竹寿水库大坝加高防渗体系结构设计

孙 来，赖道平，郑惠峰

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

根据白鹤滩水电站移民安置规划中的水源配置计划，需对位于四川省凉山州会理县境内的竹寿水库进行扩建。竹寿水库扩建工程主要由枢纽加高扩容工程和长距离输水工程两部分组成。扩建后的竹寿水库蓄水能力增加，具有多年调节能力，对改善宁南县工程性缺水现状有着重要意义［1］。

竹寿水库老坝采用粘土心墙碾压石渣坝，坝顶高程2 416.10 m，大坝全长190.00 m，坝顶宽度6.0 m。上游坝坡坡比1∶2.2～1∶2.8，下游坝坡坡比1∶1.7～1∶1.9，上、下游坝脚均设堆石棱体。砾质土心墙顶宽6.0 m，墙顶高程2 415.3 m，上下游边坡均为1∶0.4。

2009年对原竹寿水库大坝进行了安全性评价，得出与大坝安全有关的主要鉴定意见如下。

结构稳定复核：大坝下游坝坡在正常运行工况及地震工况下的安全系数K都不满足规范要求，安全等级为C级。

渗流稳定复核：大坝心墙顶高程低于设计洪水位和校核洪水位，防浪墙与心墙结合不满足要求，左坝肩岸坡裂缝发育，透水率较大，存在绕坝渗漏安全隐患，其安全级别评定为C级［2］。

扩建工程拟在解决老坝存在的安全问题的条件下，实现规划要求的扩建后正常蓄水位达到2 444.00 m的目标。针对老坝下游坝坡稳定安全性不满足要求的结构安全性问题，大坝加高布置时考虑培厚下游侧坝体，并填筑模量较高的新鲜坝料于老坝坝体下游侧，对老坝下游侧坝坡起到压坡固脚作用。针对老坝坝基岩层渗透率大（q=18～120 Lu），且施工时未对大坝基础进行封闭处理，存在一定安全隐患的情况，大坝加高布置时考虑对老坝的防渗系统进行加固或新建。

根据国内外老坝加高成功经验［3-5］及竹寿水库老坝实际条件，拟定的混凝土面板堆石坝加高方案布置如图1所示。大坝加高利用原有心墙坝的挡水能力，在老坝下游面进行堆石培厚加高，老坝心墙部位采用80 cm厚混凝土防渗墙加固，同时在防渗墙下部设加强基础帷幕灌浆；加高堆石坝体采用钢筋混凝土面板与趾板共同作用形成坝体的防渗体，趾板通过周边缝及止水与面板连接；混凝土防渗墙与趾板之间设置连接板。考虑到原竹寿大坝堆石填筑质量较差，为使加高堆石坝河床部位趾板及连接板坐落于相对稳定基础，挖除原大坝2 407.60 m高程以上坝壳堆石，从下至上依次采用碾压堆石、过渡料和垫层料换填至2 412.60 m高程，以此作为加高堆石坝防渗体基础。

加高后大坝坝顶高程2451.0m，最大坝高98.1m，坝顶长度271.47 m，坝顶宽度10.0 m。坝体上游面坡比为1∶1.4，下游面坡比1∶1.5～1∶1.4。坝体从上游向下游依次分为：混凝土面板、垫层区、过渡区、主堆石区、下游次堆石区及砌块石护坡等区域。

2 防渗结构设计

如前所述，竹寿水库大坝加高后防渗体系由防渗墙+混凝土连接板+趾板+面板组成。防渗墙与连接板、连接板与趾板间结构缝均设为宽缝，并设置一道铜片止水和一道塑性止水，见图1所示。同时，根据趾板布置于软基之上的类似工程经验，为避免趾板及连接板在垂直河床方向由于基础不均匀沉降产生较大应力而形成裂缝，对河床段布置于老坝顶部的趾板及连接板结构沿坝轴线进行结构分缝，分缝间距均为12 m，结构分缝部位交错布置。同时在顺水流向结构分缝部位设置一道铜片止水和一道塑性止水［1］。

