熊美林 彭文祥

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

·水利工程·

廣西澄碧河水庫大壩防滲加固設(shè)計

熊美林1,2彭文祥1,2

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

澄碧河水庫大壩中已有混凝土防滲墻防滲，但由于運(yùn)行多年，防滲墻質(zhì)量存在缺陷，防滲效果較差，須進(jìn)行防滲加固，根據(jù)澄碧河水庫大壩的具體情況，對大壩存在的滲漏問題進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的防滲加固措施，加固效果明顯，為已有防滲墻的土壩防滲加固設(shè)計提供了參考。

澄碧河，除險加固，防滲，土石壩

1 工程概況

澄碧河水庫位于廣西百色市，距百色市城區(qū)約7 km，為大(1)型水利樞紐工程。水庫正常蓄水位185.0 m，死水位167.0 m，總庫容11.21億m3。地震基本烈度為7度。目前大壩壩頂高程190.4 m，最大壩高70.4 m，壩頂長425.0 m，壩頂寬6.0 m。大壩為粘土心墻與混凝土防滲墻結(jié)合的土壩，混凝土防滲墻厚0.8 m，墻頂高程188.2 m，墻底高程除右岸少部分為133.0 m外，其余為140.0 m，伸入粘土心墻，粘土心墻頂高程為150.0 m，最大寬約為110 m。壩體內(nèi)有兩條穿壩涵管，引水發(fā)電管及灌溉管。

澄碧河水庫大壩自運(yùn)行以來險情不斷。大壩于1958年9月動工興建，1961年10月基本建成，大壩壩頂高程188.20 m。1960年9月，大壩施工到高程185 m時，壩體出現(xiàn)裂縫，至1961年1月底，共產(chǎn)生72條裂縫，大壩下游發(fā)現(xiàn)滲水。1962年8月起對壩體進(jìn)行帷幕灌漿。1971年8月，庫水位首次達(dá)到181.5 m時，下游壩坡嚴(yán)重滲水，高程174.0 m處2個滲水點呈現(xiàn)集中射流狀，壩坡滲水面積達(dá)4 315 m2。1972年1月～5月，大壩下游坡根據(jù)壩面滲水區(qū)設(shè)導(dǎo)滲溝，導(dǎo)滲溝布置呈“Y”或“W”型，溝深1.0 m～1.2 m、寬0.6 m～0.8 m，間距7.0 m，內(nèi)填沙、卵石。上游壩坡高程174.0 m以上做粘土防滲斜墻，厚1.0 m～2.0 m，并用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡。1972年4月，開始混凝土防滲墻的設(shè)計與施工?；炷列膲?.8 m，其軸線位于壩頂中部偏下游側(cè)，墻頂高程188.20 m，深48.2 m～55.2 m，兩岸的混凝土心墻底部深入基巖1.0 m，其余位置伸入粘土心墻，但在引水發(fā)電管及灌溉管部位，混凝土心墻底部在引水管上方，分別高出兩管3.8 m和2.2 m?；炷练罎B墻施工完畢后，壩頂加高至190.40 m。由于混凝土心墻在引水發(fā)電管及灌溉管處留有缺口，且混凝土心墻54號槽孔段存在質(zhì)量缺陷，上述部位的下游壩坡仍有滲水，且當(dāng)庫水位超過180 m時，右壩肩下游側(cè)高程178 m處的山體有繞壩滲漏。因此，1987年—1998年間水庫第二次除險加固時，采用高噴灌漿對兩條引水發(fā)電管、原灌溉管周邊的混凝土防滲墻缺口和心墻54號槽孔進(jìn)行了加固，同時對兩壩肩進(jìn)行了帷幕灌漿。

2 防滲墻質(zhì)量檢測

大壩雖經(jīng)多次加固，但隨著時間的推移，墻前、墻后水位差明顯減少，仍存在較多的滲流安全隱患。目前，大壩中部下游壩坡140.5 m平臺處，長年滲水。滲水量與大壩上游水位有一定關(guān)聯(lián)。為查清大壩滲流的實際狀況，本次設(shè)計對大壩防滲墻做了較為全面的質(zhì)量檢測。通過對大壩20年來測壓管資料的分析，發(fā)現(xiàn)在相近的庫水位下，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，局部存在波速較低的部位。同時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，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個鉆孔進(jìn)行了16段壓水試驗，成果統(tǒng)計表明：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，大于設(shè)計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，混凝土防滲墻質(zhì)量存在缺陷[1]。因此，應(yīng)對大壩進(jìn)行防滲加固，見圖1。

