吳 楚

（江西省水投建設(shè)集團(tuán)有限公司，城市 南昌 330000）

0 引言

伴隨中國(guó)水利水電工程建設(shè)的快速發(fā)展，水庫(kù)大壩的穩(wěn)定性成為影響水庫(kù)安全運(yùn)營(yíng)的主要影響因素，水庫(kù)大壩的防滲問(wèn)題也引發(fā)了越來(lái)越多的學(xué)者研究。徐穎等基于ABAQUS數(shù)值模擬研究了瀑布溝礫石圖心墻土石壩滲流場(chǎng)特性。結(jié)果表明，當(dāng)防滲墻滲透系數(shù)較小時(shí)，主、副墻滲透系數(shù)變化對(duì)壩基滲流分布影響可以忽略。常利營(yíng)等基于數(shù)值模擬研究了礫石土粗粒含量對(duì)高土石壩蓄水期滲流的影響。結(jié)果表明，在均勻蓄水情況下，壩體心墻內(nèi)最大滲透坡降隨蓄水速度的增加顯著增大，實(shí)際工程中應(yīng)合理考慮蓄水速度。寧威鋒基于COMSOL計(jì)算了水庫(kù)土石壩體滲流特征，給出了合理的防滲措施。研究結(jié)果可為水利工程中防滲墻設(shè)計(jì)及滲流分析提供參考。張守仁基于Geo-studio軟件建立了土石壩計(jì)算模型，系統(tǒng)對(duì)比了僅考慮飽和滲流與考慮飽和-非飽和滲流狀態(tài)下土石壩穩(wěn)定性異同。研究結(jié)果表明，考慮飽和-非飽和滲流狀態(tài)下土石壩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果比僅考慮飽和滲流狀態(tài)更為合理。

考慮到目前在進(jìn)行土石壩相關(guān)分析中，大多數(shù)的研究不能較好地模擬滲流體力相關(guān)因素。文中在前人的研究基礎(chǔ)上，依托某大型水利工程，針對(duì)大壩防滲墻滲漏問(wèn)題，提出加固方案，系統(tǒng)地分析了不同計(jì)算工況下防滲墻的加固效果，文中的研究可為防滲墻的設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供工程參考。

1 工程概況

文中研究的土石壩為典型均值土石壩，壩高200m，頂寬15m，土石壩上游坡比為1:2.8，下游坡比為1:2.5。該土石壩屬于大（1）型水壩。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，由于壩體內(nèi)部的混凝土防滲墻形成隔水屏障導(dǎo)致局部出現(xiàn)繞流滲漏問(wèn)題，對(duì)大壩的安全運(yùn)營(yíng)造成一定的威脅。

為保證大壩的安全運(yùn)營(yíng)，經(jīng)技術(shù)論證，提出兩套壩體加固方案。其中方案一：通過(guò)壩體內(nèi)高壓螺旋噴漿技術(shù)進(jìn)行加固；方案二：新建防滲墻進(jìn)行加固。針對(duì)方案一，考慮到高壓螺旋噴漿技術(shù)會(huì)造成墻體底部不可逆的損傷。相關(guān)研究表明，混凝土防滲墻在防滲效果以及和壩體在變形協(xié)調(diào)方面均比較好，另外，混凝土防滲墻可以大大減小塑性區(qū)體積?？紤]到高壓螺旋噴漿技術(shù)和混凝土防滲墻的優(yōu)缺點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)充分論證，擬采用新建防滲墻進(jìn)行加固處理手段進(jìn)行處理。

2 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)壩體典型剖面建立數(shù)值計(jì)算模型。其中順河流方向設(shè)為x 軸，高度方向?yàn)閦 軸。網(wǎng)格主要采用4 節(jié)點(diǎn)單元。數(shù)值計(jì)算中，為了提高計(jì)算效率，假定土石壩為不透水地基。此外，此次數(shù)值模擬及邊界條件忽略了壩體與基巖間的相互作用。數(shù)值計(jì)算的巖土體力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得，主要材料的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)匯總表

為充分研究不同工況下防滲墻的內(nèi)力和變形情況，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況制定了兩種工況：工況一：大壩加固竣工后蓄水位為165 m時(shí)的工況；工況二：大壩運(yùn)營(yíng)正常蓄水位為185 m時(shí)的工況。

3 結(jié)果與分析

3.1 防滲墻變形響應(yīng)