类比国内外覆盖层上面板堆石坝建坝经验，防渗墙采用80 cm厚C25常规混凝土防渗墙。考虑墙体在运行期可能出现的拉应力，在墙体内上下游侧均配置一定数量的钢筋；左右岸及河床段趾板宽度分别取为5.0 m、6.0 m和4.0 m，厚度0.6 m，河床段趾板与防渗墙之间设连接板，宽4.2 m，厚度与趾板相同。混凝土面板采用40 cm厚的C30等厚面板。

防渗体接缝包括周边缝、垂直缝、趾板缝、连接板缝、趾板与连接板接缝、连接板与防渗墙接缝、防浪墙底缝、防浪墙伸缩缝及施工缝。根据坝体的不同部位、可能产生的变形和应力的大小，接缝的结构及止水形式分别采取了不同的型式。

3 大坝应力变形分析

针对竹寿水库老坝坝料物理力学参数较低、加高后大坝防渗体系结构较为复杂的情况，对加高后大坝坝体尤其是大坝防渗体系结构进行了二维及三维静动力有限元分析，重点对加高后混凝土防渗墙、趾板、连接板和面板的应力状态进行分析，研究大坝加高培厚施工及水库蓄水运行、地震等工况对防渗体（面板、趾板、连接板、止水及周边缝等）结构的影响，评价防渗体系的安全性与可靠性。

图1 竹寿水库大坝加高典型断面Fig.1 Typical section of Zhushou reservoir dam

静力计算采用的本构模型为南水双屈服模型［6］，动力计算采用等价粘弹性模型。接触面采用接触摩擦模型［7］。坝料静动力本构模型计算参数根据静动力试验成果选取［8］，计算采用的静力参数如表1所示。

通过计算分析得出，竣工期和蓄水期坝体最大沉降分别为38.3 cm和39.9 cm，坝体指向上游最大水平位移分别为12.0 cm和7.67 cm，指向下游最大水平位移分别为4.63 cm和5.21 cm。虽然老坝心墙土及填筑石渣料的模量较低，但竣工期坝体沉降量仅为坝高的0.48%，与同类坝相比处于中等水平，一是由于空间效应的影响，大主应力仅为坝体自重的0.74倍，二是由于新坝坝料模量较大，坝体变形主要集中在老坝坝体内。

蓄水后左、右岸面板轴向最大位移分别为0.50 cm和0.45 cm，面板的挠度最大值为6.37 cm，挠曲率为0.11%，在已建坝的实测挠曲率（0.02%～0.28%）［9］范围内，与同类坝相比处于中等偏小水平。

蓄水期面板坝轴向最大拉应力和压应力分别为-1.25MPa和1.74 MPa，顺坡向最大拉应力和压应力分别为-0.68 MPa和1.86 MPa，根据水工混凝土结构设计规范［10］，拉压应力均在C30素混凝土的允许范围内。

蓄水期趾板（连接板）坝轴向最大拉应力和压应力分别为-4.78 MPa和1.53 MPa，最大大主应力和小主应力分别为6.33 MPa和-4.80 MPa。趾板和连接板的压应力以及连接板的拉应力均在C30素混凝土的允许范围内，但趾板与岸坡交界部位局部区域的拉应力已超出C30素混凝土的允许值，需在该部位加强配筋。

蓄水期防渗墙坝轴向最大拉应力和压应力分别为-2.53 MPa和3.21 MPa，最大大主应力和小主应力分别为12.0 MPa和-1.74 MPa，均在C25素混凝土的允许范围内。

蓄水期防渗墙与连接板以及连接板与趾板的三向变位中，防渗墙与连接板的垂直错动、坝轴向错动和张开量最大值分别为37.9 mm、9.46 mm和7.12 mm；连接板和趾板板间缝的三向变位中，连接板板间缝的变形较大，顺河向错动、张开量和垂直错动的最大值分别为5.7 mm、6.84 mm和3.22 mm；周边缝三向变位中，切向错动、沉陷和张开最大值为5.1 mm、4.6 mm和2.0 mm；面板垂直缝最大张开量为2.6 mm。现有的止水结构完全能适应这样的变形，蓄水后止水结构的安全性是有保障的。

