龙王庙卧虎水库工程库底封堵方案与施工方法

王彪东

（辽宁建昌县水利科技推广中心，辽宁建昌125300）

1 工程概况

龙王庙卧虎水库工程为辽宁省丹东市2018 年本级小型农田水利工程，坝址位于东港市龙王庙镇卧虎村境内的大洋河支沟上，属于一座以灌溉为主，兼有防洪功能的小型农田水利工程，工程建成之后可以为龙王庙镇的5 个自然村提供比较稳定的灌溉水源，对提高当地的农业生产水平具有重要意义。龙王庙卧虎水库为堆石坝坝型设计，坝址以上集雨面积16.45 km2，设计库容105 万m3。水库的正常蓄水位为354.20 m，设计洪水位357.74 m，校核洪水位359.23 m。由于坝址区存在一条基本呈南北走向的断层，库区底部受断层破碎带的影响，在水库蓄水之后渗漏的可能性较大[1]。由此，水库的成库条件相对较差，需要对库盆进行防渗处理。

2 库底封堵方案

2.1 封堵方案的选择

根据对水库渗漏情况的分析和评价，水库蓄水后主要沿着断层破碎带向库外渗漏，由于水库库底面积不大，且上游的来水量较小，因此应该采取全封闭的库底防渗处理方式[2]。在原始封堵方案设计中，拟采用C25 混凝土刚性圆弧拱壳体封堵方案，中心厚度和两端厚度分别为4.2 m 和2.5 m。虽然该封堵方式具有强度高，封堵效果好的优势，但是对库底的岩层基础也提出了较高的要求[3]。由于水库库区位于断层破碎带形成的天然沟谷上，地质情况十分复杂。对库底的地质探查结果显示，其覆盖层较厚，最后的部位达到45.0 m，按照刚性壳体方案封堵，不仅基础条件难以满足，同时也会带来较高的投资成本，因此原方案不具有可行性[4]。结合我国西南岩溶地区岩溶漏斗水库封堵的工程经验，拟采用库底柔性防渗封堵方案[5]，其基本思路是清除表土，对下层的土石层碾压夯实之后作为水库库底的持力层，然后采用填石＋沥青混凝土面板的柔性封堵方案。

2.2 封堵方案设计

结合相关研究成果，以水库的工程地质情况为依据，设计具体的封堵方案，其柔性封堵结构自下而上由4 层构成：最下层是巨石块料换填，厚度为5.0 m；鉴于库区沉积层承载力明显不足，在施工中先行铺设厚度为2.0 m 左右的巨石块石料，碾压后供施工车辆通行，然后再铺设厚度为3.0 m 的巨石块料；在巨石块料的上层铺设厚度为1.0 m 的碎石块石层，作为过渡层；然后在其上部铺设厚度为1.0 m 的碎石层，碾压密实之后，在其上部铺设厚度为0.9 m 的沥青混凝土面板。

按照上述设计方案，最下层的巨石换填层可以形成良好的库底排水通道，上部的过渡层由碎石块构成，其渗透系数约为0.010 cm/s，其上层的碾压碎石垫层渗透系数为0.001 cm/s 左右，最上层的沥青混凝土具有良好的防渗性能，其渗透系数小于10-6cm/s。显然，采用上述防渗方案，可以有效解决单纯使用沥青混凝土的地基适应性差的问题，能够保证防渗效果的同时大幅提升了封堵结构的承载能力。

3 施工方法的确定

根据上文的施工方案，在进行施工设计时有两种不同的施工方法选择：一次性施工和分期分层施工。因此，研究中利用数值模拟的方法，对上述两种施工方法进行评价，以获取更适合的施工方法。

3.1 有限元计算模型的构建

ANSYS 有限元软件是ANSYS 公司推出的一款大型商用有限元软件，具有十分完善和强大的功能，特别是可以通过与CAD数据的交换，实现模型的简单调整，提升网格划分的合理性与有效性，可以节省大量的计算时间[6]。因此，此次研究选择ANSYS 有限元软件，以龙王庙卧虎水库实地测量结果及设计资料为依据进行数值计算模型的构建。