圖1得到工況以下的壩體孔隙水壓力分布圖。結(jié)果表明，在大壩竣工后蓄水位為165 m 時(shí)孔隙最大滲透壓力為0.57MPa，且滲透壓力的最大值出現(xiàn)在壩體中心底部。而工況二大壩運(yùn)營(yíng)正常蓄水位為185m 下的孔隙最大滲透壓力為0.68 MPa?？傮w來(lái)看，兩種工況下的滲透壓力分布規(guī)律基本相同。

圖1 工況一下壩體的孔隙水壓力

圖2 得到在不同工況下加固前后壩體位移分布規(guī)律。結(jié)果表明，在其他條件相同的情況下，加固后的壩體位移在兩種工況下均有明顯減小。加固前后防滲墻的位移隨墻高度的增加而增大，對(duì)于防滲墻未加固的工況一而言，防滲墻在墻底的位移基本為零，在工況二下墻底的位移顯著增大至3.90 cm；加固后防滲墻在墻底的位移基本為0，而在工況二下墻底的位移仍然趨于0；證明采用本文推薦的方案對(duì)墻底巖土體的破壞作用非常小。此外，對(duì)于加固前后墻頂位移而言，加固前在工況一下墻頂位移為5.20 cm，在工況二下墻頂位移為11.30 cm，而對(duì)于加固前后在工況一下墻頂位移為4.10 cm，在工況二下墻頂位移為9.90 cm。綜合來(lái)看，加固前后防滲墻的變形均比較小，防滲墻墻底位移顯著小于墻頂位移。但根據(jù)結(jié)果來(lái)看，防滲墻加固后的變形相對(duì)于加固前的變形有所減小，證明加固效果明顯。

圖2 加固前后壩體位移圖

3.2 防滲墻應(yīng)力響應(yīng)

前文對(duì)比分析了不同工況下加固前后防滲墻的變形規(guī)律。為進(jìn)一步確定不同工況下防滲墻內(nèi)力分布規(guī)律。文中計(jì)算了不同工況下防滲墻加固前后的內(nèi)力分布見(jiàn)圖3-圖6。

圖3 加固前防滲墻上游應(yīng)力分布圖

圖3和圖4得到在不同工況下加固前防滲墻上游和下游應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明，在其他條件相同的情況下，工況一下加固前防滲墻上游和下游的第一主應(yīng)力最大值分別為0.69 MPa和0.74 MPa；工況二下加固前防滲墻上游和下游的第一主應(yīng)力最大值分別為0.42 MPa和0.50 MPa；工況一下加固前防滲墻上游和下游的第三主應(yīng)力最大值分別為0.23 MPa 和0.21 MPa；工況二下加固前防滲墻上游和下游的第三主應(yīng)力最大值分別為-0.10 MPa和0.18 MPa。

圖4 加固前防滲墻下游應(yīng)力分布圖

圖5和圖6得到在不同工況下加固后防滲墻上游和下游應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明，在其他條件相同的情況下，工況一下加固后防滲墻上游和下游的第一主應(yīng)力最大值分別為4.2MPa和4.20 MPa；工況二下加固后防滲墻上游和下游的第一主應(yīng)力最大值分別為3.50 MPa 和3.7MPa；工況二下加固后防滲墻上游和下游的第三主應(yīng)力最大值分別為0.40 MPa和0.40 MPa；工況二下加固前防滲墻上游和下游的第三主應(yīng)力最大值分別為0.50 MPa和0.48 MPa。

圖5 加固后防滲墻上游應(yīng)力分布圖

圖6 加固后防滲墻下游應(yīng)力分布圖

綜合來(lái)看，兩種工況下加固后防滲墻的防滲能力有所提高，墻體的拉、壓應(yīng)力均在混凝土強(qiáng)度的允許范圍內(nèi)。因此，加固后的防滲墻可以滿足規(guī)范要求的安全性要求。

4 結(jié)論

文中采用數(shù)值模擬研究了土石壩防滲墻加固效果。分析了防滲墻加固前后的內(nèi)力及變化規(guī)律。結(jié)果表明：新建混凝土防滲墻具有防滲效果好，經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)點(diǎn)。加固后的壩體位移、及變形明顯減小，防滲墻墻底位移顯著小于墻頂位移，防滲墻的防滲效果均能滿足規(guī)范要求，防滲墻的拉壓應(yīng)力均小于混凝土的允許承載力?；炷练罎B墻具有防滲效果好，變形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可用于水庫(kù)大壩防滲加固。建議采用混凝土防滲墻進(jìn)行處理時(shí)，盡量采用低模強(qiáng)比及高非線性指數(shù)的混凝土材料。由于壩體防滲措施的選擇與壩體形式、材料、等多因素有關(guān)，在選擇防滲加固措施時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行綜合比選確定。