，， ，

(1.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430010； 3.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029)

1 研究背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)需要加固的大壩中土石壩占比93.3%，而土石壩壩體防滲加固采用混凝土防滲墻的占52%[1]?；炷练罎B墻能適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)條件，可在水庫(kù)不放空的條件下施工，且防滲可靠性高，越來(lái)越多的高土石壩開(kāi)始采用超深混凝土防滲墻進(jìn)行防滲加固。由于超深混凝土防滲墻受壩體應(yīng)力、庫(kù)水壓力、加固荷載、基礎(chǔ)強(qiáng)約束及河谷拱效應(yīng)等復(fù)雜外力作用，其墻身應(yīng)力應(yīng)變值會(huì)隨著深度加深而逐漸增大，受力情況變得尤為復(fù)雜，這給防滲墻物理力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)選取、施工材料配比選擇、特殊部位結(jié)構(gòu)布置、墻體安全性評(píng)判等帶來(lái)難度。

花涼亭水庫(kù)位于安徽省太湖縣境內(nèi)，是一座以防洪、灌溉為主的大(1)型水利樞紐工程，大壩始建于1958年，為黏土心墻砂殼壩，最大壩高58 m[2]。針對(duì)該壩上游壩體砂層地震液化、上游壩坡局部穩(wěn)定不足、心墻填筑質(zhì)量差、壩基分布深厚中粗砂層、下游常年滲漏涌砂等安全隱患，采取了上游幫坡壓重抗液化加固和壩體混凝土防滲墻加固等措施。由于該工程防滲墻深度大，達(dá)66.4 m，上游庫(kù)水和幫坡壓重會(huì)改變防滲墻的應(yīng)力分布，墻體安全難以評(píng)判?？紤]到目前國(guó)內(nèi)外較少研究超深混凝土防滲墻在壩體內(nèi)的位移與應(yīng)變規(guī)律，且尚未開(kāi)展大壩上游幫坡對(duì)混凝土防滲墻受力影響的研究，為此本文結(jié)合花涼亭水庫(kù)加固工程的研究成果從三維數(shù)值仿真和監(jiān)測(cè)資料驗(yàn)證等方面，分析60 m級(jí)混凝土防滲墻在經(jīng)歷大壩加固、蓄水及運(yùn)行等過(guò)程后的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，對(duì)防滲墻安全性提出判斷，為超深混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 防滲墻設(shè)計(jì)與施工

花涼亭水庫(kù)大壩采取“壩體混凝土防滲墻+壩基帷幕灌漿”防滲加固，混凝土防滲墻沿大壩黏土心墻軸線布置，防滲墻穿過(guò)壩基砂層入巖0.5～2.0 m，長(zhǎng)540 m，最大墻深66.4 m，墻厚80 cm，面積2.35萬(wàn)m2。防滲墻技術(shù)參數(shù)：黏土混凝土防滲墻，28 d立方體抗壓強(qiáng)度≥15 MPa、彈性模量≤15 000 MPa、抗?jié)B等級(jí)W8、允許滲透比降(J)≥80[2]。

混凝土防滲墻采用上部“純抓法”與壩基“鉆劈法”成槽、膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁及清孔、導(dǎo)管法澆筑混凝土等工藝施工。施工程序?yàn)閇3]：場(chǎng)地平整→構(gòu)筑施工平臺(tái)(包括澆筑槽口板)→鋪設(shè)道軌→安裝鉆機(jī)施工→抓斗(鉆劈)成槽→終孔驗(yàn)收→下設(shè)預(yù)埋管→混凝土導(dǎo)管→澆筑混凝土。為滿(mǎn)足壩基帷幕灌漿需要，沿防滲墻軸線間距1.5 m布置灌漿預(yù)埋管。大壩加固后，采用高密度電法測(cè)試了大壩混凝土防滲墻的質(zhì)量，通過(guò)實(shí)測(cè)壩體縱向電阻率分布，反演防滲墻墻體解譯圖，墻身未見(jiàn)明顯的高阻體或低阻體，墻身均勻完整[4]。

花涼亭水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程于2009年9月正式開(kāi)工，2013年12月通過(guò)了竣工驗(yàn)收。施工初期自66.5 m高程平臺(tái)外邊線往上游按1∶1.5坡比進(jìn)行水下拋石幫坡，待66.5 m高程平臺(tái)形成后，再實(shí)施以上石渣料幫坡施工(系壩體抗液化壓重加固，拋石垂直厚度≥5.5 m)，石渣料幫坡至高程80.0 m后，開(kāi)始?jí)误w混凝土防滲墻施工，其余部分水下拋石及石渣料幫坡于后期施工，加固剖面見(jiàn)圖1[2]。

圖1 花涼亭水庫(kù)大壩加固典型剖面Fig.1 Typical profile of reinforcement in Hualiangting dam

由于后期頂部石渣料幫坡和水庫(kù)蓄水會(huì)向壩體傳遞壓應(yīng)力，影響壩體混凝土防滲墻受力，對(duì)防滲墻的安全性進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

