小峰水库主坝除险加固有限元计算分析

苏佩珍

【摘 要】1949年以来，我国修建的水库及堤防以土坝（土堤）为主，但由于水文、地质、施工质量等多方面的原因，所以有相当一部分的土坝（土堤）存在一定的裂缝和渗透、不稳定等问题，影响结构的正常运行，为了处理好这些问题，采用开挖回填、灌浆等技术进行除险加固，并对除险加固效果进行评定。文章采用二维有限元法对除险加固后的小峰水库主坝进行计算，复核了高压旋喷灌浆及帷幕灌浆防渗墙在上、下游水荷载作用下的强度是否满足要求，对主坝防渗体结构的安全性提供参考依据。

【关键词】土坝；除险加固；有限元计算；安全评价

【中图分类号】TV543 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）02-0157-04

1 工程概况及主坝维修加固

小峰水库于1977年完成初步设计，于1978年10月底动工兴建，是一项边勘测、边设计、边施工的“三边工程”， 小峰水庫工程指挥部组织施工，小峰水库主坝于1978年10月底动工，副坝工程于1981年4月动工，主坝至1982年5月基本建成，副坝施工断断续续，拖延至1987年年底才基本按设计剖面完成。大坝施工方式是采用专业施工队伍和民工相结合的办法施工。

小峰水库主坝设计是心墙土坝，坝体于1982年5月基本建成。由于库区位于暴雨中心区，工程施工多从安全度汛进行安排，第一阶段是先施工坝轴线至上游坝脚的度汛临时断面，填筑至165.0 m高程时汛期已近，为确保安全度汛而改变施工方法，采用100多台手扶拖拉机运土，实行三班制作业，日夜连续施工，由于无法控制心墙土料，所以改为均质土坝。1979年汛期抢险施工常遇下雨，填土含水量偏高，难以压实，填土施工质量远未达设计要求。水库于1981年试蓄水运行，当年库水位最高水位达174.0 m，坝下游坝面就出现大面积渗漏面，高程在150.0～162.0 m，致使水库被迫降低水位至176m以下运行。

（1）1982年年底至1985年，沿大坝轴线进行了充填式帷幕灌浆，但没有明显效果，下游坡浸润线逸出点未见降低，范围未见缩小。

（2）1991年小峰水库除险加固，主坝防渗采用砼心墙方案。由于各种原因，施工断断续续，疏于管理，造成大部分砼心墙施工质量很差。未达到防渗效果。以致在后几年汛期，库水位达175.00 m以上时，下游坝坡仍出现大面积的严重浸润。

（3）2001年8月9日开始发现导流洞内距出口25～35 m处渗出较多浊水且带有泥砂颗粒的险情，导流洞内边墙漏水呈射流状。同年8月12日，下游边坡局部塌陷，出现重大险情，当地政府及时组织了临时抢险施工，控制了险情。

（4）2001年的小峰水库除险加固，主坝采用高喷灌浆+帷幕灌浆防渗墙，同时加固项目还有主坝上游坝坡砼护坡及下游反滤体翻修、溢洪道右侧土坝加宽培厚及主坝下游坝坡草皮护坡。主坝防渗墙工程共523.5 m坝长的上部高压旋喷灌浆及下部帷幕灌浆。高压旋喷灌浆及帷幕灌浆沿坝顶原混凝土防渗墙轴线上游布置，高压旋喷灌浆底高程深入至全风化花岗岩下限，帷幕灌浆由全风化花岗岩下限（即旋喷墙底线）以上2 m至单位吸水率≤5 Lu线以下5 m。高压旋喷灌浆共布置钻孔633个，帷幕灌浆共布置钻孔300个。主坝防渗墙施工高压旋喷灌浆及帷幕灌浆采用自下而上的灌浆法，有帷幕灌浆的孔施工程序为钻孔、帷幕灌浆、下注浆管、喷射灌浆、充填。无帷幕灌浆的孔施工程序为钻孔、下注浆管、喷射灌浆、充填。本次加固施工效果为主坝防渗墙已经封闭，能有效防渗，测压管水位已全线下降，下游坝面湿润面已完全消失；坝脚反滤棱体渗漏量减少2/3，导流洞渗漏量已有效削减1/3左右。但导流洞渗漏问题还需进一步处理，以绝后患。

（5）2005年的导流洞专项加固，导流洞封堵采用“坝基帷幕灌浆处理及导流洞充填灌浆”的方案。加固后导流涵洞渗漏量在相同条件下减少了90%以上。本次专项加固工程其他项目还包括主坝坝脚排水棱体翻修增设下游棱体的顶部压顶混凝土；主坝坝脚原有排水总沟及穿越消力池尾水渠左岸渠堤的涵洞扩建；主坝坝头山坡、坝脚平整绿化；主坝左岸、右岸上坝公路加固。

2 计算与分析

为复核小峰水库主坝除险加固后高压旋喷灌浆及帷幕灌浆防渗墙在上、下游水荷载作用下的强度是否满足要求，对主坝坝体结构进行二维有限元计算分析。

2.1 有限元模型与计算参数

2.1.1 有限元计算模型

小峰水库主坝的分区图如图1所示，根据《防城港市防城区小峰水库除险加固工程灌浆试验施工报告》（广西水利电力勘测设计研究院湖南宏禹水利水电岩土工程有限公司2002年3月），旋喷桩的有效直径为1.0～1.2 m，孔距为0.6 m，计算中高压旋喷灌浆防渗体的厚度取0.8 m。