3 防滲加固設(shè)計

澄碧河水庫大壩在加固過程中曾經(jīng)采用過下游壩坡設(shè)導(dǎo)滲溝、上游壩坡設(shè)粘土防滲斜墻的方案，但加固效果均不明顯，最后于1974年采用壩體防滲墻的措施加固。但限于當(dāng)時的施工條件，防滲墻最大深度僅為55.2 m，深入粘土斜墻，并未入巖，在兩條壩內(nèi)埋管位置，防滲墻也僅位于埋管上方，并未穿過埋管，截斷埋管處的接觸滲漏通道，為后期運(yùn)行留下了很多滲漏隱患。對于土壩的防滲措施主要有垂直防滲和水平防滲。垂直防滲能全面、系統(tǒng)、可靠的解決壩體滲流問題。垂直防滲加固措施目前應(yīng)用較為廣泛的有防滲墻和高噴灌漿兩種型式。澄碧河水庫大壩最大壩高70.4 m，防滲體最深處大于70 m，且水庫大壩經(jīng)過多年的運(yùn)行，已沉降完成。壩體下部又為粘土心墻，填筑密實，采用高噴灌漿，成墻深度達(dá)75 m以上，成墻困難。在水庫大壩98年加固時，曾對引水發(fā)電管、灌溉管及心墻54號槽孔等部位進(jìn)行過高噴灌漿，但運(yùn)行幾年后，防滲加固效果不明顯。因此，經(jīng)綜合研究，采用新建混凝土防滲墻+壩基帷幕灌漿方案對大壩進(jìn)行防滲加固。即在大壩混凝土防滲墻下游側(cè)增加一道新的混凝土防滲墻，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粘土心墻和原混凝土防滲墻的防滲功能。新建混凝土防滲墻軸線長390.0 m(樁號K0+000 m～K0+390 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，還可在兩條壩內(nèi)埋管的位置，截斷兩條埋管，防滲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，見圖2。

大壩壩基局部地段受裂隙及斷層的影響，透水率達(dá)10 Lu～43 Lu，具中等透水性，采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理。帷幕灌漿軸線與新建混凝土防滲墻中心線重合，長度445 m(樁號K0-020 m～K0+425 m)，其中防滲墻下采用墻下帷幕灌漿，該段帷幕長390 m，壩肩段采用壓漿板下灌漿，帷幕深至基巖透水率5 Lu線以下5 m，最大孔深28 m。

但由于大壩內(nèi)現(xiàn)已有防滲墻，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，必須對采用加固方案后大壩新、老防滲墻的應(yīng)力變形進(jìn)行復(fù)核計算。

4 防滲墻應(yīng)力變形分析

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

有限元計算時模擬填筑、蓄水順序為：1958年—1961年大壩建成→1970年大壩蓄水至181.5 m高程→1972年4月防滲墻施工→大壩蓄水至正常蓄水位185 m高程→大壩正常運(yùn)行38年→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→大壩蓄水至正常蓄水位185 m高程。地震動輸入采用以場地譜為目標(biāo)譜的人工合成地震波。本工程大壩以100年超越概率2%結(jié)果作為抗震設(shè)防依據(jù)。

1)加固前老防滲墻靜力作用下的應(yīng)力變形分析。通過計算分析，加固前老混凝土防滲墻的撓度變形表現(xiàn)為指向下游的變形，最大值為7.46 cm。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0.18 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年后所建設(shè)，且墻體并未嵌入基巖，墻內(nèi)應(yīng)力較小，墻體應(yīng)力滿足要求，見表1。

