基于渗流体力下某土石坝防渗墙加固效果分析

童旭宇

（湖北省水利水电科学研究院，武汉 430070）

土石坝防渗问题一直以来都是坝工界关注的重点[1-2]。其中土石坝混凝土防渗墙的修复是土石坝防渗加固的重要手段，对此国内外相关学者开展了较为深入的研究[3]。然而，由于水利工程的独特性，使得水库工程具有不同的地形条件、结构形式等，土石坝防渗所采用的修复方案不尽相同，加固后病险除控效果并不理想[4-6]。为此，对土石坝混凝土防渗墙加固效果进行数值模拟分析具有重要意义。

在进行土石坝数值分析时，若考虑渗流体力这一因素，则模拟结果更符合大坝服役真实状况，而对此方面的研究鲜却有报道[7]。基于上述背景，在前人研究的基础之上，依托某水库大坝工程，笔者提出并对比分析了两种防渗加固方案，综合考虑工程安全性、加固彻底性、防渗质量可靠性等多方面因素，采用了新建混凝土防渗墙的方案2；考虑渗流体力因素模拟计算，推荐方案固后加入混凝土防渗墙的土石坝应力、变形分析。

1 工程概况

某水库位于湖北省境内，该工程属于大（1）型水利工程。大坝心墙为混凝土与黏土相结合心墙，连续性较差，其坝顶高程为90m，最大坝高、坝顶长、坝顶宽分别为70，425，6m。经安全评估，该水库大坝坝体内的混凝土防渗墙未形成一道阻水屏障，连续性较差，局部出现渗透坡降值小于允许值，但未见坝基渗透变形或绕坝渗漏问题； 但左岸灌溉渠内的水经过高程155m公路以下坝坡横向水沟底渗流溢出，该水沟常年流水，对左坝岸坡的稳定存在一定的安全隐患。

2 加固方案比选

根据水库大坝的实际服役状况，提出了两个水库大坝防渗加固方案。方案1：坝体内高压旋喷灌浆方案。方案2：在旧防渗墙基础上新建混凝土防渗墙方案。两种防渗加固方案工程量与工程投资如表1。

表1 两种防渗加固方案工程量与工程投资

由于在高压旋喷时，防渗墙底部土体受到扰动，对旧防渗墙会产生不利影响。因此，经工程安全性、施工控制等方面进行对比分析，最终确定采用方案2进行防渗墙加固。

3 数值仿真计算

3.1 计算模型

计算过程中，双屈服面弹塑性模型[4-5]及等价黏弹性模型[6-8]分别用于土石坝的静、动力计算，混凝土防渗墙则采用线弹性模型。

3.2 网格剖分、边界条件

由于坝体内设置了材料分区，坝内轮廓线呈现不规则形状，为了适应这种变化，在对坝体二维有限元网格剖分时，主要以4结点等参单元为主，局部网格辅以3结点三角形单元。混凝土防渗墙沿顺河向共划分3排单元，坝体共剖分实体单元823个，结点782个，坝体网格剖分如图1。为更加真实模拟墙体与周边土体之间的接触特性，在周边剖分了厚度3.5cm泥皮单元，墙底剖分了厚度为14.5cm沉渣单元。本次计算边界条件未考虑坝体与基岩间的作用，之间触面为三向约束。

图1 坝体网格剖分

3.3 计算参数及工况

坝料动力计算参数参考地勘报告，部分缺失数据参考类似工程选取，防渗墙周边的泥皮单元和底部沉渣单元参数参考类似工程选取，最终采用的计算参数如表2。

表2 坝料动力计算参数

计算条件设置两种工况：

（1）工况1：大坝固后竣工时165m水位。

（2）工况2：正常蓄水位185m。

将两种工况下土石坝稳定渗流场所形成的坝体渗透压力在计算过程中作为计算荷载施加于大坝坝体，计算时考虑的荷载为：自重、渗透体力、地震荷载。

3.4 防渗墙应力变形

计算得出两种工况条件下坝体孔隙水头，分别如图2～图3。

图2 工况1坝体孔隙水头

图3 工况2坝体孔隙水头

通过计算可知，工况1、工况2条件下坝体渗透压力最大值分别为0.57，0.67MPa，两种工况条件下坝体渗透压力极值均位于坝体中心底部位置。本次对两种工况条件下进行论述，如图4～图8。

图4 大坝防渗墙位移变化

图5 旧防渗墙上游面应力分布

图6 旧防渗墙下游面应力分布

图7 新建混凝土防渗墙上游面应力分布

图8 新建混凝土防渗墙下游面应力分布

图4（a）显示了工况1与工况2条件下固后旧防渗墙的位移变化图，图4（b）显示了工况1与工况2条件下固后新防渗墙的位移变化。可以看出，工况1条件下加固后旧、新防渗墙位移指向均为顺河向方向，且防渗墙墙顶位移变化值最大，其值分别为5.27，3.75cm；工况2条件下加固后旧、新防渗墙墙顶位移变化规律同工况1，其值分别为11.09，9.39cm。

图5显示了两种工况条件下固后混凝土旧防渗墙上、下游面的应力分布规律，可以看出：

（1）工况1条件下的固后混凝土旧防渗墙墙体上游面第一主应力最大值为0.75MPa，第三主压、拉应力最大值分别为0.24，0.13MPa，工况2条件下的固后混凝土旧防渗墙墙体上游面第一主应力最大值为0.48MPa，第三主压、拉应力最大值分别为0.22，0.26MPa。

（2）工况1条件下的固后混凝土旧防渗墙墙体下游面第一主应力最大值为1.04MPa，第三主压、拉应力最大值分别为0.24，0.09MPa，工况2条件下的固后混凝土旧防渗墙墙体下游面第一主应力最大值为0.72MPa，第三主压、拉应力最大值分别为0.17，0.21MPa。

图7、图8分别显示了固后新建混凝土防渗墙上、下游面的应力分布规律。可以看出：

（1）工况1条件下的固后新建混凝土防渗墙墙体上、下游面第一主应力最大值为4.34，4.35MPa，墙体上、下游面第三主压应力最大值分别为0.43，0.37MPa，墙体上、下游面第三主拉应力最大值分别为0.20，0.24MPa。

（2）工况2条件下的固后新建混凝土防渗墙上、下游面墙体第一主应力最大值分别为3.55，3.53MPa，墙体上、下游面第三主压应力最大值为0.37，0.33MPa，墙体上、下游面第三主拉应力最大值分别为0.09，0.13MPa。

两种工况条件下的固后混凝土新、旧防渗墙的压、拉应力值均在混凝土强度允许范围内，土石坝满足防渗要求，病险除控效果较好。

4 结语

（1）综合考虑工程安全性、加固彻底性、防渗质量可靠性等多方面因素，最终确定采用混凝土防渗墙加固的方案2。

（2）两种工况条件下，固后混凝土新、旧防渗墙的压、拉应力值均在混凝土强度允许范围内，土石坝满足防渗要求，病险除控效果较好。