广西澄碧河水库大坝防渗加固设计

熊美林 彭文祥

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

·水利工程·

广西澄碧河水库大坝防渗加固设计

熊美林1,2彭文祥1,2

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

澄碧河水库大坝中已有混凝土防渗墙防渗，但由于运行多年，防渗墙质量存在缺陷，防渗效果较差，须进行防渗加固，根据澄碧河水库大坝的具体情况，对大坝存在的渗漏问题进行了分析，提出了相应的防渗加固措施，加固效果明显，为已有防渗墙的土坝防渗加固设计提供了参考。

澄碧河，除险加固，防渗，土石坝

1 工程概况

澄碧河水库位于广西百色市，距百色市城区约7 km，为大(1)型水利枢纽工程。水库正常蓄水位185.0 m，死水位167.0 m，总库容11.21亿m3。地震基本烈度为7度。目前大坝坝顶高程190.4 m，最大坝高70.4 m，坝顶长425.0 m，坝顶宽6.0 m。大坝为粘土心墙与混凝土防渗墙结合的土坝，混凝土防渗墙厚0.8 m，墙顶高程188.2 m，墙底高程除右岸少部分为133.0 m外，其余为140.0 m，伸入粘土心墙，粘土心墙顶高程为150.0 m，最大宽约为110 m。坝体内有两条穿坝涵管，引水发电管及灌溉管。

澄碧河水库大坝自运行以来险情不断。大坝于1958年9月动工兴建，1961年10月基本建成，大坝坝顶高程188.20 m。1960年9月，大坝施工到高程185 m时，坝体出现裂缝，至1961年1月底，共产生72条裂缝，大坝下游发现渗水。1962年8月起对坝体进行帷幕灌浆。1971年8月，库水位首次达到181.5 m时，下游坝坡严重渗水，高程174.0 m处2个渗水点呈现集中射流状，坝坡渗水面积达4 315 m2。1972年1月～5月，大坝下游坡根据坝面渗水区设导渗沟，导渗沟布置呈“Y”或“W”型，沟深1.0 m～1.2 m、宽0.6 m～0.8 m，间距7.0 m，内填沙、卵石。上游坝坡高程174.0 m以上做粘土防渗斜墙，厚1.0 m～2.0 m，并用混凝土预制块护坡。1972年4月，开始混凝土防渗墙的设计与施工。混凝土心墙厚0.8 m，其轴线位于坝顶中部偏下游侧，墙顶高程188.20 m，深48.2 m～55.2 m，两岸的混凝土心墙底部深入基岩1.0 m，其余位置伸入粘土心墙，但在引水发电管及灌溉管部位，混凝土心墙底部在引水管上方，分别高出两管3.8 m和2.2 m。混凝土防渗墙施工完毕后，坝顶加高至190.40 m。由于混凝土心墙在引水发电管及灌溉管处留有缺口，且混凝土心墙54号槽孔段存在质量缺陷，上述部位的下游坝坡仍有渗水，且当库水位超过180 m时，右坝肩下游侧高程178 m处的山体有绕坝渗漏。因此，1987年—1998年间水库第二次除险加固时，采用高喷灌浆对两条引水发电管、原灌溉管周边的混凝土防渗墙缺口和心墙54号槽孔进行了加固，同时对两坝肩进行了帷幕灌浆。