3 三維數(shù)值仿真分析

為了充分考慮河谷的空間效應(yīng)，采用三維有限元仿真模擬大壩全周期運(yùn)行過(guò)程，分析超深混凝土防滲墻在壩體應(yīng)力、庫(kù)水壓力、上游幫坡壓重和基礎(chǔ)約束等作用下的受力影響，有限元網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2[5]。

圖2 大壩三維有限元仿真計(jì)算模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of dam

3.1 計(jì)算方法

采用基于Biot固結(jié)理論的有效應(yīng)力法。①全生命周期建造過(guò)程模擬：原始大壩分級(jí)加載建造→蓄水→運(yùn)行50 a等，以獲得真實(shí)的加固前壩體應(yīng)力狀態(tài)；②加固階段過(guò)程模擬：分級(jí)加載建造混凝土防滲墻→上游幫坡→蓄水→運(yùn)行等，得到庫(kù)水位恢復(fù)至正常蓄水位時(shí)，壩體及混凝土防滲墻的撓度變形和應(yīng)力分布等相比加固前的累積增量。

3.2 土石料本構(gòu)模型及參數(shù)

采用沈珠江院士提出的南水雙屈服面彈塑性模型，該模型與非線性彈性模型相比，可以考慮土石料的剪脹和剪縮特性，從而更真實(shí)地反映壩體的應(yīng)力應(yīng)變性狀。其切線楊氏模量Et和切線體積比μt表達(dá)式分別為[5]：

Et=Ei(1-RfSl)2=

(1)

(2)

式中：Ei為初始切線模量；K為初始彈性模量系數(shù)；n為初始彈性模量隨圍壓σ3變化的冪次；c和φ分別為材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角；Rf為破壞比；Sl為應(yīng)力水平;cd為σ3=1Pa時(shí)最大體應(yīng)變；nd為體應(yīng)變隨圍壓σ3變化的冪次；Pa為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；Rd為最大體應(yīng)變發(fā)生時(shí)的應(yīng)力比；Rs=Rf·Sl。

切線體積比μt亦可由切線泊松比νt轉(zhuǎn)換得到，公式為

μt=1-2νt=

(3)

即該模型可采用G，F(xiàn)，D參數(shù)代替cd，nd，Rd參數(shù)。土石壩料模型參數(shù)見(jiàn)表1。混凝土防滲墻采用線彈性模型，彈模為22 GPa，泊松比為0.167。

表1 大壩土石料南水雙屈服面模型參數(shù)Table 1 Parameters of Shen Zhujiang’s double-yield surface model for earth-rock materials of dam

圖3 正常蓄水位下壩體及防滲墻的變形與應(yīng)力情況Fig.3 Deformation and stress of dam and cut-off wall under normal water level

3.3 計(jì)算成果分析

大壩加固后至正常蓄水位運(yùn)行時(shí)，壩體變形、防滲墻撓度和應(yīng)力分布的累積變化見(jiàn)圖3。

壩體變形(圖3(a))：①大壩沉降主要位于上游幫坡區(qū)，最大沉降量為13.7 cm；②受上部幫坡荷載自重作用，幫坡區(qū)中下部發(fā)生指向上游的位移變形，最大位移量4.2 cm；③在上游幫坡和庫(kù)水壓力綜合作用下，原壩體向下游變形，壩體中部最大位移量3.3 cm；④加固引起的老壩體變形量較小，防滲墻受壩體變形影響較小。

防滲墻撓度(圖3(b))：①受壩體變形、庫(kù)水壓力、基礎(chǔ)約束等綜合作用，防滲墻呈向下游變形趨勢(shì)，最大水平位移為3.4 cm，位于河床防滲墻中上部；②受基巖約束和底部壩體厚實(shí)等影響，底部壩體水平位移量很小，底部防滲墻的位移量也很??；③由于壩頂回填，使得頂部防滲墻發(fā)生向上游的位移，但位移量很小。

防滲墻應(yīng)力(圖3(c)、圖3(d))：①一般情況下，壩體混凝土防滲墻整體處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力位于墻體下游面底部，在6.0 MPa左右；②樁號(hào)0+350壩軸線拐彎處(見(jiàn)圖2)，防滲墻受拐彎和基巖約束作用，上游面底部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值0.82 MPa，下游面底部壓應(yīng)力增大，最大值8.1 MPa，但壓、拉應(yīng)力均在C15混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。由此說(shuō)明，壩體混凝土防滲墻沿軸線方向出現(xiàn)拐彎對(duì)其受力是不利的。

4 監(jiān)測(cè)驗(yàn)證分析

為了監(jiān)測(cè)加固后防滲墻的運(yùn)行狀況，在樁號(hào)0+158，0+225，0+333 三個(gè)斷面各布設(shè)了1組固定式測(cè)斜儀(每組6個(gè)測(cè)點(diǎn))監(jiān)測(cè)防滲墻撓度情況，在樁號(hào)0+160和0+335斷面各布設(shè)了1組應(yīng)力應(yīng)變計(jì)(每組8支應(yīng)變計(jì)和4支無(wú)應(yīng)力計(jì))監(jiān)測(cè)防滲墻應(yīng)力應(yīng)變情況。防滲墻監(jiān)測(cè)儀器布置如圖4。

