广西澄碧河水库大坝防渗墙应力变形分析

(1.， 430010；2.， 430010)

1 研究背景

澄碧河水库位于广西百色市，距百色市城区约7 km，坝址以上控制流域面积2 000 km2，是一座兼防洪、供水、发电等综合利用的大(1)型水库。水库正常蓄水位 185.0 m(珠江基面高程，下同)，死水位 165.0 m，总库容 11.21亿m3。水库大坝坝顶高程190.4 m，坝底高程120.0 m，最大坝高70.4 m，坝顶长 425.0 m，坝顶宽6.0 m。大坝原设计为碾压式黏土心墙坝，但黏土心墙填筑到高程 150.0 m时，由于黏土料储量不足，上部填筑为均质土坝。运行后，在坝体内加筑一道混凝土防渗心墙，形成如今的黏土心墙与防渗墙相结合的土坝。大坝黏土心墙轴线位于大坝中部，黏土心墙顶高程 150.0 m，混凝土防渗墙轴线位于坝顶中部偏下游侧，混凝土防渗墙厚0.8 m，深 48.2～55.2 m，墙顶高程188.2 m。在主河槽段混凝土防渗墙底部伸入黏土心墙中，两岸混凝土防渗墙底深入基岩1.0 m。在引水发电管及灌溉管部位，为了不损坏引水管，混凝土防渗墙底设在引水管及灌溉管上方。防渗墙材料以混凝土为主，为适应变形，在混凝土中掺入15%～20%优质黏土改善混凝土力学性能，增加其柔性。大坝混凝土防渗墙结构见图1。

图1 大坝混凝土防渗墙结构

考虑到大坝混凝土防渗墙运行已达40 a，在2011年的水库除险加固勘测设计中，勘测单位对其做了较为全面的质量检测。通过对大坝20 a测压管资料的分析，发现在相近库水位下，随着防渗墙使用年限的增加，部分墙段上下游水位差趋于减小，坝体浸润线逐渐抬高。在勘察过程中还选取了4个钻孔，使用孔内超声波检测法对其进行了无损检测。孔内声波检测表明：混凝土防渗墙连续性较差，局部部位波速较低。同时还使用了钻孔电视成像法检测，钻孔电视成像显示孔壁混凝土质量不均匀，砂浆质量较差，振捣不密实，岩芯为散块状，卵砾石骨料与砂浆胶结差，表面粗糙，多蜂窝麻面，横向裂缝及纵向裂缝发育。另外，对混凝土防渗墙上4个钻孔进行了16段压水试验，成果统计表明：大坝混凝土防渗墙大部分属弱透水性，但有两段为中等透水性，不符合设计对混凝土防渗墙的防渗要求。综上所述，大坝防渗墙质量不均匀，局部存在裂缝，质量有缺陷。因此，应对大坝进行防渗加固。

表1 静力计算参数

注：c、Φ0、ΔΦ均为抗剪强度指标；n为切线杨压模量Et随围压σ3增加而增加的幂次；G、F、D分别为计算切线泊松比的3个参数。

大坝防渗加固采用新建混凝土防渗墙方案，即在大坝混凝土防渗墙下游侧增设一道混凝土防渗墙，防渗墙穿过坝体嵌入基岩，弱风化岩层入岩0.5 m，强风化岩层入岩1.0 m，以新建混凝土防渗墙替代原黏土心墙。新建混凝土防渗墙轴线长 390.0 m，最大墙深约75.2 m，中心线位于原防渗墙轴线下游侧 4.0 m，墙厚 0.8 m，混凝土强度等级为C15，抗渗标号为W8。该方案可有效地解决原防渗墙防渗效果较差的问题，还可将坝内两条埋管进行截断，使防渗墙底部直接深入基岩，彻底解决老防渗墙与两条埋管处的接触渗漏问题。但由于大坝新建防渗墙距离老防渗墙较近，新防渗墙深超过70 m，且大坝处于7度地震烈度区，为确保大坝工程安全，必须对大坝防渗墙的应力变形进行研究。

图2 大坝混凝土防渗墙加固(单位：cm)

2 计算模型及计算参数

2.1 计算模型

根据工程经验选取坝料静力计算参数，防渗墙周边的泥皮单元和底部沉渣单元参数参考文献资料选取。动力计算参数根据坝料静力特性并结合工程类比选取。采用的计算参数见表1，2。

大坝应力变形计算采用基于Biot固结理论的有效应力有限元分析方法。其中，土体静力计算采用“南水”双屈服面弹塑性模型，动力计算采用等价粘弹性模型，混凝土防渗墙采用线弹性模型。