2 防渗墙质量检测

大坝虽经多次加固，但随着时间的推移，墙前、墙后水位差明显减少，仍存在较多的渗流安全隐患。目前，大坝中部下游坝坡140.5 m平台处，长年渗水。渗水量与大坝上游水位有一定关联。为查清大坝渗流的实际状况，本次设计对大坝防渗墙做了较为全面的质量检测。通过对大坝20年来测压管资料的分析，发现在相近的库水位下，随着防渗墙使用年限的增加，部分墙段上下游水位差趋于减小，坝体浸润线逐渐抬高。在勘察过程中还选取了4个钻孔，使用孔内超声波检测法对其进行了无损检测。孔内声波检测表明：混凝土防渗墙连续性较差，局部存在波速较低的部位。同时还使用了钻孔电视成像法检测，钻孔电视成像显示孔壁混凝土质量不均匀，砂浆质量较差，振捣不密实，岩芯为散块状，卵砾石骨料与砂浆胶结差，表面粗糙，多蜂窝麻面，横向裂缝及纵向裂缝发育。另外对混凝土防渗墙上4个钻孔进行了16段压水试验，成果统计表明：大坝混凝土防渗墙大部分属弱透水性，但有两段为中等透水性，大于设计对混凝土防渗墙的防渗要求。综上所述，大坝防渗墙质量不均匀，局部存在裂缝，混凝土防渗墙质量存在缺陷[1]。因此，应对大坝进行防渗加固，见图1。

3 防渗加固设计

澄碧河水库大坝在加固过程中曾经采用过下游坝坡设导渗沟、上游坝坡设粘土防渗斜墙的方案，但加固效果均不明显，最后于1974年采用坝体防渗墙的措施加固。但限于当时的施工条件，防渗墙最大深度仅为55.2 m，深入粘土斜墙，并未入岩，在两条坝内埋管位置，防渗墙也仅位于埋管上方，并未穿过埋管，截断埋管处的接触渗漏通道，为后期运行留下了很多渗漏隐患。对于土坝的防渗措施主要有垂直防渗和水平防渗。垂直防渗能全面、系统、可靠的解决坝体渗流问题。垂直防渗加固措施目前应用较为广泛的有防渗墙和高喷灌浆两种型式。澄碧河水库大坝最大坝高70.4 m，防渗体最深处大于70 m，且水库大坝经过多年的运行，已沉降完成。坝体下部又为粘土心墙，填筑密实，采用高喷灌浆，成墙深度达75 m以上，成墙困难。在水库大坝98年加固时，曾对引水发电管、灌溉管及心墙54号槽孔等部位进行过高喷灌浆，但运行几年后，防渗加固效果不明显。因此，经综合研究，采用新建混凝土防渗墙+坝基帷幕灌浆方案对大坝进行防渗加固。即在大坝混凝土防渗墙下游侧增加一道新的混凝土防渗墙，防渗墙穿过坝体嵌入基岩，弱风化岩层入岩0.5 m，强风化岩层入岩1.0 m，以新建混凝土防渗墙替代原粘土心墙和原混凝土防渗墙的防渗功能。新建混凝土防渗墙轴线长390.0 m(桩号K0+000 m～K0+390 m)，最大墙深约75.2 m，中心线位于原防渗墙轴线下游侧4.0 m，墙厚0.8 m，混凝土强度等级为C15，抗渗标号为W8。该方案可有效地解决原防渗墙防渗效果较差的问题，还可在两条坝内埋管的位置，截断两条埋管，防渗墙底部直接深入基岩，彻底解决老防渗墙与两条埋管处的接触渗漏问题，见图2。

大坝坝基局部地段受裂隙及断层的影响，透水率达10 Lu～43 Lu，具中等透水性，采用帷幕灌浆进行防渗处理。帷幕灌浆轴线与新建混凝土防渗墙中心线重合，长度445 m(桩号K0-020 m～K0+425 m)，其中防渗墙下采用墙下帷幕灌浆，该段帷幕长390 m，坝肩段采用压浆板下灌浆，帷幕深至基岩透水率5 Lu线以下5 m，最大孔深28 m。

但由于大坝内现已有防渗墙，新建防渗墙距离老防渗墙较近，新防渗墙深超过70 m，且大坝处于7度地震烈度区，为确保大坝工程安全，必须对采用加固方案后大坝新、老防渗墙的应力变形进行复核计算。

