基于数值模拟法的土石坝防渗墙加固效果分析

吴 楚

（江西省水投建设集团有限公司，城市 南昌 330000）

0 引言

伴随中国水利水电工程建设的快速发展，水库大坝的稳定性成为影响水库安全运营的主要影响因素，水库大坝的防渗问题也引发了越来越多的学者研究。徐颖等基于ABAQUS数值模拟研究了瀑布沟砾石图心墙土石坝渗流场特性。结果表明，当防渗墙渗透系数较小时，主、副墙渗透系数变化对坝基渗流分布影响可以忽略。常利营等基于数值模拟研究了砾石土粗粒含量对高土石坝蓄水期渗流的影响。结果表明，在均匀蓄水情况下，坝体心墙内最大渗透坡降随蓄水速度的增加显著增大，实际工程中应合理考虑蓄水速度。宁威锋基于COMSOL计算了水库土石坝体渗流特征，给出了合理的防渗措施。研究结果可为水利工程中防渗墙设计及渗流分析提供参考。张守仁基于Geo-studio软件建立了土石坝计算模型，系统对比了仅考虑饱和渗流与考虑饱和-非饱和渗流状态下土石坝稳定性异同。研究结果表明，考虑饱和-非饱和渗流状态下土石坝稳定性计算结果比仅考虑饱和渗流状态更为合理。

考虑到目前在进行土石坝相关分析中，大多数的研究不能较好地模拟渗流体力相关因素。文中在前人的研究基础上，依托某大型水利工程，针对大坝防渗墙渗漏问题，提出加固方案，系统地分析了不同计算工况下防渗墙的加固效果，文中的研究可为防渗墙的设计及优化设计提供工程参考。

1 工程概况

文中研究的土石坝为典型均值土石坝，坝高200m，顶宽15m，土石坝上游坡比为1:2.8，下游坡比为1:2.5。该土石坝属于大（1）型水坝。根据现场调查，由于坝体内部的混凝土防渗墙形成隔水屏障导致局部出现绕流渗漏问题，对大坝的安全运营造成一定的威胁。

为保证大坝的安全运营，经技术论证，提出两套坝体加固方案。其中方案一：通过坝体内高压螺旋喷浆技术进行加固；方案二：新建防渗墙进行加固。针对方案一，考虑到高压螺旋喷浆技术会造成墙体底部不可逆的损伤。相关研究表明，混凝土防渗墙在防渗效果以及和坝体在变形协调方面均比较好，另外，混凝土防渗墙可以大大减小塑性区体积。考虑到高压螺旋喷浆技术和混凝土防渗墙的优缺点，并经过充分论证，拟采用新建防渗墙进行加固处理手段进行处理。

2 数值计算模型

根据坝体典型剖面建立数值计算模型。其中顺河流方向设为x 轴，高度方向为z 轴。网格主要采用4 节点单元。数值计算中，为了提高计算效率，假定土石坝为不透水地基。此外，此次数值模拟及边界条件忽略了坝体与基岩间的相互作用。数值计算的岩土体力学参数根据室内土工试验获得，主要材料的力学参数见表1所示。

表1 材料物理力学参数汇总表

为充分研究不同工况下防渗墙的内力和变形情况，根据实际运行情况制定了两种工况：工况一：大坝加固竣工后蓄水位为165 m时的工况；工况二：大坝运营正常蓄水位为185 m时的工况。

3 结果与分析

3.1 防渗墙变形响应

图1得到工况以下的坝体孔隙水压力分布图。结果表明，在大坝竣工后蓄水位为165 m 时孔隙最大渗透压力为0.57MPa，且渗透压力的最大值出现在坝体中心底部。而工况二大坝运营正常蓄水位为185m 下的孔隙最大渗透压力为0.68 MPa。总体来看，两种工况下的渗透压力分布规律基本相同。

图1 工况一下坝体的孔隙水压力

图2 得到在不同工况下加固前后坝体位移分布规律。结果表明，在其他条件相同的情况下，加固后的坝体位移在两种工况下均有明显减小。加固前后防渗墙的位移随墙高度的增加而增大，对于防渗墙未加固的工况一而言，防渗墙在墙底的位移基本为零，在工况二下墙底的位移显著增大至3.90 cm；加固后防渗墙在墙底的位移基本为0，而在工况二下墙底的位移仍然趋于0；证明采用本文推荐的方案对墙底岩土体的破坏作用非常小。此外，对于加固前后墙顶位移而言，加固前在工况一下墙顶位移为5.20 cm，在工况二下墙顶位移为11.30 cm，而对于加固前后在工况一下墙顶位移为4.10 cm，在工况二下墙顶位移为9.90 cm。综合来看，加固前后防渗墙的变形均比较小，防渗墙墙底位移显著小于墙顶位移。但根据结果来看，防渗墙加固后的变形相对于加固前的变形有所减小，证明加固效果明显。

图2 加固前后坝体位移图

3.2 防渗墙应力响应

前文对比分析了不同工况下加固前后防渗墙的变形规律。为进一步确定不同工况下防渗墙内力分布规律。文中计算了不同工况下防渗墙加固前后的内力分布见图3-图6。

图3 加固前防渗墙上游应力分布图

图3和图4得到在不同工况下加固前防渗墙上游和下游应力分布规律。结果表明，在其他条件相同的情况下，工况一下加固前防渗墙上游和下游的第一主应力最大值分别为0.69 MPa和0.74 MPa；工况二下加固前防渗墙上游和下游的第一主应力最大值分别为0.42 MPa和0.50 MPa；工况一下加固前防渗墙上游和下游的第三主应力最大值分别为0.23 MPa 和0.21 MPa；工况二下加固前防渗墙上游和下游的第三主应力最大值分别为-0.10 MPa和0.18 MPa。

图4 加固前防渗墙下游应力分布图

图5和图6得到在不同工况下加固后防渗墙上游和下游应力分布规律。结果表明，在其他条件相同的情况下，工况一下加固后防渗墙上游和下游的第一主应力最大值分别为4.2MPa和4.20 MPa；工况二下加固后防渗墙上游和下游的第一主应力最大值分别为3.50 MPa 和3.7MPa；工况二下加固后防渗墙上游和下游的第三主应力最大值分别为0.40 MPa和0.40 MPa；工况二下加固前防渗墙上游和下游的第三主应力最大值分别为0.50 MPa和0.48 MPa。

图5 加固后防渗墙上游应力分布图

图6 加固后防渗墙下游应力分布图

综合来看，两种工况下加固后防渗墙的防渗能力有所提高，墙体的拉、压应力均在混凝土强度的允许范围内。因此，加固后的防渗墙可以满足规范要求的安全性要求。

4 结论

文中采用数值模拟研究了土石坝防渗墙加固效果。分析了防渗墙加固前后的内力及变化规律。结果表明：新建混凝土防渗墙具有防渗效果好，经济性高的优点。加固后的坝体位移、及变形明显减小，防渗墙墙底位移显著小于墙顶位移，防渗墙的防渗效果均能满足规范要求，防渗墙的拉压应力均小于混凝土的允许承载力。混凝土防渗墙具有防渗效果好，变形能力强的优点，可用于水库大坝防渗加固。建议采用混凝土防渗墙进行处理时，尽量采用低模强比及高非线性指数的混凝土材料。由于坝体防渗措施的选择与坝体形式、材料、等多因素有关，在选择防渗加固措施时应结合实际情况进行综合比选确定。