图2给出了趾板与连接板以及连接板与防渗墙之间的相对变形沿坝轴线的分布。其中坝轴向错动：上游侧指向河床方向为正；张开：顺河向相对变形，张开为正；垂直错动：垂直向相对变形，下游侧向下为正。由图2可以看出，坝轴向变形整体上表现为向河谷中央收缩，上游侧指向河床部位的坝轴向变形较之下游侧要大，最大水平错动约为9.46 mm；在水荷载作用下，连接板和防渗墙之间接缝呈闭合状态，趾板和连接板之间也基本呈闭合状态，但在两侧与岸坡接触部位，局部呈张开状态，最大张开量为5.69 mm；由于防渗墙嵌固于基岩上，防渗墙自身的压缩变形很小，因而连接板与防渗墙之间的错动最大，最大值约为37.9 mm，趾板和连接板之间的垂直错动则小很多，最大值仅为1.34 mm。

表1 坝料南水模型参数Table 1 Parameters of the dam materials in Nanshui model

图2 趾板、连接板以及连接板、防渗墙相对变位沿坝轴线分布图Fig.2 Distribution of relative displacement between toe slab and connecting plate,connecting plate and cutoff wall along dam axis

4 竣工期趾板沉降问题的处理措施比较

4.1 竣工期沉降计算值较大的问题

根据施工组织设计，竹寿大坝加高总体施工程序为：基础开挖→高程2 413 m以下坝体填筑→老坝顶的趾板施工→高程2 413 m以上坝体填筑→混凝土防渗墙施工→混凝土面板施工→连接板施工。初步分析大坝施工工期39个月，分述如下：

第1年5～10月，坝肩及基础土石方开挖，工期6个月。

第1年11月～第2年11月，高程2 413 m以下坝体填筑，工期13个月。

第2年12月～第3年8月，趾板混凝土浇筑及高程2 413 m以上坝体填筑，工期9个月。其中第2年12月～第3年1月，拆除老坝高程2416.1～2407.6m，拆除高度8.5 m，工期1个月，在高程2 407.6～2 412.6 m之间换填碾压堆石体，高5 m。

第3年9～11月，大坝预沉降3个月。

第3年12月～第4年5月，心墙加固防渗墙及墙下帷幕施工，工期6个月。

第4年4～6月，面板及防浪墙混凝土浇筑，工期3个月。

第4年7～8月，连接板混凝土浇筑及土工膜敷设，工期2个月。

针对上述大坝施工过程进行了有限元模拟，重点对第3年8月2 412.6 m高程老坝趾板浇筑完成至第4年8月大坝整体施工完成期间的趾板部位沉降进行了计算。计算结果如图3所示。

图3 趾板部位浇筑完成至竣工期沉降（单位：cm）Fig.3 Settlement of toe slab from pouring to completion(unit:cm)

由图3可以看出，河床部位趾板结构竣工期沉降整体较大，沉降最大值为17.5 cm，发生在趾板头部；沉降最小值为15.2 cm，发生在趾板尾部；趾板沉降差较小，最大沉降差为2.3 cm。考虑竣工期形成较大沉降原因为趾板下部老坝心墙材料及坝壳上部石渣模量较低，K值分别为164.4和318.8，在趾板上部坝体填筑及面板浇筑过程中，老坝心墙及坝壳部位在上部荷载作用下沉降较大导致上部趾板形成较大沉降。

4.2 措施与方案比较

4.2.1 方案一：调整大坝填筑施工分区

通过调整上部坝体填筑过程来减小坝体沉降对趾板的影响：即河床段趾板及大坝上游侧10 m范围坝料在下游侧大面积填筑完成后再进行施工的方案，以期减少趾板竣工期沉降。计算得到该施工方案下趾板部位竣工期沉降，如图4所示。

图4 分期填筑方案趾板部位浇筑完成至竣工期沉降（单位：cm）Fig.4 Settlement of toe slab from pouring to completion in the staged-filling scheme(unit:cm)

由图4可以看出，方案一趾板部位竣工期整体沉降较原有施工方案减少较多，沉降最大值为5.7cm，发生在趾板头部；沉降最小值为3.6 cm，发生在趾板尾部；趾板最大沉降差为2.1 cm。

由以上计算可以得出，2 430 m高程以上坝体分期填筑方案能基本解决趾板部位竣工期沉降量过大的问题，但由施工进度表中可以看出，该方案对大坝的施工工期影响较大，坝体分期填筑使得大坝部位工期相比原方案增加6个月，与关键工期仅相差1个月。因此，工期成为制约该方案的主要因素。

