式，本文主要分析砌石拱壩壩內排水失效對大壩應力應變影響，并形成普遍性的參考結論。

1 基本情況

大江口水庫樞紐位于漣水支流湄江上游，壩址坐落在漣源市湄江鎮(zhèn)蒿子村境內，距漣源市城區(qū)47 km。大江口水庫于1974 年破土動工，至1993 年大壩建成。

大江口水庫是一座以灌溉為主，兼有發(fā)電、供水及防洪等綜合效益的中型水利工程，樞紐工程由大壩、壩頂泄洪閘、灌溉壓力涵管和壩后電站等建筑物組成。大壩為砌石雙曲拱壩，最大壩高82 m，壩頂高程432 m，壩底寬25 m，頂寬5 m，厚高比為0.305，壩頂弧線長224.4 m。大壩采用正堰式溢洪道泄洪，泄洪閘5 孔8 m×5.2 m（弧形鋼閘門）布置于河床壩段，溢流堰堰頂高程425.00 m，堰頂凈寬40 m，大壩為上游面板防滲，防滲體后壩內設置了縱橫向排水系統(tǒng)，大壩壩體內分布有灌漿廊道，左岸392 m 高程處、右岸370 m 高程處，壩中部在355 m 高程處，廊道之間均采用踏步相連通。

大壩壩基、壩肩基巖主要為深灰色至黑灰色薄層灰?guī)r夾硅質條帶和中厚層灰?guī)r夾硅質透鏡體互層，弱風化層內巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，灰?guī)r裂隙主要為溶蝕裂隙，巖層層面上發(fā)育有小溶蝕孔。根據運行管理觀察記錄及現(xiàn)場檢查，壩基中部及右壩肩存在明顯繞壩滲漏，壩基基巖中心段0～30 m 內和右壩肩透水率達到15～28 Lu，左壩肩巖體0～20 m 范圍內透水率8.3～27.0 Lu，均不滿足要求，且右壩肩存在明顯的滲漏點，漏水量達5.23 L/s；根據現(xiàn)場檢查及量測，大壩壩身滲漏狀況較嚴重，上游防滲面板表面不平整，局部表層脫落，壩體392 m 及370 m 高程廊道內多處漏水，廊道壁上產生白色鈣化析出物，特別是在滲水較為明顯的部位，析鈣現(xiàn)象嚴重，滲漏量較大，達到1.1 L/s，355 m 高程廊道內積水嚴重，廊道內未采用水泵抽水時積水甚至到達該廊道入口高程，大壩下游面有多處漏水點，滲漏點處析鈣現(xiàn)象明顯。大壩基本剖面詳見圖1，大壩相關材料參數(shù)詳見表1。

表1 材料物理力學參數(shù)

圖1 大江口水庫大壩橫剖面圖

2 分析計算方法及模型

為解決大壩壩身滲漏的問題，有壩上游防滲面板防滲和壩體防滲兩種方式，大江口水庫由于壩體淤積嚴重，導流低涵已經淤堵，無法降水，采用上游面板加固改造防滲難度極大，擬對大江口水庫壩身滲漏采用壩體防滲的處理方式，但壩身設置有豎向排水管，如采用灌漿方式進行壩體防滲，勢必把排水管封堵，本文首次提出對壩身排水管堵塞進行研究，解決了除險加固工程壩身自身防滲的技術瓶頸，為壩體防滲方案的順利實施做好了理論支撐準備，及時總結研究該項研究成果并推廣，對類似除險加固工程的壩身防滲處理方案制定具有指導意義。

2.1 主要研究內容和目標

1）分析、計算大壩在采用灌漿處理形成壩身自身防滲狀態(tài)下的滲流形態(tài)、滲流量、應力變形，并判斷是否符合規(guī)范要求。

2）分析、計算大壩在采用面板防滲時的滲流形態(tài)、滲流量、應力變形。

3）對比分析大壩采用面板防滲和壩身自身防滲狀態(tài)下的滲流場及應力變形，判斷采用壩身自身防滲的可靠性。

2.2 技術路線及創(chuàng)新點

1）基于已有資料的拱壩三維滲流仿真分析。根據大江口水庫設計資料，建立含壩內排水系統(tǒng)的拱壩三維非線性有限元模型，基于大壩現(xiàn)況計算分析壩體在各種靜態(tài)運行工況下的滲流性態(tài)，與已有監(jiān)測資料對比，分析大江口拱壩壩身、壩基以及壩肩滲漏的可能原因，提出處理措施。

2）基于大壩現(xiàn)狀的拱壩應力變形。計算分析壩體及基礎的應力、變形規(guī)律和工作狀態(tài)。

3）基于防滲加固方案的拱壩應力變形及穩(wěn)定分析。①基于防滲加固方案，計算分析該情況下壩體在各種靜態(tài)運行工況下的滲流性態(tài)；②計算分析壩體及基礎的應力、變形規(guī)律和工作狀態(tài)。

2.3 有限元模型及邊界條件

計算模型范圍：地基向上游延伸1.5 倍壩高，向下游延伸2 倍壩高，左右兩岸向兩邊各延伸1.5 倍壩高，地基向下延伸1.5 倍壩高。其中以壩軸線（即橫河向）為x 軸，從右岸指向左岸為正；以順河向為y 軸，指向上游為正；高度方向為z 軸，以向上為正。

計算邊界條件：計算域上、下游及左右邊界，取水平位移約束，底部取全約束。

網格劃分：模型網格采用八結點六面體單元，模型的單元總數(shù)90 929 個，結點總數(shù)97 052 個，其中壩體單元數(shù)6 540 個，結點數(shù)7 928 個。

