高 全 楊明化 高大水

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

0 引言

滲流是反映土壩安全狀態(tài)的重要項目，根據(jù)水利部《全國水庫垮壩登記冊》的統(tǒng)計，除漫頂外，因滲流問題而導致的土石壩垮壩是土石壩失事的最主要形式[1,2]。土石壩工程的防滲體系以其結構重要性、技術復雜性、投資比重大等因素，在水利水電工程中占有重要位置，其中混凝土防滲墻的防滲效果可靠，在壩基滲流控制、土石壩加固、土石圍堰防滲等工程中得到廣泛應用[3,4]?；炷练罎B墻是在松散透水地基或土石壩壩體中連續(xù)造孔成槽，以泥漿固壁，在孔槽內澆筑混凝土而建成的，是保證大壩安全的有力措施。

隨著我國施工水平的不斷進步，我國防滲墻技術也得到了長足的發(fā)展，但仍然存在對墻體材料研究比較單一、墻體結構計算不盡合理，致使工程設計存在較強的隨機性和經(jīng)驗性等問題。尤其在除險加固工程中[5]，深度超過60 m的超深防滲墻方面，研究還不深入[6]，由于超深防滲墻施工難度大，超深槽孔的孔斜控制、固壁泥漿材料和陡坡嵌巖技術等方面均不成熟[7]，混凝土防滲墻在高壩建設應用受到了限制，其防滲效果也有待進一步研究。

本文以目前國內土石壩壩體加固工程中最深的超深防滲墻——澄碧河心墻壩超深防滲墻(最大墻深75.2 m，成墻面積18 325 m2)為實例，綜合考慮大壩混凝土防滲墻在滲流場和應力場耦合效應以及與土體直接接觸效應的作用下，分別從有限元仿真分析和實測監(jiān)測資料兩個角度對超深防滲墻的防滲效果進行分析和評價，并結合綜合分析結果對加固過程提出改進建議，對于超深防滲墻的推廣應用具有重要意義。

1 防滲加固方案

澄碧河水庫工程是一座具有發(fā)電、防洪、養(yǎng)魚、供水等綜合利用功能的大(1)型水利樞紐工程，水庫壩址以上集雨面積2 000 km2，總庫容11.21億m3，具有多年調節(jié)性能。樞紐工程由大壩、溢洪道、引水發(fā)電管、壩后電站等建筑物組成，大壩為混凝土防滲墻與粘土心墻結合的土壩，壩頂高程190.40 m，最大壩高70.40 m，壩頂長425.0 m，壩頂寬6.0 m。工程于2011年經(jīng)鑒定為“三類壩”，書面核查認定主壩大壩左端排水溝發(fā)現(xiàn)滲流明流，大壩二級馬道存在滲漏現(xiàn)象，原大壩混凝土防滲墻連續(xù)性較差，存在縱、橫向裂縫，其透水性有增大的趨勢。為確保工程防洪安全和水庫安全可靠運行，充分發(fā)揮水庫的各項功能和效益，促進當?shù)厣鐣姆€(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展，構建新時期的和諧社會，有必要及時對澄碧河水庫大壩進行除險加固。

本次加固方案為在大壩混凝土防滲墻下游側增加一道新的混凝土防滲墻，防滲墻穿過壩體嵌入基巖，弱風化巖層入巖0.5 m，強風化巖層入巖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，最大墻深約75.2 m，中心線位于原防滲墻軸線下游側4.0 m，墻厚0.8 m，混凝土強度等級為C15，抗?jié)B標號W8?；炷练罎B墻采用沖擊鉆成槽，泥漿護壁，槽孔內采用泥漿平壓，保持槽孔穩(wěn)定。帷幕灌漿采用混凝土防滲墻預埋管、自下而上分段灌漿，帷幕灌漿安排在枯水期進行。由于壩體高程150.0 m以下為粘土心墻，在其中建造深75.2 m的混凝土防滲墻，施工難度大，防滲墻施工需要較寬的平臺才能實施，為保證施工平臺，混凝土防滲墻施工前，將壩頂開挖至高程188.20 m，使其寬度滿足施工需要。

2 加固前后防滲效果仿真分析

2.1 計算方法

假定壩體材料為非均質各向異性可壓縮材料，利用達西定律，則平面飽和—非飽和滲流的控制微分方程可表示為：

(1)

(2)

因為y是常數(shù)，式(2)可以進一步簡化為：

(3)

由于工程問題中幾何形狀和邊界條件十分復雜，解析求解困難，解決工程中的滲流問題通常采用數(shù)值方法，主要是有限元法，通過應用變分法，并對時間取隱式差分，可得有限元方程[8]：

(4)

2.2 計算過程

澄碧河水庫大壩為混凝土防滲墻壩，加固前樁號K0+128 m～K0+268 m范圍內混凝土防滲墻未能入巖，其中樁號K0+192斷面為最大壩高斷面，因此選取最大斷面作為典型斷面進行計算。壩體主要材料的滲流參數(shù)根據(jù)上述監(jiān)測成果反演確定。具體計算時選擇加固前2012年8月15日水位數(shù)據(jù)進行反演計算，采用直接分析法中的單純形法進行反演分析。反演分析的目標函數(shù)選取如下：

(5)