4.2.2 方案二：河床部位趾板分期浇筑的方案

为解决坝体填筑引起趾板沉降较大可能导致接缝止水破坏的问题，考虑将趾板混凝土分为两期进行浇筑，在2 430 m高程以上坝体填筑前先浇筑趾板头部部位且不埋设止水，以保证小区料部位填筑密实，其余部位在2 430 m高程以上坝体整体填筑完成后进行浇筑，河床段趾板厚度整体由60 cm增加至80 cm。

趾板分期浇筑方案可有效解决趾板沉降较大的问题，且在以往工程中得到一定的应用，但由于趾板混凝土厚度较小，分期浇筑又存在新老混凝土结合的问题，趾板分期浇筑方案对趾板施工质量提出了较高要求。同时考虑趾板部位应力较大，分期浇筑面若存在浇筑质量问题，可能造成沿分期面的裂缝。因此施工质量控制成为了制约方案二的因素。

4.2.3 方案三：趾板基础超高填筑方案

考虑以上问题，研究了第三种解决方案，即趾板一次性浇筑，同时适当超高填筑趾板下垫层料高度，即在趾板基础碾压时考虑预留一定的至竣工期的沉降量，使大坝竣工期河床段老坝顶部趾板基本处于一条直线，不存在较大高程差。待坝体填筑到设计高程后，在浇筑混凝土面板时，可同时浇筑趾板上游连接板。

4.2.4 方案四：趾板结构调整方案

结合泰安抽蓄上库工程中所采用的趾板型式［11］，拟定了第四种解决方案，即对趾板结构进行调整，取消趾板头部下部结构，以使趾板结构能够在2 430 m平台高程以上坝体全部填筑完成后再进行浇筑，使竣工期河床段趾板沉降减小为零。相比于其他解决方案，方案四能完全解决河床段趾板沉降过大的问题，但同时由于该方案所采用趾板型式在实际工程中相对较少采用，需进一步考虑趾板结构稳定、周边缝止水布置等。

经以上综合比选，方案三即趾板基础超高填筑方案具有施工操作方便、对结构安全影响较小、对施工工期影响也较小的特点，因此方案三为推荐方案。

5 结语

（1）竹寿水库大坝加高工程的主要特点为原63.4 m高心墙土石坝上加高38.4 m，总坝高98.1 m，老坝坝高及加高高度均超过此前国内大坝加高工程中最高的横山水库，为目前国内外类似工程中规模最大。同时坝址区地震基本烈度8度，地震动峰值加速度为0.2g，因此大坝加高工程在蓄水、运行期及地震条件下的坝体不均匀变形、防渗体及止水的变形与安全、应力与稳定等是工程的关键技术问题。

（2）在竹寿水库扩建工程可研阶段，针对拟定的老坝坝后加高培厚方案，进行了针对性的防渗体分缝连接与止水型式的研究与设计，以适应较大变形条件下防渗体的安全。防渗体系由防渗墙+混凝土连接板+趾板+面板组成。防渗墙与连接板、连接板与趾板间结构缝均设为宽缝，并设置一道铜片止水和一道塑性止水。同时为避免趾板及连接板在垂直河床方向由于基础不均匀沉降产生较大应力而形成裂缝，对河床段布置于老坝顶部的趾板及连接板结构进行顺水流向结构分缝，分缝间距均为12 m，结构分缝部位交错布置。

（3）通过竹寿水库老坝填筑料（砾石土心墙料、堆渣料）原位条件下的物理力学参数研究，获得加高方案坝体变形分析参数，通过三维计算分析得到了加高后的大坝坝体与老坝坝体在竣工期、蓄水运行期及地震工况下的坝体、混凝土防渗面板、混凝土防渗墙、混凝土趾板及接缝止水的应力变形情况，评价蓄水条件下防渗体的安全性。计算得出加高后大坝在各工况下，大坝坝体及防渗体结构应力及变形在材料承受范围之内，大坝结构及防渗体安全满足要求。

（4）针对面板河床段趾板在施工完成至大坝竣工期间沉降较大的问题，分别研究了调整施工顺序方案、趾板断面分期施工方案、趾板下部基础超高填筑方案与趾板断面体型调整方案等四种方案，经比选得出趾板下部基础超高填筑方案较优。