龍王廟臥虎水庫工程庫底封堵方案與施工方法

王彪東

（遼寧建昌縣水利科技推廣中心，遼寧建昌125300）

1 工程概況

龍王廟臥虎水庫工程為遼寧省丹東市2018 年本級小型農田水利工程，壩址位于東港市龍王廟鎮臥虎村境內的大洋河支溝上，屬于一座以灌溉為主，兼有防洪功能的小型農田水利工程，工程建成之后可以為龍王廟鎮的5 個自然村提供比較穩定的灌溉水源，對提高當地的農業生產水平具有重要意義。龍王廟臥虎水庫為堆石壩壩型設計，壩址以上集雨面積16.45 km2，設計庫容105 萬m3。水庫的正常蓄水位為354.20 m，設計洪水位357.74 m，校核洪水位359.23 m。由于壩址區存在一條基本呈南北走向的斷層，庫區底部受斷層破碎帶的影響，在水庫蓄水之后滲漏的可能性較大[1]。由此，水庫的成庫條件相對較差，需要對庫盆進行防滲處理。

2 庫底封堵方案

2.1 封堵方案的選擇

根據對水庫滲漏情況的分析和評價，水庫蓄水后主要沿著斷層破碎帶向庫外滲漏，由于水庫庫底面積不大，且上游的來水量較小，因此應該采取全封閉的庫底防滲處理方式[2]。在原始封堵方案設計中，擬采用C25 混凝土剛性圓弧拱殼體封堵方案，中心厚度和兩端厚度分別為4.2 m 和2.5 m。雖然該封堵方式具有強度高，封堵效果好的優勢，但是對庫底的巖層基礎也提出了較高的要求[3]。由于水庫庫區位于斷層破碎帶形成的天然溝谷上，地質情況十分復雜。對庫底的地質探查結果顯示，其覆蓋層較厚，最后的部位達到45.0 m，按照剛性殼體方案封堵，不僅基礎條件難以滿足，同時也會帶來較高的投資成本，因此原方案不具有可行性[4]。結合我國西南巖溶地區巖溶漏斗水庫封堵的工程經驗，擬采用庫底柔性防滲封堵方案[5]，其基本思路是清除表土，對下層的土石層碾壓夯實之后作為水庫庫底的持力層，然后采用填石＋瀝青混凝土面板的柔性封堵方案。

2.2 封堵方案設計

結合相關研究成果，以水庫的工程地質情況為依據，設計具體的封堵方案，其柔性封堵結構自下而上由4 層構成：最下層是巨石塊料換填，厚度為5.0 m；鑒于庫區沉積層承載力明顯不足，在施工中先行鋪設厚度為2.0 m 左右的巨石塊石料，碾壓后供施工車輛通行，然后再鋪設厚度為3.0 m 的巨石塊料；在巨石塊料的上層鋪設厚度為1.0 m 的碎石塊石層，作為過渡層；然后在其上部鋪設厚度為1.0 m 的碎石層，碾壓密實之后，在其上部鋪設厚度為0.9 m 的瀝青混凝土面板。

按照上述設計方案，最下層的巨石換填層可以形成良好的庫底排水通道，上部的過渡層由碎石塊構成，其滲透系數約為0.010 cm/s，其上層的碾壓碎石墊層滲透系數為0.001 cm/s 左右，最上層的瀝青混凝土具有良好的防滲性能，其滲透系數小于10-6cm/s。顯然，采用上述防滲方案，可以有效解決單純使用瀝青混凝土的地基適應性差的問題，能夠保證防滲效果的同時大幅提升了封堵結構的承載能力。

3 施工方法的確定

根據上文的施工方案，在進行施工設計時有兩種不同的施工方法選擇：一次性施工和分期分層施工。因此，研究中利用數值模擬的方法，對上述兩種施工方法進行評價，以獲取更適合的施工方法。

3.1 有限元計算模型的構建

ANSYS 有限元軟件是ANSYS 公司推出的一款大型商用有限元軟件，具有十分完善和強大的功能，特別是可以通過與CAD數據的交換，實現模型的簡單調整，提升網格劃分的合理性與有效性，可以節省大量的計算時間[6]。因此，此次研究選擇ANSYS 有限元軟件，以龍王廟臥虎水庫實地測量結果及設計資料為依據進行數值計算模型的構建。

