某水库工程库底封堵方案的比选分析

刘泳茵 龙门县水利水电勘测设计室

水库是水利工程中重要的基础设施，承载着抗旱、防洪、发电、养殖和灌溉等一系列功能，不仅可以改善区域的生态环境，更是促进城乡经济发展的关键因素。然而，有些水库因为使用年限超长、质量欠佳、环境影响、管理不当等因素，水库大坝渗漏现象屡见不鲜，如果不进行及时的封堵，不仅会危及水库的整体安全，还会造成不可估量的经济损失。由此，制定科学合理的坝底封堵方案，是解决问题的关键所在。

1.水库工程库底封堵方案分析

1.1 比选原则

通过评估分析水库渗漏程度得知，水库的水量充足后向库外渗漏的位置是断层破碎带，基于面积不大，并且上游来水不多，所以选择的防渗处理方式是库底全封闭。而在原有的库底封堵设计中，计划采用的封堵方案为刚性圆弧拱壳体封堵模式，混凝土规格为C25，中心厚度为4.2米，两端厚度为2.5米。虽然该封堵模式的优势是封堵效果好、强度高，但对水库底岩层基础的要求也相对高。参考我国其他区域库底封堵的实践经验，实施方案考虑利用柔性防渗模式，其流程是进行表土清除，碾压夯实下层土石形成库底持力层，之后进行填石＋沥青混凝土面板的柔性封堵。

1.2 设计标准

借鉴水利工程的相关经验，根据库区的地质状况，设计因地制宜的封堵方案，本工程选用的柔性封堵方案，为由上至下的四层结构：以巨石块料换填最底层，厚度为5米；考虑到工程区沉积层不具备足够承载力，必须先铺设一层巨石块石料，厚度为2米左右，进行碾压夯实作为车行的道路，之后再铺设大约3米厚的巨石块料；将1米厚的碎石层铺在巨石块料上，再次碾压夯实，在上面铺一层0.9米厚的沥青混凝土面板。根据本工程的设计方案，底层的巨石换填能够构成很好的库底排水通道。上面的过渡层为碎石块结构，渗透系数大约为每秒0.010厘米，在其上面的碾压碎石垫层大约渗透系数为每秒0.001厘米，最上面的沥青混凝土防渗性能极好，渗透系数低于每秒10-6厘米。显而易见，利用以上防渗措施，杜绝了使用单一沥青混凝土地基适应性不佳的问题，确保了防渗效果，也显著加强了封堵结构的承载力。

2.水库工程库底封堵施工方法确定

2.1 建模过程分析

ANSYS是一款大型商用有限元软件，是美国ANSYS公司研制的，其功能完善而强大，尤其是模型的调整可以通过与CAD的数据交换实现，不仅让网格划分更有效、更合理，而且让计算时间显著缩短。所以，本工程实施采用的软件为ANSYS，以本文案例工程水库实地检测结果以及设计方案为参考构建数值计算模型。为了保证计算的高效率和稳定性，可以适当地概化处理几何模型，进行模型边界的绘制，计算模型图的生成可以通过提取相关数据导入模型完成，然后构建网格。基于必须具备一定的计算效率和可靠的精度，可以对计算模型实施网格单元剖分，并加密处理库底防渗的局部区域。

在本文的试验中，相应水位的设定是选取两侧库壁的表层单元和封堵结构的顶部，并给予对应的水压力；淤沙荷载的施加可以选取库底防冲层的顶部单元线，并可以视作规格为45.56 kN/m的线性压力。模拟计算可以在两种工况下进行，即建成期和蓄水期。其中库区建成使用阶段常规蓄水位高度的计算，库底与水面高度的最大位差40.07米，在这种情况下，通常是三个方面形成库底封堵结构承载的负荷：水压力、封堵结构自重和淤沙荷载。因为水库建成期间没有蓄水，可以只考虑封堵结构的自重负载。

2.2 结果比较分析

2.2.1 沉降量比较

通过本文构建的有限元计算模型对防渗结构沉降变形程度实施计算，计算的条件是两种不同的施工方式下竣工期和运行期的沉降情况。计算结果显示，封堵结构的最大沉降量，不管是建成期还是蓄水期，都会出现在库底中轴线位置，也就是堆石层与过渡层相交的地方，距离该位置越近沉降量就越大，距离该部位越远，沉降量就越小。从计算结果中将沉降量最大值提取出来，结果显示，利用分层碾压填筑的方式最大沉降量数值偏小，沉降量减少了1.11厘米，减小幅度为5.13%；比起一次性填筑方式，沉降量减小1.70厘米，减小幅度为6.89%。所以，通过沉降量的比较，较优的施工方式是分层填筑法。

2.2.2 两种方式的应力比较

水库工程建成之后便进入蓄水运行阶段，而且比起建成期防渗结构应力，运行期更大。所以，在本文的试验中不但模拟计算了运行期不同施工方式下的应力，而且按照分析结果作为选择施工方式的参考依据。考虑到防渗结构不同部位都会有不同的应力分布特征，在研究中会从模拟计算数据中分别提取模型左边、右边的大主应力的计算结果，同时按照计算结果绘制对比图（见图1，图2）。

图1 左大应力对比图

图2 右大应力对比图

对比研究显示，以上两种施工方式的拉应力在断面左右两边变化特征差距特别明显。如果选择分层施工方式，该位置的拉应力在缩减，只是占据一次性填筑方式的六分之一，足以显示利用分层施工方式可以显著减小防渗结构外围表层的拉应力。分析中部的应力分布状态，不管选择哪种方式，最大主应力都会转变为压应力，并且与增加的深度成正比。对比两种施工方式，低于3米的深度时，应力值大的为一次性填筑方式，而如果在3米以下的深度，应力值较大的为分层填筑方式，但二者的数值差距较小。显而易见，采用何种施工方式对防渗结构受压区域没有太大的影响，但受拉区应力值影响很明显，如果利用分层填筑法，受拉区域应力值明显偏小，这样的状态更有利于沥青混凝土防渗层的高度稳定。本文通过比较两种施工方式的工期和成本，显示差距不大，故而应该选择分层填筑的施工方案。

3.结论

本文通过以上的案例工程，结合该区域的地质结构和渗漏属性，确定了柔性的封堵方案，即填石＋沥青混凝土面板；针对沉降变形的状况，利用的施工方式是沉降量较小的分层碾压填筑的方法；分析应力分布拉施工方式，对防渗结构受压区域没有明显的影响，而选择分层填筑施工手段，应力值在受拉区域内偏小，该方式切实可行；通过比选，建议本工程选择分层填筑的施工方案。