在进行平面限元网格剖分时，实体单元采用4结点等参单元，为适应边界条件及坝料分区变化，部分采用三角形单元处理，图3为有限元网格图，共形成实体单元779个，结点739个。防渗墙顺河向剖分3排单元，为模拟防渗墙与周边土体的接触特性，周边设置3 cm厚泥皮单元，墙底设置15 cm厚沉渣单元。

2.2 计算参数

有限元计算时模拟填筑、蓄水顺序为：1958年～1961年大坝建成；1970年水库蓄水至181.5 m高程；1972年4月防渗墙施工，水库蓄水至正常蓄水位185 m高程；大坝正常运行38 a，上游水位降落至死水位165 m高程；新混凝土防渗墙施工；下游帮坡填筑；坝顶回填；水库蓄水至正常蓄水位185 m高程。

表2 动力计算参数

注：k1、k2为动剪常数；Gd为动剪切模量；c1、c2、c3、c4、c5为5个计算常数，由残余变形试验，即不同应力状态下轴向应变与振动次数的关系曲线和体积应变与振动次数的关系曲线得出。

图3 有限元网格剖分

地震动输入采用以场地谱为目标谱的人工合成地震波。该工程大坝以100 a超越概率2%结果作为抗震设防依据。场地基岩主要设计地震参数见表3。地震动输入采用顺河向和垂直向两向输入，水平向地震基岩峰值加速度为230 gal，垂直向地震动输入峰值加速度取水平向的2/3。地震持续时间取36 s。

表3 场地基岩主要设计地震动参数

注：Am为地震动峰值加速度；βm为动力系数最大值；T1为反应谱拐点周期；Tg为特征周期；γ为衰减系数。

图4 老混凝土防渗墙变形分布(加固前)

3 加固前老防渗墙应力变形分析

通过计算分析，加固前老混凝土防渗墙的挠度变形表现为指向下游，最大值为 7.46 cm，见图4。

图5 老混凝土防渗墙上、下游应力分布(加固前)

图5分别为加固前老防渗墙上、下游面应力分布图。由图可见，老混凝土防渗墙上、下游面大主应力最大值分别为 0.36 MPa，0.34 MPa，小主应力总体为拉应力，但拉应力数值不大，上、下游面拉应力最大值分别为 0.21 MPa、0.50 MPa。老防渗墙压、拉应力均在C15混凝土强度允许范围内。由于老防渗墙为大坝基本建成10 a后所筑，且墙体并未嵌入基岩，墙内应力较小。墙体应力虽满足要求，但由于存在施工质量缺陷，渗透性能较差。

4 加固后新、老防渗墙应力变形分析

4.1 静力作用下应力变形分析

图6为大坝竣工期(大坝加固完毕)以及运行期(蓄水至正常蓄水位)老防渗墙与新防渗墙的挠度变形图。由图可见，大坝加固竣工时，老防渗墙挠度指向下游，墙顶最大挠度为 5.34 cm，新防渗墙挠度指向下游，墙顶最大挠度值为 3.68 cm；蓄水至正常蓄水位后，老防渗墙墙顶挠度增加到 11.09 cm，新防渗墙坝顶挠度增加到 9.37 cm。

图6 防渗墙挠度变形

图7 老防渗墙上游应力分布

图7、图8为大坝竣工期(大坝加固完毕)以及运行期(蓄水至正常蓄水位)老防渗墙上、下游面的应力分布图。由图可见，在墙体上游面，①竣工期：大主应力最大值为 0.75 MPa、小主应力最大压应力值为0.24 MPa、最大拉应力值为 0.13 MPa；②运行期：大主应力最大值为 0.48 MPa、小主应力最大压应力值为0.22 MPa、最大拉应力值为 0.26 MPa。在墙体下游面，①竣工期：大主应力最大值为 1.04 MPa、小主应力最大压应力为 0.24 MPa、最大拉应力为 0.09 MPa；③运行期：大主应力最大值为 0.72 MPa、小主应力最大压应力值为 0.17 MPa、最大拉应力值为 0.21 MPa。

图8 老防渗墙下游应力分布

图9 新建防渗墙上游面应力分布

图9、图10为新建防渗墙上游面、下游面的应力分布图。由图可见：①竣工期，新建防渗墙上游面和下游面大主应力最大值均为4.34 MPa，小主应力压应力最大值分别为0.43,0.37 MPa，拉应力最大值分别为0.09,0.24 MPa；②运行期，上游面和下游面墙体大主应力最大值分别为3.56 Pa、3.52 MPa，小主应力压应力最大值为0.38,0.34 MPa，拉应力最大值分别为0.09，0.18 MPa。

图10 新建防渗墙下游面应力分布

通过上述分析，大坝竣工期及运行期老防渗墙和新建防渗墙的压、拉应力均在C15混凝土强度允许范围内。

4.2 地震作用下应力变形分析

图11，12分别为地震引起的老防渗墙及新防渗墙挠度分布，变形指向下游，最大值分别为10.4cm和10.8 cm，均位于墙顶。

图11 地震引起的老混凝土防渗墙挠度变形(加固后)