考慮到防滲區域面積較大，難以進行全面模擬計算，因此選擇最具代表性的6-6斷面進行有限元模型建模計算。根據模型的率定及計算要求，研究中以水庫的原始地形為基礎建立計算的幾何模型[7]。首先，利用Arcgis 地形處理技術，利用庫區的CAD 資料建立原始地形圖。為了提升運算的穩定性和效率，對幾何模型進行必要的概化處理，在繪制模型邊界，提取相關數據導入模型生成計算模型圖并構建網格[8]。綜合考慮計算效率和模擬精度的要求，對計算模型進行網格單元剖分，并對庫底防滲施工區域進行局部加密處理。最終，模型劃分為28 743 個計算單元。計算模型的示意圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

研究中，選定封堵結構的頂部和兩側庫壁的表層單元線設定相應的水位，并施加相應的水壓力；選擇庫底防沖層的頂部單元線施加淤沙荷載，并將其視為線性壓力，大小為45.56 kN/m。模擬計算分建成期和蓄水期兩種工況進行。其中水庫建成運行期間的正常蓄水位高度計算，其水面高度和庫底的最大水位差為40.8 m，該工況下的庫底封堵結構所承受的荷載主要由三方面構成：是封堵結構的自重、水壓力及淤沙荷載。建成期工況由于還未蓄水運行，因此僅考慮封堵結構的自重荷載。

3.2 計算結果分析

3.2.1 沉降分析

利用上節構建的有限元計算模型，對兩種不同施工方法條件下竣工期和運行期防滲結構的沉降變形進行計算。由計算結果可知，無論是建成期還是蓄水期，封堵結構的最大沉降量均出現在堆石層和過渡層交界部位的庫底中軸線部位，越靠近該部位沉降量越大，越遠離該部位，沉降量越小。從計算結果中提取出最大沉降量計算成果，結果如表1所示。由表1 中的計算結果可知，采用分層碾壓填筑的方法最大沉降量相對較小，與一次性填筑施工方法相比，沉降量分別減小了1.12 cm 和1.71 cm，減小幅度分別為5.12%和6.90%。因此，從沉降量來看，分層填筑施工的方法較優。

表1 最大沉降量計算結果

3.2.2 應力分析

圖2 左側大主應力對比圖

圖3 右側大主應力對比圖

圖4 中部大主應力對比圖

水庫建成之后隨即蓄水運行，且運行期防滲結構的應力顯著大于建成期。因此，在此次研究過程中僅對運行期不同施工方式下的應力進行模擬計算，并根據分析結果為施工方式的選擇提供建議。鑒于防滲結構不同部位的應力分布特征明顯不同，研究中分別從模擬計算結果中提取模型左側、中部和右側的大主應力計算結果，并根據計算結果繪制出如圖2-4 所示的對比圖。由圖2-4可知，兩種不同的施工方法在研究斷面左右兩側的拉應力變化特征存在十分明顯的差別。采用分層施工方法時，該部位的拉應力值明顯減小，僅有一次性填筑施工方法的1/6 左右。說明采用分層施工的方法對減小防滲結構外圍表層的拉應力值具有顯著的作用。隨著深度的增加，兩種施工方法的拉應力分布呈現出明顯的趨同特征，并在深度為4 m 左右的部位逐漸轉變為壓應力，且隨著深度的增加而逐漸增加，且分層施工的壓應力值也小于一次填筑施工方式。從中部的應力分布情況來看，無論采用何種施工方式，最大主應力全部表現為壓應力，且隨著深度的增加而不斷增大。從兩種施工方式的對比來看，在深度小于3 m 時一次性填筑施工方式的應力值較大，而深度在3 m以下的部位分層填筑的壓應力值較大，但是兩者的數值比較接近。總之，施工方法對防滲結構受壓區域的影響并不明顯，但是對受拉區域的應力值影響較大，采用分層填筑施工方法的情況下，受拉區域的應力值顯著偏小，這對于保證瀝青混凝土防滲層的穩定性具有重要意義。鑒于兩種施工方法的工期和施工成本沒有較大的差別，因此建議采用分層填筑的施工方案。

4 結論

此次研究以遼寧省丹東市新建的龍王廟臥虎水庫為例，并確定了庫區滲漏治理的工程方案和施工方法，并獲得如下主要結論：

1）針對庫區地質情況和滲漏特征，提出了填石＋瀝青混凝土面板的柔性封堵方案；

2）從沉降變形來看，采用分層碾壓填筑的方法最大沉降量相對較小，為最優施工方法；

3）從應力分布拉看，施工方法對防滲結構受壓區域的影響并不明顯，但是采用分層填筑施工方法的情況下，受拉區域的應力值顯著偏小，為最優施工方法；

4）鑒于兩種施工方法的工期和施工成本沒有較大的差別，因此建議采用分層填筑的施工方案。