考虑到防渗区域面积较大，难以进行全面模拟计算，因此选择最具代表性的6-6断面进行有限元模型建模计算。根据模型的率定及计算要求，研究中以水库的原始地形为基础建立计算的几何模型[7]。首先，利用Arcgis 地形处理技术，利用库区的CAD 资料建立原始地形图。为了提升运算的稳定性和效率，对几何模型进行必要的概化处理，在绘制模型边界，提取相关数据导入模型生成计算模型图并构建网格[8]。综合考虑计算效率和模拟精度的要求，对计算模型进行网格单元剖分，并对库底防渗施工区域进行局部加密处理。最终，模型划分为28 743 个计算单元。计算模型的示意图如图1 所示。

图1 有限元模型示意图

研究中，选定封堵结构的顶部和两侧库壁的表层单元线设定相应的水位，并施加相应的水压力；选择库底防冲层的顶部单元线施加淤沙荷载，并将其视为线性压力，大小为45.56 kN/m。模拟计算分建成期和蓄水期两种工况进行。其中水库建成运行期间的正常蓄水位高度计算，其水面高度和库底的最大水位差为40.8 m，该工况下的库底封堵结构所承受的荷载主要由三方面构成：是封堵结构的自重、水压力及淤沙荷载。建成期工况由于还未蓄水运行，因此仅考虑封堵结构的自重荷载。

3.2 计算结果分析

3.2.1 沉降分析

利用上节构建的有限元计算模型，对两种不同施工方法条件下竣工期和运行期防渗结构的沉降变形进行计算。由计算结果可知，无论是建成期还是蓄水期，封堵结构的最大沉降量均出现在堆石层和过渡层交界部位的库底中轴线部位，越靠近该部位沉降量越大，越远离该部位，沉降量越小。从计算结果中提取出最大沉降量计算成果，结果如表1所示。由表1 中的计算结果可知，采用分层碾压填筑的方法最大沉降量相对较小，与一次性填筑施工方法相比，沉降量分别减小了1.12 cm 和1.71 cm，减小幅度分别为5.12%和6.90%。因此，从沉降量来看，分层填筑施工的方法较优。

表1 最大沉降量计算结果

3.2.2 应力分析

图2 左侧大主应力对比图

图3 右侧大主应力对比图

图4 中部大主应力对比图

水库建成之后随即蓄水运行，且运行期防渗结构的应力显著大于建成期。因此，在此次研究过程中仅对运行期不同施工方式下的应力进行模拟计算，并根据分析结果为施工方式的选择提供建议。鉴于防渗结构不同部位的应力分布特征明显不同，研究中分别从模拟计算结果中提取模型左侧、中部和右侧的大主应力计算结果，并根据计算结果绘制出如图2-4 所示的对比图。由图2-4可知，两种不同的施工方法在研究断面左右两侧的拉应力变化特征存在十分明显的差别。采用分层施工方法时，该部位的拉应力值明显减小，仅有一次性填筑施工方法的1/6 左右。说明采用分层施工的方法对减小防渗结构外围表层的拉应力值具有显著的作用。随着深度的增加，两种施工方法的拉应力分布呈现出明显的趋同特征，并在深度为4 m 左右的部位逐渐转变为压应力，且随着深度的增加而逐渐增加，且分层施工的压应力值也小于一次填筑施工方式。从中部的应力分布情况来看，无论采用何种施工方式，最大主应力全部表现为压应力，且随着深度的增加而不断增大。从两种施工方式的对比来看，在深度小于3 m 时一次性填筑施工方式的应力值较大，而深度在3 m以下的部位分层填筑的压应力值较大，但是两者的数值比较接近。总之，施工方法对防渗结构受压区域的影响并不明显，但是对受拉区域的应力值影响较大，采用分层填筑施工方法的情况下，受拉区域的应力值显著偏小，这对于保证沥青混凝土防渗层的稳定性具有重要意义。鉴于两种施工方法的工期和施工成本没有较大的差别，因此建议采用分层填筑的施工方案。

4 结论

此次研究以辽宁省丹东市新建的龙王庙卧虎水库为例，并确定了库区渗漏治理的工程方案和施工方法，并获得如下主要结论：

1）针对库区地质情况和渗漏特征，提出了填石＋沥青混凝土面板的柔性封堵方案；

2）从沉降变形来看，采用分层碾压填筑的方法最大沉降量相对较小，为最优施工方法；

3）从应力分布拉看，施工方法对防渗结构受压区域的影响并不明显，但是采用分层填筑施工方法的情况下，受拉区域的应力值显著偏小，为最优施工方法；

4）鉴于两种施工方法的工期和施工成本没有较大的差别，因此建议采用分层填筑的施工方案。