砌石拱坝坝体防渗形式变化对大坝应力影响探析

2021-09-02杨泉

湖南水利水电 2021年4期

杨泉

（娄底市水利水电勘测设计院，湖南娄底 417000）

20 世纪60—70 年代，娄底市共建有各种砌石拱坝7 座，砌石拱坝坝身均采用上游面板防渗，由于年久失修，坝身均出现渗漏，在除险加固中，由于水库上游普遍淤积较为严重，部分水库底涵无法开启，从上游对防渗面板加固处理实施难度极大且几无可能，势必采用对坝体灌浆变成坝体自身防渗，防渗方式的改变，会导致原坝体排水管堵塞，坝内排水系统失效，对大坝渗流场及应力会有一定影响，以涟源市大江口水库砌石拱坝为例，采用坝身充填灌浆处理后，必然堵塞原有坝内排水系统，形成实质上的坝体自身防渗形式，本文主要分析砌石拱坝坝内排水失效对大坝应力应变影响，并形成普遍性的参考结论。

1 基本情况

大江口水库枢纽位于涟水支流湄江上游，坝址坐落在涟源市湄江镇蒿子村境内，距涟源市城区47 km。大江口水库于1974 年破土动工，至1993 年大坝建成。

大江口水库是一座以灌溉为主，兼有发电、供水及防洪等综合效益的中型水利工程，枢纽工程由大坝、坝顶泄洪闸、灌溉压力涵管和坝后电站等建筑物组成。大坝为砌石双曲拱坝，最大坝高82 m，坝顶高程432 m，坝底宽25 m，顶宽5 m，厚高比为0.305，坝顶弧线长224.4 m。大坝采用正堰式溢洪道泄洪，泄洪闸5 孔8 m×5.2 m（弧形钢闸门）布置于河床坝段，溢流堰堰顶高程425.00 m，堰顶净宽40 m，大坝为上游面板防渗，防渗体后坝内设置了纵横向排水系统，大坝坝体内分布有灌浆廊道，左岸392 m 高程处、右岸370 m 高程处，坝中部在355 m 高程处，廊道之间均采用踏步相连通。

大坝坝基、坝肩基岩主要为深灰色至黑灰色薄层灰岩夹硅质条带和中厚层灰岩夹硅质透镜体互层，弱风化层内岩石节理裂隙较发育，灰岩裂隙主要为溶蚀裂隙，岩层层面上发育有小溶蚀孔。根据运行管理观察记录及现场检查，坝基中部及右坝肩存在明显绕坝渗漏，坝基基岩中心段0～30 m 内和右坝肩透水率达到15～28 Lu，左坝肩岩体0～20 m 范围内透水率8.3～27.0 Lu，均不满足要求，且右坝肩存在明显的渗漏点，漏水量达5.23 L/s；根据现场检查及量测，大坝坝身渗漏状况较严重，上游防渗面板表面不平整，局部表层脱落，坝体392 m 及370 m 高程廊道内多处漏水，廊道壁上产生白色钙化析出物，特别是在渗水较为明显的部位，析钙现象严重，渗漏量较大，达到1.1 L/s，355 m 高程廊道内积水严重，廊道内未采用水泵抽水时积水甚至到达该廊道入口高程，大坝下游面有多处漏水点，渗漏点处析钙现象明显。大坝基本剖面详见图1，大坝相关材料参数详见表1。

表1 材料物理力学参数

图1 大江口水库大坝横剖面图

2 分析计算方法及模型

为解决大坝坝身渗漏的问题，有坝上游防渗面板防渗和坝体防渗两种方式，大江口水库由于坝体淤积严重，导流低涵已经淤堵，无法降水，采用上游面板加固改造防渗难度极大，拟对大江口水库坝身渗漏采用坝体防渗的处理方式，但坝身设置有竖向排水管，如采用灌浆方式进行坝体防渗，势必把排水管封堵，本文首次提出对坝身排水管堵塞进行研究，解决了除险加固工程坝身自身防渗的技术瓶颈，为坝体防渗方案的顺利实施做好了理论支撑准备，及时总结研究该项研究成果并推广，对类似除险加固工程的坝身防渗处理方案制定具有指导意义。

2.1 主要研究内容和目标

1）分析、计算大坝在采用灌浆处理形成坝身自身防渗状态下的渗流形态、渗流量、应力变形，并判断是否符合规范要求。

2）分析、计算大坝在采用面板防渗时的渗流形态、渗流量、应力变形。

3）对比分析大坝采用面板防渗和坝身自身防渗状态下的渗流场及应力变形，判断采用坝身自身防渗的可靠性。

2.2 技术路线及创新点

1）基于已有资料的拱坝三维渗流仿真分析。根据大江口水库设计资料，建立含坝内排水系统的拱坝三维非线性有限元模型，基于大坝现况计算分析坝体在各种静态运行工况下的渗流性态，与已有监测资料对比，分析大江口拱坝坝身、坝基以及坝肩渗漏的可能原因，提出处理措施。

2）基于大坝现状的拱坝应力变形。计算分析坝体及基础的应力、变形规律和工作状态。

3）基于防渗加固方案的拱坝应力变形及稳定分析。①基于防渗加固方案，计算分析该情况下坝体在各种静态运行工况下的渗流性态；②计算分析坝体及基础的应力、变形规律和工作状态。

