某水庫工程庫底封堵方案的比選分析

劉泳茵 龍門縣水利水電勘測設計室

水庫是水利工程中重要的基礎設施，承載著抗旱、防洪、發電、養殖和灌溉等一系列功能，不僅可以改善區域的生態環境，更是促進城鄉經濟發展的關鍵因素。然而，有些水庫因為使用年限超長、質量欠佳、環境影響、管理不當等因素，水庫大壩滲漏現象屢見不鮮，如果不進行及時的封堵，不僅會危及水庫的整體安全，還會造成不可估量的經濟損失。由此，制定科學合理的壩底封堵方案，是解決問題的關鍵所在。

1.水庫工程庫底封堵方案分析

1.1 比選原則

通過評估分析水庫滲漏程度得知，水庫的水量充足后向庫外滲漏的位置是斷層破碎帶，基于面積不大，并且上游來水不多，所以選擇的防滲處理方式是庫底全封閉。而在原有的庫底封堵設計中，計劃采用的封堵方案為剛性圓弧拱殼體封堵模式，混凝土規格為C25，中心厚度為4.2米，兩端厚度為2.5米。雖然該封堵模式的優勢是封堵效果好、強度高，但對水庫底巖層基礎的要求也相對高。參考我國其他區域庫底封堵的實踐經驗，實施方案考慮利用柔性防滲模式，其流程是進行表土清除，碾壓夯實下層土石形成庫底持力層，之后進行填石＋瀝青混凝土面板的柔性封堵。

1.2 設計標準

借鑒水利工程的相關經驗，根據庫區的地質狀況，設計因地制宜的封堵方案，本工程選用的柔性封堵方案，為由上至下的四層結構：以巨石塊料換填最底層，厚度為5米；考慮到工程區沉積層不具備足夠承載力，必須先鋪設一層巨石塊石料，厚度為2米左右，進行碾壓夯實作為車行的道路，之后再鋪設大約3米厚的巨石塊料；將1米厚的碎石層鋪在巨石塊料上，再次碾壓夯實，在上面鋪一層0.9米厚的瀝青混凝土面板。根據本工程的設計方案，底層的巨石換填能夠構成很好的庫底排水通道。上面的過渡層為碎石塊結構，滲透系數大約為每秒0.010厘米，在其上面的碾壓碎石墊層大約滲透系數為每秒0.001厘米，最上面的瀝青混凝土防滲性能極好，滲透系數低于每秒10-6厘米。顯而易見，利用以上防滲措施，杜絕了使用單一瀝青混凝土地基適應性不佳的問題，確保了防滲效果，也顯著加強了封堵結構的承載力。

2.水庫工程庫底封堵施工方法確定

2.1 建模過程分析

ANSYS是一款大型商用有限元軟件，是美國ANSYS公司研制的，其功能完善而強大，尤其是模型的調整可以通過與CAD的數據交換實現，不僅讓網格劃分更有效、更合理，而且讓計算時間顯著縮短。所以，本工程實施采用的軟件為ANSYS，以本文案例工程水庫實地檢測結果以及設計方案為參考構建數值計算模型。為了保證計算的高效率和穩定性，可以適當地概化處理幾何模型，進行模型邊界的繪制，計算模型圖的生成可以通過提取相關數據導入模型完成，然后構建網格。基于必須具備一定的計算效率和可靠的精度，可以對計算模型實施網格單元剖分，并加密處理庫底防滲的局部區域。

在本文的試驗中，相應水位的設定是選取兩側庫壁的表層單元和封堵結構的頂部，并給予對應的水壓力；淤沙荷載的施加可以選取庫底防沖層的頂部單元線，并可以視作規格為45.56 kN/m的線性壓力。模擬計算可以在兩種工況下進行，即建成期和蓄水期。其中庫區建成使用階段常規蓄水位高度的計算，庫底與水面高度的最大位差40.07米，在這種情況下，通常是三個方面形成庫底封堵結構承載的負荷：水壓力、封堵結構自重和淤沙荷載。因為水庫建成期間沒有蓄水，可以只考慮封堵結構的自重負載。

2.2 結果比較分析

2.2.1 沉降量比較

通過本文構建的有限元計算模型對防滲結構沉降變形程度實施計算，計算的條件是兩種不同的施工方式下竣工期和運行期的沉降情況。計算結果顯示，封堵結構的最大沉降量，不管是建成期還是蓄水期，都會出現在庫底中軸線位置，也就是堆石層與過渡層相交的地方，距離該位置越近沉降量就越大，距離該部位越遠，沉降量就越小。從計算結果中將沉降量最大值提取出來，結果顯示，利用分層碾壓填筑的方式最大沉降量數值偏小，沉降量減少了1.11厘米，減小幅度為5.13%；比起一次性填筑方式，沉降量減小1.70厘米，減小幅度為6.89%。所以，通過沉降量的比較，較優的施工方式是分層填筑法。

2.2.2 兩種方式的應力比較

水庫工程建成之后便進入蓄水運行階段，而且比起建成期防滲結構應力，運行期更大。所以，在本文的試驗中不但模擬計算了運行期不同施工方式下的應力，而且按照分析結果作為選擇施工方式的參考依據。考慮到防滲結構不同部位都會有不同的應力分布特征，在研究中會從模擬計算數據中分別提取模型左邊、右邊的大主應力的計算結果，同時按照計算結果繪制對比圖（見圖1，圖2）。

圖1 左大應力對比圖

圖2 右大應力對比圖

對比研究顯示，以上兩種施工方式的拉應力在斷面左右兩邊變化特征差距特別明顯。如果選擇分層施工方式，該位置的拉應力在縮減，只是占據一次性填筑方式的六分之一，足以顯示利用分層施工方式可以顯著減小防滲結構外圍表層的拉應力。分析中部的應力分布狀態，不管選擇哪種方式，最大主應力都會轉變為壓應力，并且與增加的深度成正比。對比兩種施工方式，低于3米的深度時，應力值大的為一次性填筑方式，而如果在3米以下的深度，應力值較大的為分層填筑方式，但二者的數值差距較小。顯而易見，采用何種施工方式對防滲結構受壓區域沒有太大的影響，但受拉區應力值影響很明顯，如果利用分層填筑法，受拉區域應力值明顯偏小，這樣的狀態更有利于瀝青混凝土防滲層的高度穩定。本文通過比較兩種施工方式的工期和成本，顯示差距不大，故而應該選擇分層填筑的施工方案。

3.結論

本文通過以上的案例工程，結合該區域的地質結構和滲漏屬性，確定了柔性的封堵方案，即填石＋瀝青混凝土面板；針對沉降變形的狀況，利用的施工方式是沉降量較小的分層碾壓填筑的方法；分析應力分布拉施工方式，對防滲結構受壓區域沒有明顯的影響，而選擇分層填筑施工手段，應力值在受拉區域內偏小，該方式切實可行；通過比選，建議本工程選擇分層填筑的施工方案。