采用MIDAS-GTS NX有限元软件进行分析计算。二维有限元计算模型采用4节点四边形单元或者3节点三角形单元进行网格剖分，共剖分23 849个单元，大坝二维整体网格剖分图如图2所示。基岩采用截断选取，竖直方向向下截取80 m，并在其底部施加固定位移约束；水平向截断长度为200 m，并在其截断面上施加水平法向约束。

计算中规定整体右手坐标系，垂直于坝轴线从上游到下游规定为X坐标正向；沿坝体高程方向规定为Y坐标（Y为高程）正向。

2.1.2 施工填筑过程的模拟

计算模拟施工的全过程，荷载分级按坝体填筑次序进行，坝体施工顺序为水平逐层施工，共分为8个加载步模拟坝体填筑及除险加固过程，5个加载步模拟蓄水。

2.1.3 计算工况及荷载组合

计算选用的工况有3种，分别如下。①正常工况：荷载考虑自重及水荷载，其中上游水位为182.00 m高程，下游水位为147.29 m高程；②设计工况：荷载考虑自重及水荷载，其中上游为设计洪水位183.82 m高程，下游水位为149.49 m高程；③校核工况：荷载考虑自重及水荷载，其中上游为校核洪水位185.45 m高程，下游水位为150.63 m高程。

2.1.4 计算参数选择

本次有限元计算中坝体回填料、排水棱体均采用莫尔-库伦模型，基岩、高压旋喷灌浆、帷幕灌浆防渗墙均采用弹性模型，其计算参数根据已有勘探成果，并参考其他类似工程进行确定，具体见表1。

2.2 防渗结构应力变形计算成果及分析

高压旋喷灌浆防渗体及帷幕灌浆防渗墙在正常工况、设计工况及校核工况下的应力最大值见表2，其中正值为拉应力，负值为压应力。高压旋喷灌浆防渗体及帷幕灌浆防渗墙的应力云图如图3～图5所示。

正常工况：高压旋喷灌浆防渗体主要以受壓为主，水荷载直接作用在防渗体上，防渗体小主应力极值为0.24 MPa，为拉应力，位于防渗体上游侧底部；防渗体大主应力极值为-1.36 MPa，为压应力，位于防渗体下游侧底部。帷幕灌浆防渗墙小主应力极值为0.95 MPa，为拉应力，位于防渗墙上游侧与强风化下限的接触处；防渗墙大主应力极值为-2.09 MPa，为压应力，位于防渗墙下游侧与强风化下限的接触处。

设计工况：高压旋喷灌浆防渗体主要以受压为主，水荷载直接作用在防渗体上，防渗体小主应力极值为0.38 MPa，为拉应力，位于防渗体上游侧底部；防渗体大主应力极值为-1.41 MPa，为压应力，位于防渗体下游侧底部。帷幕灌浆防渗墙小主应力极值为1.09 MPa，为拉应力，位于防渗墙上游侧与强风化下限的接触处；防渗墙大主应力极值为-2.11 MPa，为压应力，位于防渗墙下游侧与强风化下限的接触处。

校核工况：高压旋喷灌浆防渗体主要以受压为主，水荷载直接作用在防渗体上，防渗体小主应力极值为0.54 MPa，为拉应力，位于防渗体上游侧底部；防渗体大主应力极值为-1.45 MPa，为压应力，位于防渗体下游侧底部。帷幕灌浆防渗墙小主应力极值为1.24 MPa，为拉应力，位于防渗墙上游侧与强风化下限的接触处；防渗墙大主应力极值为-2.14 MPa，为压应力，位于防渗墙下游侧与强风化下限的接触处。

根据《土石坝工程经验与创新》（中国电力出版社，顾淦臣、束一鸣、沈长松编著），对于高喷灌浆防渗体应力是否满足强度的判断，采用大主应力<抗压强度，小主应力<抗拉强度进行。根据2003年除险加固施工时施工单位宏禹公司对高喷墙施工形成后的抗压强度的试验成果：凝结体2组6件均大于3 MPa，最大达到26 MPa，试验成果均大于3种计算工况下防渗体的大主应力最大值。对于防渗体是否会拉裂，由于缺乏抗拉强度试验成果，所以目前尚不可对防渗体的拉应力是否满足抗拉强度要求进行判断，还有待进一步验证。

3 结论

1949年以来，我国修建的水库及堤防以土坝（土堤）为主，但由于水文、地质、施工质量等多方面原因，有相当部分的土坝（土堤）存在一定的裂缝和渗透稳定等问题，影响结构的正常运行，为了处理好这些问题，采用开挖回填、灌浆等技术来进行除险加固，并对除险加固效果进行评定。本文采用二维有限元法对除险加固后的小峰水库主坝进行分析计算，3种计算工况下防渗体的大主应力最大值均小于其抗压强度试验成果；由于缺乏抗拉强度试验成果，所以对于防渗体是否会拉裂有待进一步验证。

参 考 文 献

[1]百度文库.GTS NX通用岩土有限元分析软件理论分析手册[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/4c09c519

e97101f69e3143323968011ca300f73a.html，2017-08-

17.

[2]豆丁建筑.GTS NX岩土与隧洞有限元分析软件用户手册[EB/OL].http：//jz.docin.com/p-1777344870.html，2016-11-07.

[3]顾淦臣，束一鸣，沈长松.土石坝工程经验与创新[M].北京：中国电力出版社，2004.