2.3 有限元模型及边界条件

计算模型范围：地基向上游延伸1.5 倍坝高，向下游延伸2 倍坝高，左右两岸向两边各延伸1.5 倍坝高，地基向下延伸1.5 倍坝高。其中以坝轴线（即横河向）为x 轴，从右岸指向左岸为正；以顺河向为y 轴，指向上游为正；高度方向为z 轴，以向上为正。

计算边界条件：计算域上、下游及左右边界，取水平位移约束，底部取全约束。

网格划分：模型网格采用八结点六面体单元，模型的单元总数90 929 个，结点总数97 052 个，其中坝体单元数6 540 个，结点数7 928 个。

3 分析计算主要成果及分析

本文以正常水位为典型计算工况对大坝渗流场进行分析，以正常水位+温升作为典型计算工况对坝体应力变形进行分析计算，得出相应的分析计算结论。

3.1 坝体应力应变分析

1）坝体变形。正常蓄水位＋温升工况下，加固前后的坝体变形分布规律相同，其中顺河向位移最大值增大0.54 mm，横河向位移最大值增大0.07 mm，铅直向位移最大值增大0.44 mm。

2）坝体应力。正常蓄水位＋温升工况下，加固前后的坝体应力分布规律基本相同，加固后的坝体第一主拉应力较加固前有所增大，其最大值增大0.02 MPa，加固后的坝体第三主压应力较加固前有所减小，其最大值减小0.02 MPa。

3.2 坝肩稳定分析（表2）

表2 各种工况下三维坝肩稳定计算成果表

根据规范要求，按照刚体极限平衡分析方法，所有滑块组合在加固前后各种工况下的安全系数均大于规范允许的等效安全系数3.0，同时加固后各滑块在各种工况下的安全系数基本有所增大。

计算选取的所有滑动块体按《砌石坝设计规范》SL 25-2006 计算均满足抗滑稳定要求，大江口拱坝坝肩稳定满足要求。

3.3 主要结论

大坝修复加固前，防渗面板存在渗漏通道，左右岸防渗帷幕可能失效，大坝及坝基渗漏情况严重，在对大坝进行灌浆处理，进行坝体自身防渗且重新设置防渗帷幕后，渗流情况得到改善，渗透力发生改变，坝体应力变形情况也随之改变。为此对大坝加固前后进行应力变形分析：

1）正常蓄水位＋温降工况：加固前后的坝体变形分布规律基本相同，加固后的坝体顺河向位移增大，横河向位移增大，铅直向位移基本未变；加固前后的坝体应力分布规律基本相同，加固后的坝体第一主拉应力较加固前增大，第三主压应力减小。

2）正常蓄水位＋温升工况：加固前后的坝体变形分布规律相同，加固后的坝体顺河向位移增大，横河向位移增大，铅直向位移增大。加固前后的坝体应力分布规律基本相同，加固后的坝体第一主拉应力较加固前增大，第三主压应力减小。

3）设计洪水位＋温升工况：加固前后的坝体变形分布规律相同，加固后的坝体顺河向位移增大，横河向位移增大，铅直向位移增大。加固前后的坝体应力分布规律基本相同，加固后的坝体第一主拉应力较加固前增大，第三主压应力减小。

4）死水位+温升工况：加固前后的坝体变形分布规律相同，加固后的坝体顺河向位移增大，横河向位移增大，铅直向位移增大。加固前后的坝体应力分布规律基本相同，加固后的坝体第一主拉应力较加固前减小，

第三主压应力减小。

5）校核洪水位＋温升工况：加固前后的坝体变形分布规律相同，加固后的坝体顺河向位移增大，横河向位移增大，铅直向位移增大。加固前后的坝体应力分布规律基本相同，加固后的坝体第一主拉应力较加固前增大，第三主压应力减小。

综上所述，相比加固前，加固后的大坝坝体各向位移均有所增加，应力总体呈拉应力减小、压应力增大的趋势。对坝体整体分析，可知在对大坝进行充填灌浆形成坝体自身防渗体且重新设置左右岸防渗帷幕后，坝体及坝基渗流情况得到改善，坝体渗漏情况改善，上下游总水头差增加，渗透体积力增大，其合力方向指向下游河床，因此坝体变形量增大。由于渗透体积力指向下游河床，其合力大小在大坝加固后有所增大，受拱坝通过梁和拱的作用平均荷载，导致坝踵处的拉应力增大，但同时在左右岸重新设置帷幕后，坝基绕坝渗流问题得到改善，左右岸基岩上下游总水头差增加，渗透体积力增大，左右岸坝基变形量也随之增大，通过坝基坝体的变形协调作用，加固后拱坝坝体拱的效应比梁的效应相对减弱，反映出坝肩拱端的压应力减小。因此，大坝加固并重新设置左右岸帷幕后大坝整体呈拉应力增大，压应力减小。此外，加固前后的等效最大拉应力小于容许拉应力，等效最大压应力小于容许压应力，满足规范要求。以上结果说明对大坝进行充填灌浆形成坝体自身防渗体且重新设置左右岸防渗帷幕的方案是合理有效的。

坝肩稳定分析采用刚体极限平衡法和有限元结果相结合的方法。由计算结果可知，所有滑块组合在加固前后各种工况下的安全系数均大于《砌石坝设计规范》SL 25-2006 允许的安全系数3.0，大江口拱坝坝肩稳定满足要求。同时加固后各滑块在各种工况下的安全系数基本有所增大，说明对大坝防渗面板修复加固且重新设置左右岸防渗帷幕的方案是合理有效的。