圖4 防滲墻監(jiān)測(cè)儀器布置Fig.4 Layout of monitoring instruments for cut-off wall

4.1 防滲墻撓度變形

(1)2010年2月4日取得初始數(shù)據(jù)后至2015年4月18日(其中2014年7月庫(kù)水位達(dá)81.35 m)樁號(hào)0+158，0+225，0+333三個(gè)斷面防滲墻頂部最大水平位移分別為2.38，1.58，1.31 cm，防滲墻撓度變形較小。

(2)2016年7月6日，庫(kù)水位高達(dá)85.67 m，此時(shí)防滲墻撓度監(jiān)測(cè)的最大水平位移約2.40 cm，變形量仍較小，見(jiàn)表2。

(3)從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，蓄水初期(前2 a)防滲墻水平位移有所增加，后期變形趨于穩(wěn)定。

4.2 防滲墻應(yīng)力應(yīng)變

(1)如圖5，初期2010年3月—2012年3月，S11和S12應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)混凝土防滲墻的應(yīng)變量在逐漸上升，經(jīng)過(guò)初期發(fā)展，到2012年變形趨于穩(wěn)定。

(2)上游庫(kù)水位變化對(duì)防滲墻應(yīng)力的影響較小，說(shuō)明防滲墻應(yīng)力主要由壩體沉降變形產(chǎn)生。

(3)2010年3月—2015年4月，根據(jù)應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)應(yīng)變量推算的應(yīng)力變化量有限，為-1.61(S13)～2.39(S14)MPa(注：負(fù)為主壓應(yīng)力減少值、正為主壓應(yīng)力增加值)，若考慮防滲墻自重應(yīng)力，加固引起監(jiān)測(cè)部位防滲墻的應(yīng)力變化較小，不會(huì)發(fā)生拉壓破壞。

表2 高水位下防滲墻各監(jiān)測(cè)點(diǎn)撓度變形實(shí)測(cè)值

圖5 防滲墻應(yīng)變與庫(kù)水位相關(guān)變化過(guò)程線Fig.5 Correlation between strain of cut-off wall and water level of reservoir

5 仿真計(jì)算與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

(1)防滲墻撓度對(duì)比分析：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明庫(kù)水位蓄至85.67 m時(shí)防滲墻最大水平位移約2.40 cm，仿真計(jì)算表明庫(kù)水位蓄至正常蓄水位88.00 m時(shí)防滲墻最大水平位移約3.40 cm，隨著庫(kù)水位上升防滲墻撓度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但防滲墻整體位移量較小[6]，撓度對(duì)防滲墻安全影響較小。

(2)防滲墻應(yīng)力對(duì)比分析：①監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明防滲墻運(yùn)行5 a來(lái)，S13和S14應(yīng)變計(jì)所在位置的墻體應(yīng)力變化量為-1.61～2.39 MPa，上游面主壓應(yīng)力有所減少，下游面主壓應(yīng)力有所增加，但變化量均較小，這與防滲墻整體撓度變形規(guī)律一致；②仿真計(jì)算表明庫(kù)水位蓄至正常蓄水位88.00 m時(shí)，S13和S14應(yīng)變計(jì)所在位置的墻體計(jì)算大主應(yīng)力為3.12～6.78 MPa，墻體撓度變化對(duì)主應(yīng)力分布影響有限，墻體應(yīng)力處于安全范圍內(nèi)。

6 結(jié) 論

(1)沈珠江院士提出的南水雙屈服面彈塑性模型，考慮了土石料的剪脹和剪縮特性，計(jì)算分析得到壩體超深混凝土防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變較為符合實(shí)際。

(2)黏土心墻砂殼壩運(yùn)行幾十年，沉降基本完成，幫坡加固和庫(kù)水上升引起的壩體變形量較小，對(duì)混凝土防滲墻受力影響較小。

(3)對(duì)于60 m級(jí)的混凝土防滲墻，受壩體應(yīng)力、庫(kù)水壓力和自重作用引起的最大壓應(yīng)力約6 MPa，最大拉應(yīng)力<1 MPa，采用黏土混凝土防滲墻，其28 d立方體抗壓強(qiáng)度≥15 MPa、彈性模量≤15 000 MPa、抗?jié)B等級(jí)W8、允許滲透比降〔J〕≥80等控制指標(biāo)，可以滿(mǎn)足防滲墻受力和耐久性要求。

(4)對(duì)于非直線型大壩，壩軸線發(fā)生拐彎附近的底部混凝土防滲墻應(yīng)力相對(duì)集中，下游面底部壓應(yīng)力有所增大，若出現(xiàn)應(yīng)力超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)采取增設(shè)鋼筋等措施。

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