4 防渗墙应力变形分析

大坝应力变形计算采用基于Biot固结理论的有效应力有限元分析方法。其中，土体静力计算模型采用“南水”双屈服面弹塑性模型，动力模型采用等价粘弹性模型，混凝土防渗墙采用线弹性模型。为模拟防渗墙与周边土体的接触特性，周边设置3 cm厚泥皮单元，墙底设置15 cm厚沉渣单元。

有限元计算时模拟填筑、蓄水顺序为：1958年—1961年大坝建成→1970年大坝蓄水至181.5 m高程→1972年4月防渗墙施工→大坝蓄水至正常蓄水位185 m高程→大坝正常运行38年→上游水位降落至死水位165 m高程→新混凝土防渗墙施工→下游帮坡填筑→坝顶回填→大坝蓄水至正常蓄水位185 m高程。地震动输入采用以场地谱为目标谱的人工合成地震波。本工程大坝以100年超越概率2%结果作为抗震设防依据。

1)加固前老防渗墙静力作用下的应力变形分析。通过计算分析，加固前老混凝土防渗墙的挠度变形表现为指向下游的变形，最大值为7.46 cm。老混凝土防渗墙上、下游面大主应力最大值分别为0.36 MPa，0.34 MPa，小主应力总体为拉应力，但拉应力数值不大，上、下游面拉应力最大值分别为0.18 MPa，0.50 MPa。老防渗墙压、拉应力均在C15混凝土强度允许范围内。由于老防渗墙为大坝基本建成10年后所建设，且墙体并未嵌入基岩，墙内应力较小，墙体应力满足要求，见表1。

表1 加固前老防渗墙应力变形值

2)加固后新、老防渗墙静力作用下的应力变形分析。大坝加固竣工时，老防渗墙挠度指向下游，墙顶最大挠度为5.34 cm，新防渗墙挠度指向下游，墙顶最大挠度值为3.68 cm；蓄水至正常蓄水位后，老防渗墙墙顶挠度增加到11.09 cm，新防渗墙坝顶挠度增加到9.37 cm。老防渗墙墙体上游侧，大坝加固完毕时大主应力最大值0.75 MPa，小主应力最大压应力值0.24 MPa，最大拉应力值0.13 MPa，正常蓄水位下，大主应力最大值0.48 MPa，小主应力最大压应力值0.22 MPa，最大拉应力值0.26 MPa；墙体下游侧，大坝加固完毕时大主应力最大值为1.04 MPa，小主应力最大压应力0.24 MPa，最大拉应力0.09 MPa，正常蓄水位时大主应力最大值0.72 MPa，小主应力最大压应力值0.17 MPa，最大拉应力值为0.21 MPa。大坝加固完毕时，新建防渗墙上游侧和下游侧大主应力最大值均为4.34 MPa，小主应力压应力最大值分别为0.43 MPa，0.37 MPa，拉应力最大值分别为0.09 MPa，0.24 MPa；蓄水至正常水位时，上游侧和下游侧墙体大主应力最大值分别为3.56 MPa，3.52 MPa，小主应力压应力最大值为0.38 MPa，0.34 MPa，拉应力最大值分别为0.09 MPa，0.18 MPa，见表2，表3。通过上述分析，大坝加固完毕以及正常蓄水位运行时老防渗墙和新建防渗墙的压、拉应力均在C15混凝土强度允许范围内。

表3 加固后新防渗墙应力变形值(一)

3)加固后新、老防渗墙地震作用下应力变形分析。地震作用下老防渗墙挠度变形指向下游，最大值为10.4 cm，位于墙顶；新建防渗墙挠度分布，变形指向下游，最大值为10.8 cm，位于墙顶。老防渗墙墙体动应力随着高程的增加而增大，最大动应力位于墙顶。100年超越概率2%地震情况下老防渗墙上游大主应力最大值为3.67 MPa，小主应力(拉应力)最大值为2.23 MPa；下游大主应力最大值为3.65 MPa，小主应力(拉应力)最大值为2.22 MPa。静动应力叠加，老防渗墙上游侧压应力最大值为3.98 MPa，拉应力最大值为2.48 MPa，下游侧压应力最大值为4.08 MPa，拉应力最大值为2.43 MPa。最大值均发生在防渗墙顶部。考虑混凝土的