图12 地震引起的新混凝土防渗墙挠度变形(加固后)

图13 老防渗墙最大动应力分布(加固后)

图13给出了地震过程中老防渗墙上、下游面最大动应力分布图。墙体动应力随着高程的增加而增大，最大动应力位于墙顶。100 a超越概率2%地震情况下老防渗墙上游面大主应力最大值为 3.67 MPa，小主应力(拉应力)最大值为 2.23 MPa；下游面大主应力最大值为3.65 MPa，小主应力(拉应力)最大值为 2.22 MPa。

图14 老防渗墙静动应力叠加(加固后)

100 a 2%概率水平地震情况下，老混凝土防渗墙上、下游面静动应力叠加，见图14。静动应力叠加后，老防渗墙上游面压应力最大值为3.98 MPa，拉应力最大值为 2.48 MPa；下游面压应力最大值为4.08 MPa，拉应力最大值为 2.43 MPa。最大值均发生在防渗墙顶部。

考虑到混凝土的动态强度比静态强度至少高30%，发生100 a 2%概率地震，老防渗墙的压应力在C15抗压强度允许范围内，墙体不会发生压裂破坏，顶部附近的拉应力则超出了C15抗拉强度，但由于墙体应力随地震过程动态变化，最大动应力只是瞬时作用，不能与静应力等同看待，此外，由于未模拟拉应力在超过混凝土抗拉强度时混凝土出现破损后的应力调整，拉应力为累加应力，故所计算出的拉应力峰值是偏大的，因此可以认为该部位混凝土并不会发生严重的拉裂破坏。

图15为地震过程中新建防渗墙上、下游面最大动应力分布图，新建防渗墙上游面大主应力最大值为3.75 MPa，小主应力(拉应力)最大值为1.97 MPa；下游面大主应力最大值为3.77 MPa，小主应力(拉应力)最大值为1.96 MPa。最大值均出现在墙顶。

图15 新建防渗墙最大动应力分布

图16 新建防渗墙静动应力叠加

100 a超越2%地震概率水平情况下，新建防渗墙上、下游面静动应力叠加图如图16所示。叠加后，上游面最大压应力为4.62 MPa、最大拉应力为2.17 MPa；下游面最大压应力为4.59 MPa、最大拉应力为2.20 MPa。最大值均发生在防渗墙顶部。

发生100 a 2%概率地震，新建防渗墙的压应力在C15抗压强度允许范围内，墙体不会发生压裂破坏，顶部附近的拉应力则超出了C15抗拉强度，但考虑到最大动应力只是瞬时作用，因此可以认为该强度地震不会导致该部位混凝土发生严重拉裂破坏。

5 结论和建议

通过采用静、动力有限元法模拟大坝建设、加固和水库蓄水运行过程，以及遇100 a超越概率2%地震情况，研究各种工况下新、老防渗墙的应力变形特性，得出如下结论：

(1) 大坝现状运行时。老混凝土防渗墙墙体应力在混凝土材料强度允许范围内。

(2) 大坝竣工期。新、老混凝土防渗墙墙体压、拉应力均在混凝土材料强度允许范围内。

(3) 大坝运行期。新、老防渗墙应力均在混凝土材料强度允许范围内。

(4) 100 a超越概率2%地震情况下，老混凝土防渗墙和新建混凝土防渗墙变形均指向下游，挠度增量最大值均位于墙顶，分别为10.4 cm和10.8 cm。

(5) 100 a超越概率2%地震情况下，地震过程中墙体动应力随着高程的增加而增大，地震时老防渗墙和新建防渗墙的压应力小于C15混凝土允许抗压强度，墙体压应力满足要求，但墙顶附近拉应力较大，有所超标；由于最大动应力只是瞬时作用，不能与静应力等同看待，且由于未模拟拉应力在超过混凝土抗拉强度时混凝土出现破损后的应力调整，拉应力为累加应力，所计算出的拉应力峰值偏大，因此可以认为该部位混凝土并不会发生严重的拉裂破坏现象。

综上所述，通过对防渗墙的应力变形分析，新、老防渗墙在加固后不会发生破坏，认为澄碧河水库大坝防渗设计方案合理。澄碧河水库大坝防渗墙于2015年1月正式开始施工，施工过程中未出现塌孔、上下游坝坡及坝顶开裂等现象。2015年5月新建混凝土防渗墙完工至今运行良好，下游坝坡未发现渗水等现象。目前国内在已有防渗墙的土坝中再建超过70 m深的防渗墙的案例并不多见，本次新建防渗墙的成功实施对已有防渗墙的土坝防渗加固具有较强的现实意义。