其中，n為測點數(shù)，dm，dc分別為實測水位和計算水位值。排水棱體和壩基巖體的滲流參數(shù)不作為反演對象，只將防滲墻和主要填筑土料的滲流參數(shù)作為反演對象。反演計算時參數(shù)初始值和反演出的滲透系數(shù)見表1。根據(jù)反演參數(shù)計算出防滲墻前后水位值與實測值的對比，計算值與實測值比較吻合，反演參數(shù)較為符合實際。

表1 澄碧河水庫大壩壩體填筑料物理性質指標反演

2.3 結果分析

對樁號K0+192斷面在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位三種典型工況下的穩(wěn)定滲流狀態(tài)進行了滲流計算，滲流計算結果見表2。加固前、后正常蓄水位工況下的等勢線見圖1。

表2 加固前后K0+192斷面滲流計算結果

根據(jù)大壩加固前后滲流計算[9]，大壩原混凝土防滲墻起到一定的防滲作用，但由于大壩原混凝土防滲墻存在質量缺陷，整體滲透系數(shù)為10-6cm/s～10-5cm/s，防滲性能不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求(滲透系數(shù)10-7cm/s)，在設計洪水位和校核洪水位時，大壩浸潤線逸出點在150.00 m左右，超過排水棱體頂高程136.00 m，存在滲流安全隱患。采用新建防滲墻加固后，浸潤線逸出點高程均在排水棱體以下，較加固前有明顯降低，防滲墻最大滲透比降也均小于允許值([J]=80)，混凝土防滲墻厚度滿足防滲要求，大壩滲流安全。

3 大壩滲流監(jiān)測資料分析

澄碧河水庫大壩以K0+192斷面作為監(jiān)測重點，在該斷面壩頂防滲墻前、防滲墻后、下游壩坡各布置1根測壓管，監(jiān)測壩體浸潤線和防滲墻防滲效果，測壓管內安裝滲壓計以實現(xiàn)自動化監(jiān)測。以防滲墻后第一根測壓管為分析對象，根據(jù)資料連續(xù)性、完整性以及可靠性[10]，選擇測壓管16作為典型測壓管(測壓管16位于主斷面偏左，新澆防滲墻后)，數(shù)據(jù)時間系列為2007年—2017年，該測壓管加固前后測壓管實測數(shù)據(jù)與上游水位關系過程線如圖2所示。

由圖2可知，自1997年至2015年，測壓管16在相近的庫水位下，隨著防滲墻使用年限的增加，該墻段的測壓管水位不斷增高，壩體滲潤線在逐漸抬高，心墻的防滲功能在減弱。結合根據(jù)地勘資料分析，系原防滲墻局部地段混凝土質量較差，存在縱、橫向及垂直向裂縫，且混凝土防滲墻未能入巖等原因造成。2015年進行除險加固后，隨著水庫蓄水，庫水位逐漸增高至接近正常蓄水位(183.41 m 2017.08.16)，表現(xiàn)出：1)從變化性態(tài)來看，加固前測壓管16測值變化呈鋸齒狀，受水位、溫度變化等因素影響明顯，加固后測值變化平緩，表面原心墻內確實存在裂縫，本次加固心墻質量較好；2)從變化過程來看，加固后，測壓管水位變幅明顯較小(162.36 m)，較加固前相同庫水位條件下(182.45 m 2015.08.10)測壓管水位(164.05 m)低了近2.0 m，加固心墻防滲效果較好；3)對比加固前后測壓管水位與仿真計算結果，雖然測值大小因參數(shù)原因存在偏差，但反映規(guī)律性基本一致，仿真計算結果可靠。

通過計算各年測壓管16水位變化與上游水位之間的相關性(如表3所示)進一步分析，加固前相關性呈逐漸增大趨勢，最大達0.87，加固后相關系數(shù)明顯減小，甚至為負值，表現(xiàn)出加固心墻隔水效果較好，與測壓管水位變化關系規(guī)律性基本一致。

表3 測壓管16加固前后測壓管實測水位與上游水位相關性統(tǒng)計表

結合現(xiàn)場檢查進行綜合分析，澄碧河壩超深防滲墻防滲效果較好，針對原防滲墻存在的裂縫和未嵌入巖基等問題，本次加固得到了很好的解決。新加固超深防滲墻質量良好，與基巖有很好銜接，超深防滲墻對原大壩滲漏問題解決效果較好，加固后大壩滲流安全性態(tài)正常。

4 結語

1)滲流異常是引起土壩失事的主要原因之一，針對澄碧河心墻壩原防滲墻連續(xù)性較差，存在縱、橫向裂縫等造成的滲流異常問題，采用超深防滲墻方案進行除險加固，方案合理、加固效果較好。

2)從仿真分析和監(jiān)測資料分析兩個角度，對加固前后大壩的滲流性態(tài)進行了全面分析，兩者相互驗證，分析結果綜合反映加固前心墻存在質量缺陷，大壩滲流安全性態(tài)異常，加固后新澆超深防滲墻質量良好，大壩滲流安全性態(tài)正常。

3)考慮到超深防滲墻還存在施工難度大、受力條件復雜、不確定因素多等特點，滲流分析還不能全面評估超深防滲墻的工作狀態(tài)，相關分析還有待進一步研究。

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