3 分析計算主要成果及分析

本文以正常水位為典型計算工況對大壩滲流場進行分析，以正常水位+溫升作為典型計算工況對壩體應力變形進行分析計算，得出相應的分析計算結論。

3.1 壩體應力應變分析

1）壩體變形。正常蓄水位＋溫升工況下，加固前后的壩體變形分布規(guī)律相同，其中順河向位移最大值增大0.54 mm，橫河向位移最大值增大0.07 mm，鉛直向位移最大值增大0.44 mm。

2）壩體應力。正常蓄水位＋溫升工況下，加固前后的壩體應力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應力較加固前有所增大，其最大值增大0.02 MPa，加固后的壩體第三主壓應力較加固前有所減小，其最大值減小0.02 MPa。

3.2 壩肩穩(wěn)定分析（表2）

表2 各種工況下三維壩肩穩(wěn)定計算成果表

根據規(guī)范要求，按照剛體極限平衡分析方法，所有滑塊組合在加固前后各種工況下的安全系數(shù)均大于規(guī)范允許的等效安全系數(shù)3.0，同時加固后各滑塊在各種工況下的安全系數(shù)基本有所增大。

計算選取的所有滑動塊體按《砌石壩設計規(guī)范》SL 25-2006 計算均滿足抗滑穩(wěn)定要求，大江口拱壩壩肩穩(wěn)定滿足要求。

3.3 主要結論

大壩修復加固前，防滲面板存在滲漏通道，左右岸防滲帷幕可能失效，大壩及壩基滲漏情況嚴重，在對大壩進行灌漿處理，進行壩體自身防滲且重新設置防滲帷幕后，滲流情況得到改善，滲透力發(fā)生改變，壩體應力變形情況也隨之改變。為此對大壩加固前后進行應力變形分析：

1）正常蓄水位＋溫降工況：加固前后的壩體變形分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體順河向位移增大，橫河向位移增大，鉛直向位移基本未變；加固前后的壩體應力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應力較加固前增大，第三主壓應力減小。

2）正常蓄水位＋溫升工況：加固前后的壩體變形分布規(guī)律相同，加固后的壩體順河向位移增大，橫河向位移增大，鉛直向位移增大。加固前后的壩體應力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應力較加固前增大，第三主壓應力減小。

3）設計洪水位＋溫升工況：加固前后的壩體變形分布規(guī)律相同，加固后的壩體順河向位移增大，橫河向位移增大，鉛直向位移增大。加固前后的壩體應力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應力較加固前增大，第三主壓應力減小。

4）死水位+溫升工況：加固前后的壩體變形分布規(guī)律相同，加固后的壩體順河向位移增大，橫河向位移增大，鉛直向位移增大。加固前后的壩體應力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應力較加固前減小，

第三主壓應力減小。

5）校核洪水位＋溫升工況：加固前后的壩體變形分布規(guī)律相同，加固后的壩體順河向位移增大，橫河向位移增大，鉛直向位移增大。加固前后的壩體應力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應力較加固前增大，第三主壓應力減小。

綜上所述，相比加固前，加固后的大壩壩體各向位移均有所增加，應力總體呈拉應力減小、壓應力增大的趨勢。對壩體整體分析，可知在對大壩進行充填灌漿形成壩體自身防滲體且重新設置左右岸防滲帷幕后，壩體及壩基滲流情況得到改善，壩體滲漏情況改善，上下游總水頭差增加，滲透體積力增大，其合力方向指向下游河床，因此壩體變形量增大。由于滲透體積力指向下游河床，其合力大小在大壩加固后有所增大，受拱壩通過梁和拱的作用平均荷載，導致壩踵處的拉應力增大，但同時在左右岸重新設置帷幕后，壩基繞壩滲流問題得到改善，左右岸基巖上下游總水頭差增加，滲透體積力增大，左右岸壩基變形量也隨之增大，通過壩基壩體的變形協(xié)調作用，加固后拱壩壩體拱的效應比梁的效應相對減弱，反映出壩肩拱端的壓應力減小。因此，大壩加固并重新設置左右岸帷幕后大壩整體呈拉應力增大，壓應力減小。此外，加固前后的等效最大拉應力小于容許拉應力，等效最大壓應力小于容許壓應力，滿足規(guī)范要求。以上結果說明對大壩進行充填灌漿形成壩體自身防滲體且重新設置左右岸防滲帷幕的方案是合理有效的。

壩肩穩(wěn)定分析采用剛體極限平衡法和有限元結果相結合的方法。由計算結果可知，所有滑塊組合在加固前后各種工況下的安全系數(shù)均大于《砌石壩設計規(guī)范》SL 25-2006 允許的安全系數(shù)3.0，大江口拱壩壩肩穩(wěn)定滿足要求。同時加固后各滑塊在各種工況下的安全系數(shù)基本有所增大，說明對大壩防滲面板修復加固且重新設置左右岸防滲帷幕的方案是合理有效的。

4 結 語

砌石拱壩由原上游面板防滲，通過加固后，原有壩體排水系統(tǒng)全部堵塞失效，調整為壩體自身防滲，通過滲流場及應力變形分析可知，應力變形均在5%以內，且滿足規(guī)范要求，因此，可以得出結論，拱壩壩體排水失效后對大壩應力影響較小。

本文針對原有砌石拱壩采用上游面板防滲且出現(xiàn)滲漏等問題，又難以對上游面板進行全部加固的，提出了調整壩體防滲形式，采用壩體自身防滲的方式解決大壩的滲漏問題，經過分析研究，防滲形式調整后，對大壩的滲流場、應力及變形影響均較小，可以作為中小型砌石拱壩壩體加固處理的參考案例。