表1 加固前老防滲墻應(yīng)力變形值

2)加固后新、老防滲墻靜力作用下的應(yīng)力變形分析。大壩加固竣工時，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。老防滲墻墻體上游側(cè)，大壩加固完畢時大主應(yīng)力最大值0.75 MPa，小主應(yīng)力最大壓應(yīng)力值0.24 MPa，最大拉應(yīng)力值0.13 MPa，正常蓄水位下，大主應(yīng)力最大值0.48 MPa，小主應(yīng)力最大壓應(yīng)力值0.22 MPa，最大拉應(yīng)力值0.26 MPa；墻體下游側(cè)，大壩加固完畢時大主應(yīng)力最大值為1.04 MPa，小主應(yīng)力最大壓應(yīng)力0.24 MPa，最大拉應(yīng)力0.09 MPa，正常蓄水位時大主應(yīng)力最大值0.72 MPa，小主應(yīng)力最大壓應(yīng)力值0.17 MPa，最大拉應(yīng)力值為0.21 MPa。大壩加固完畢時，新建防滲墻上游側(cè)和下游側(cè)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 MPa，0.37 MPa，拉應(yīng)力最大值分別為0.09 MPa，0.24 MPa；蓄水至正常水位時，上游側(cè)和下游側(cè)墻體大主應(yīng)力最大值分別為3.56 MPa，3.52 MPa，小主應(yīng)力壓應(yīng)力最大值為0.38 MPa，0.34 MPa，拉應(yīng)力最大值分別為0.09 MPa，0.18 MPa，見表2，表3。通過上述分析，大壩加固完畢以及正常蓄水位運(yùn)行時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)。

表3 加固后新防滲墻應(yīng)力變形值(一)

3)加固后新、老防滲墻地震作用下應(yīng)力變形分析。地震作用下老防滲墻撓度變形指向下游，最大值為10.4 cm，位于墻頂；新建防滲墻撓度分布，變形指向下游，最大值為10.8 cm，位于墻頂。老防滲墻墻體動應(yīng)力隨著高程的增加而增大，最大動應(yīng)力位于墻頂。100年超越概率2%地震情況下老防滲墻上游大主應(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。靜動應(yīng)力疊加，老防滲墻上游側(cè)壓應(yīng)力最大值為3.98 MPa，拉應(yīng)力最大值為2.48 MPa，下游側(cè)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?？紤]混凝土的

動態(tài)強(qiáng)度要比靜態(tài)強(qiáng)度高30%以上，可見，發(fā)生100年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)力隨地震過程動態(tài)變化，最大動應(yīng)力只是瞬時作用，不能與靜應(yīng)力等同看待，此外，由于未模擬拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度后混凝土出現(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發(fā)生嚴(yán)重的拉裂破壞。

100年超越2%地震概率水平情況下新建防滲墻上游側(cè)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；下游側(cè)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。最大值均發(fā)生在墻頂。新建防滲墻上、下游側(cè)靜動應(yīng)力：上游側(cè)最大壓應(yīng)力為4.62 MPa，最大拉應(yīng)力為2.17 MPa，下游側(cè)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，見表4，見表5。

表4 加固后老防滲墻應(yīng)力變形值(二)

表5 加固后新防滲墻應(yīng)力變形值(二)

發(fā)生100年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，但考慮到最大動應(yīng)力只是瞬時作用，因此可以認(rèn)為該強(qiáng)度地震不會導(dǎo)致該部位混凝土發(fā)生嚴(yán)重拉裂破壞。

通過計算分析認(rèn)為大壩防滲墻位置布置合理，竣工期、運(yùn)行期以及地震作用下，均不會發(fā)生破壞。

5 結(jié)論和建議

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。病險水庫大壩除險加固工程中防滲加固設(shè)計是工程中的重要方面，也是決定加固是否成功的關(guān)鍵因素。我國眾多的病險水庫大壩普遍存在滲漏和滲透穩(wěn)定的病害問題。且很多存在滲漏和滲透問題的土壩中已經(jīng)建有防滲墻，澄碧河水庫大壩防滲加固設(shè)計的成功實施，對這種已有防滲墻的土壩防滲加固具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

[1] 李 亮，徐復(fù)興，高建華.廣西澄碧河水庫混凝土防滲墻質(zhì)量檢測與評價[J].人民長江，2011，42(22)：65-67.

Analysisonstress-deformationofdiaphragmwallforthedamofGuangxiChengbiriverreservoir

XiongMeilin1,2PengWenxiang1,2

(1.ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan430010,China； 2.NationalDamSafetyResearchCenter,Wuhan430010,China)

The dam of Chengbi river reservoir has a concrete diaphragm wall, but it has quality defects because of operating so many years. The seepage prevention is becoming less effective, so have to reinforce the anti-seepage system. According to the specific conditions of the dam of the reservoir, the seepage problems of the dam are analyzed, the corresponding anti-seepage reinforcement measures are put forward. The reinforcement effect is obvious. Offers a reference for the application to reinforce the anti-seepage system of the earth-dam which has the old diaphragm wall.

Chengbi river, danger elimination and reinforcement, seepage control, earth-dam

1009-6825(2017)32-0192-03

2017-09-05

熊美林(1984- ),女，工程師； 彭文祥(1987- )，男，工程師

TV641.2

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