动态强度要比静态强度高30%以上，可见，发生100年2%概率地震，老防渗墙的压应力在C15抗压强度允许范围内，墙体不会发生压裂破坏，顶部附近的拉应力则超出了C15抗拉强度，但由于墙体应力随地震过程动态变化，最大动应力只是瞬时作用，不能与静应力等同看待，此外，由于未模拟拉应力超过混凝土抗拉强度后混凝土出现破损后的应力调整，拉应力为累加应力，故所计算出的拉应力峰值是偏大的，因此可以认为该部位混凝土并不会发生严重的拉裂破坏。

100年超越2%地震概率水平情况下新建防渗墙上游侧大主应力最大值为3.75 MPa，小主应力(拉应力)最大值为1.97 MPa；下游侧大主应力最大值为3.77 MPa，小主应力(拉应力)最大值为1.96 MPa。最大值均发生在墙顶。新建防渗墙上、下游侧静动应力：上游侧最大压应力为4.62 MPa，最大拉应力为2.17 MPa，下游侧最大压应力为4.59 MPa，最大拉应力为2.20 MPa。最大值均发生在防渗墙顶部，见表4，见表5。

表4 加固后老防渗墙应力变形值(二)

表5 加固后新防渗墙应力变形值(二)

发生100年2%概率地震，新建防渗墙的压应力在C15抗压强度允许范围内，墙体不会发生压裂破坏，顶部附近的拉应力则超出了C15抗拉强度，但考虑到最大动应力只是瞬时作用，因此可以认为该强度地震不会导致该部位混凝土发生严重拉裂破坏。

通过计算分析认为大坝防渗墙位置布置合理，竣工期、运行期以及地震作用下，均不会发生破坏。

5 结论和建议

澄碧河水库大坝防渗墙于2015年1月正式开始施工，施工过程中未出现塌孔、上下游坝坡及坝顶开裂等现象。2015年5月新建混凝土防渗墙完工至今运行良好，下游坝坡未发现渗水等现象。病险水库大坝除险加固工程中防渗加固设计是工程中的重要方面，也是决定加固是否成功的关键因素。我国众多的病险水库大坝普遍存在渗漏和渗透稳定的病害问题。且很多存在渗漏和渗透问题的土坝中已经建有防渗墙，澄碧河水库大坝防渗加固设计的成功实施，对这种已有防渗墙的土坝防渗加固具有较强的现实意义。

[1] 李 亮，徐复兴，高建华.广西澄碧河水库混凝土防渗墙质量检测与评价[J].人民长江，2011，42(22)：65-67.

Analysisonstress-deformationofdiaphragmwallforthedamofGuangxiChengbiriverreservoir

XiongMeilin1,2PengWenxiang1,2

(1.ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan430010,China； 2.NationalDamSafetyResearchCenter,Wuhan430010,China)

The dam of Chengbi river reservoir has a concrete diaphragm wall, but it has quality defects because of operating so many years. The seepage prevention is becoming less effective, so have to reinforce the anti-seepage system. According to the specific conditions of the dam of the reservoir, the seepage problems of the dam are analyzed, the corresponding anti-seepage reinforcement measures are put forward. The reinforcement effect is obvious. Offers a reference for the application to reinforce the anti-seepage system of the earth-dam which has the old diaphragm wall.

Chengbi river, danger elimination and reinforcement, seepage control, earth-dam

1009-6825(2017)32-0192-03

2017-09-05

熊美林(1984- ),女，工程师； 彭文祥(1987- )，男，工程师

TV641.2

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