土石壩加高對既有低彈模防滲墻應力及變形影響分析

郎 敏，陳向明，李 佳，鄧成發，謝中凱

（1.武義縣水務局，浙江 武義 321200；2.武義縣宣平溪水電工程管理處，浙江 武義 321200；3.萬邦工程管理咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；4.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規劃設計研究院），浙江 杭州 310017；5.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江 杭州 310017）

低彈性模量防滲墻由于具有較好的防滲性能和較強的變形協調性，常用于土石壩防滲加固[1-4]，特別是中高壩應用較為廣泛，取得較好的加固效果?，F階段由于優秀壩址稀少，同時新建水庫投資巨大且時間漫長，常需要十幾年甚至幾十年時間，利用現有大壩進行加高不失為一種經濟可行的方案。針對土石壩加高，國內眾多學者進行了相關研究[5-8]，但均未涉及既有防滲墻土石壩的加高工程案例。本文針對典型工程，研究既有防滲墻土石壩加高過程中，防滲墻彈性模量對防滲墻變形及應力的影響，為類似工程提供借鑒和參考。

1 計算模型及參數

1.1 計算模型

某水庫為黏土心墻土石壩，最大壩高30 m，上游坡度1：2.00，下游坡度1：1.75，大壩中部混凝土防滲墻厚0.8 m，心墻上、下游坡比為1：0.25，防滲墻入巖深度0.5 m。大壩加高5 m，加高部分采用鋼筋混凝土面板與趾板共同作用形成防滲體，河床段趾板直接設于原攔河壩壩頂之上，與原壩體混凝土防滲墻連接。大壩典型斷面見圖1。

圖1 大壩加高斷面示意圖 單位：m

1.2 計算參數

壩體采用鄧肯-張E-B 模型（見表1），防滲墻為低彈模防滲墻，采用線彈性模型，彈性模量為分別取2、4、6、8、10 GPa，泊松比為0.2。防滲墻與黏土心墻之間設置Coulomb 摩擦，摩擦系數取0.4，防滲墻與基巖之間為固結灌漿。

表1 大壩填筑材料模型參數表

1.3 加載過程

考慮到壩體施工分層填筑的特點和堆石的非線性特性，荷載采用逐級施加的方式，壩體施工填筑高程每級加載2 m。施工完成后分級蓄水至正常蓄水位180 m。

2 計算結果分析

施工填筑完成后，大壩垂直位移、水平位移分布見圖2～3。大壩最大沉降量為12.57 cm，出現在新堆石料內2/3 壩高附近；最大向上游水平位移為1.32 cm，出現在老壩體中部的防滲墻下游側；最大向下游水平位移為4.65 cm，出現在新堆石料內1/3 壩高附近。監測新填筑體的內部水平位移、垂直位移和防滲墻水平位移時，監測設施應根據計算最大值的位置進行布設。

圖2 填筑完成后大壩加高垂直位移云圖 單位：m

圖3 填筑完成后大壩加高水平位移云圖 單位：m

填筑完成及蓄水后防滲墻最大、最小主應力及位移分布見圖4～13。由圖4～13 可見：

圖4 填筑完成后防滲墻上游側最大主應力圖

（1）填筑完成后，防滲墻上游側中上部及墻身與基巖交界處表現為受拉狀態，且隨著墻身彈性模量的增加，最大主拉應力逐漸增大；最小主應力自墻頂至墻底逐漸增大，且隨著墻身彈性模量的增加，墻底壓應力逐漸增大。最大主拉應力計算值小于低彈模防滲墻允許抗拉強度0.8 MPa，最小主壓應力計算值小于抗壓強度允許值8.4 MPa。蓄水后，防滲墻上游側最大主拉應力明顯減小，僅在彈性模量較大時，中上部略呈受拉狀態；最小主壓應力有所減小，壓應力極值出現在墻身與基巖交界處。

（2）填筑完成后，防滲墻下游側最大主應力和最小主應力隨墻身彈性模量的增加而增大，當防滲墻彈性模量小于等于6 GPa 時，最大主拉應力極值出現在墻頂以下約6 m 深處；當防滲墻彈性模量大于等于8 GPa 時，最大主拉應力極值出現在墻身與基巖交界處。最小主壓應力極值基本出現在墻頂以下約26 m 深的位置。最大主拉應力值和最小主壓應力值均小于允許抗拉和抗壓強度值。蓄水后，防滲墻下游側拉應力明顯減小，墻身中下部均表現為壓應力，僅在彈性模量較大時，墻身中上部有較小的壓應力；最小主壓應力有所增大，極值點出現在墻身與基巖交界處，但仍小于允許抗壓強度。

（3）填筑完成后，防滲墻整體表現為向上游位移，墻身中部位移最大，約為12.0 mm，墻頂向下游位移最大約6.7 mm。蓄水后，墻身整體向下游位移，撓度明顯減小，墻頂向下游位移明顯增大，最大約為18.7 mm?？傮w上，防滲墻彈性模量對水平位移影響不大。

圖5 填筑完成后防滲墻上游側最小主應力圖

圖6 蓄水后防滲墻上游側最大主應力圖

圖7 蓄水后防滲墻上游側最小主應力圖

圖8 填筑完成后防滲墻下游側最大主應力圖

圖9 填筑完成后防滲墻下游側最小主應力圖

圖10 蓄水后防滲墻下游側最大主應力圖

圖12 填筑完成后防滲墻水平位移圖

圖13 蓄水成后防滲墻水平位移圖

3 結論

本文針對低彈性模量防滲墻土石壩加高進行數值分析，得到結論如下：

（1）大壩最大沉降量出現在新堆石料內2/3壩高附近；最大向上游水平位移出現在防滲墻下游側，最大向下游水平位移出現在新堆石料內1/3 壩高附近。應結合計算的極值位置布設監測設施。

（2）隨著混凝土防滲墻彈性模量的增加，防滲墻上、下游側最大及最小主應力均逐漸增大。蓄水可減小防滲墻上、下游側的拉應力，防滲墻下游側壓應力有所增大。

（3）防滲墻彈性模量對防滲墻水平位移影響不大。水庫蓄水可抵消由于大壩加高堆載引起的防滲墻向上游的水平位移。