楊 泉

（婁底市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，湖南 婁底 417000）

20 世紀(jì)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(xiǎn)加固中，由于水庫上游普遍淤積較為嚴(yán)重，部分水庫底涵無法開啟，從上游對防滲面板加固處理實(shí)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(dǎo)致原壩體排水管堵塞，壩內(nèi)排水系統(tǒng)失效，對大壩滲流場及應(yīng)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(nèi)排水系統(tǒng)，形成實(shí)質(zhì)上的壩體自身防滲形式，本文主要分析砌石拱壩壩內(nèi)排水失效對大壩應(yīng)力應(yīng)變影響，并形成普遍性的參考結(jié)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(nèi)，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(nèi)設(shè)置了縱橫向排水系統(tǒng)，大壩壩體內(nèi)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(zhì)條帶和中厚層灰?guī)r夾硅質(zhì)透鏡體互層，弱風(fēng)化層內(nèi)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(jù)運(yùn)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(nèi)和右壩肩透水率達(dá)到15～28 Lu，左壩肩巖體0～20 m 范圍內(nèi)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(diǎn)，漏水量達(dá)5.23 L/s；根據(jù)現(xiàn)場檢查及量測，大壩壩身滲漏狀況較嚴(yán)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(nèi)多處漏水，廊道壁上產(chǎn)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(yán)重，滲漏量較大，達(dá)到1.1 L/s，355 m 高程廊道內(nèi)積水嚴(yán)重，廊道內(nèi)未采用水泵抽水時(shí)積水甚至到達(dá)該廊道入口高程，大壩下游面有多處漏水點(diǎn)，滲漏點(diǎn)處析鈣現(xiàn)象明顯。大壩基本剖面詳見圖1，大壩相關(guān)材料參數(shù)詳見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 大江口水庫大壩橫剖面圖

2 分析計(jì)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(yán)重，導(dǎo)流低涵已經(jīng)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(shè)置有豎向排水管，如采用灌漿方式進(jìn)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(jìn)行研究，解決了除險(xiǎn)加固工程壩身自身防滲的技術(shù)瓶頸，為壩體防滲方案的順利實(shí)施做好了理論支撐準(zhǔn)備，及時(shí)總結(jié)研究該項(xiàng)研究成果并推廣，對類似除險(xiǎn)加固工程的壩身防滲處理方案制定具有指導(dǎo)意義。

2.1 主要研究內(nèi)容和目標(biāo)

1）分析、計(jì)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(yīng)力變形，并判斷是否符合規(guī)范要求。

2）分析、計(jì)算大壩在采用面板防滲時(shí)的滲流形態(tài)、滲流量、應(yīng)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(yīng)力變形，判斷采用壩身自身防滲的可靠性。

2.2 技術(shù)路線及創(chuàng)新點(diǎn)

1）基于已有資料的拱壩三維滲流仿真分析。根據(jù)大江口水庫設(shè)計(jì)資料，建立含壩內(nèi)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(jì)算分析壩體在各種靜態(tài)運(yùn)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(yīng)力變形。計(jì)算分析壩體及基礎(chǔ)的應(yīng)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(yīng)力變形及穩(wěn)定分析。①基于防滲加固方案，計(jì)算分析該情況下壩體在各種靜態(tài)運(yùn)行工況下的滲流性態(tài)；②計(jì)算分析壩體及基礎(chǔ)的應(yīng)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(jì)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?yàn)閥 軸，指向上游為正；高度方向?yàn)閦 軸，以向上為正。

計(jì)算邊界條件：計(jì)算域上、下游及左右邊界，取水平位移約束，底部取全約束。

網(wǎng)格劃分：模型網(wǎng)格采用八結(jié)點(diǎn)六面體單元，模型的單元總數(shù)90 929 個，結(jié)點(diǎn)總數(shù)97 052 個，其中壩體單元數(shù)6 540 個，結(jié)點(diǎn)數(shù)7 928 個。

3 分析計(jì)算主要成果及分析

本文以正常水位為典型計(jì)算工況對大壩滲流場進(jìn)行分析，以正常水位+溫升作為典型計(jì)算工況對壩體應(yīng)力變形進(jìn)行分析計(jì)算，得出相應(yīng)的分析計(jì)算結(jié)論。

3.1 壩體應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力。正常蓄水位＋溫升工況下，加固前后的壩體應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應(yīng)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(yīng)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(jì)算成果表

根據(jù)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(shí)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(jì)算選取的所有滑動塊體按《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 25-2006 計(jì)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(jié)論

大壩修復(fù)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(yán)重，在對大壩進(jìn)行灌漿處理，進(jìn)行壩體自身防滲且重新設(shè)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(yīng)力變形情況也隨之改變。為此對大壩加固前后進(jìn)行應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應(yīng)力較加固前增大，第三主壓應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應(yīng)力較加固前增大，第三主壓應(yīng)力減小。

3）設(shè)計(jì)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(yīng)力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應(yīng)力較加固前增大，第三主壓應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應(yīng)力較加固前減小，

第三主壓應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律基本相同，加固后的壩體第一主拉應(yīng)力較加固前增大，第三主壓應(yīng)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(yīng)力總體呈拉應(yīng)力減小、壓應(yīng)力增大的趨勢。對壩體整體分析，可知在對大壩進(jìn)行充填灌漿形成壩體自身防滲體且重新設(shè)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(dǎo)致壩踵處的拉應(yīng)力增大，但同時(shí)在左右岸重新設(shè)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(diào)作用，加固后拱壩壩體拱的效應(yīng)比梁的效應(yīng)相對減弱，反映出壩肩拱端的壓應(yīng)力減小。因此，大壩加固并重新設(shè)置左右岸帷幕后大壩整體呈拉應(yīng)力增大，壓應(yīng)力減小。此外，加固前后的等效最大拉應(yīng)力小于容許拉應(yīng)力，等效最大壓應(yīng)力小于容許壓應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。以上結(jié)果說明對大壩進(jìn)行充填灌漿形成壩體自身防滲體且重新設(shè)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(jié)果相結(jié)合的方法。由計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)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(shí)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(fù)加固且重新設(shè)置左右岸防滲帷幕的方案是合理有效的。

4 結(jié) 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(diào)整為壩體自身防滲，通過滲流場及應(yīng)力變形分析可知，應(yīng)力變形均在5%以內(nèi)，且滿足規(guī)范要求，因此，可以得出結(jié)論，拱壩壩體排水失效后對大壩應(yīng)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(jìn)行全部加固的，提出了調(diào)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(jīng)過分析研究，防滲形式調(diào)整后，對大壩的滲流場、應(yīng)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。