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(jí)小型農(nóng)田水利工程，壩址位于東港市龍王廟鎮(zhèn)臥虎村境內(nèi)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(nóng)田水利工程，工程建成之后可以為龍王廟鎮(zhèn)的5 個(gè)自然村提供比較穩(wěn)定的灌溉水源，對(duì)提高當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要意義。龍王廟臥虎水庫為堆石壩壩型設(shè)計(jì)，壩址以上集雨面積16.45 km2，設(shè)計(jì)庫容105 萬m3。水庫的正常蓄水位為354.20 m，設(shè)計(jì)洪水位357.74 m，校核洪水位359.23 m。由于壩址區(qū)存在一條基本呈南北走向的斷層，庫區(qū)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(duì)較差，需要對(duì)庫盆進(jìn)行防滲處理。

2 庫底封堵方案

2.1 封堵方案的選擇

根據(jù)對(duì)水庫滲漏情況的分析和評(píng)價(jià)，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(yīng)該采取全封閉的庫底防滲處理方式[2]。在原始封堵方案設(shè)計(jì)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(qiáng)度高，封堵效果好的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)庫底的巖層基礎(chǔ)也提出了較高的要求[3]。由于水庫庫區(qū)位于斷層破碎帶形成的天然溝谷上，地質(zhì)情況十分復(fù)雜。對(duì)庫底的地質(zhì)探查結(jié)果顯示，其覆蓋層較厚，最后的部位達(dá)到45.0 m，按照剛性殼體方案封堵，不僅基礎(chǔ)條件難以滿足，同時(shí)也會(huì)帶來較高的投資成本，因此原方案不具有可行性[4]。結(jié)合我國西南巖溶地區(qū)巖溶漏斗水庫封堵的工程經(jīng)驗(yàn)，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(duì)下層的土石層碾壓夯實(shí)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(shè)計(jì)

結(jié)合相關(guān)研究成果，以水庫的工程地質(zhì)情況為依據(jù)，設(shè)計(jì)具體的封堵方案，其柔性封堵結(jié)構(gòu)自下而上由4 層構(gòu)成：最下層是巨石塊料換填，厚度為5.0 m；鑒于庫區(qū)沉積層承載力明顯不足，在施工中先行鋪設(shè)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(shè)厚度為3.0 m 的巨石塊料；在巨石塊料的上層鋪設(shè)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(shè)厚度為1.0 m 的碎石層，碾壓密實(shí)之后，在其上部鋪設(shè)厚度為0.9 m 的瀝青混凝土面板。

按照上述設(shè)計(jì)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(gòu)成，其滲透系數(shù)約為0.010 cm/s，其上層的碾壓碎石墊層滲透系數(shù)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(shù)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(yīng)性差的問題，能夠保證防滲效果的同時(shí)大幅提升了封堵結(jié)構(gòu)的承載能力。

3 施工方法的確定

根據(jù)上文的施工方案，在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)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(shù)值模擬的方法，對(duì)上述兩種施工方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，以獲取更適合的施工方法。

3.1 有限元計(jì)算模型的構(gòu)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(qiáng)大的功能，特別是可以通過與CAD數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)模型的簡(jiǎn)單調(diào)整，提升網(wǎng)格劃分的合理性與有效性，可以節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)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(shí)地測(cè)量結(jié)果及設(shè)計(jì)資料為依據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建。

考慮到防滲區(qū)域面積較大，難以進(jìn)行全面模擬計(jì)算，因此選擇最具代表性的6-6斷面進(jìn)行有限元模型建模計(jì)算。根據(jù)模型的率定及計(jì)算要求，研究中以水庫的原始地形為基礎(chǔ)建立計(jì)算的幾何模型[7]。首先，利用Arcgis 地形處理技術(shù)，利用庫區(qū)的CAD 資料建立原始地形圖。為了提升運(yùn)算的穩(wěn)定性和效率，對(duì)幾何模型進(jìn)行必要的概化處理，在繪制模型邊界，提取相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型生成計(jì)算模型圖并構(gòu)建網(wǎng)格[8]。綜合考慮計(jì)算效率和模擬精度的要求，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格單元剖分，并對(duì)庫底防滲施工區(qū)域進(jìn)行局部加密處理。最終，模型劃分為28 743 個(gè)計(jì)算單元。計(jì)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(jié)構(gòu)的頂部和兩側(cè)庫壁的表層單元線設(shè)定相應(yīng)的水位，并施加相應(yīng)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(jì)算分建成期和蓄水期兩種工況進(jìn)行。其中水庫建成運(yùn)行期間的正常蓄水位高度計(jì)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(jié)構(gòu)所承受的荷載主要由三方面構(gòu)成：是封堵結(jié)構(gòu)的自重、水壓力及淤沙荷載。建成期工況由于還未蓄水運(yùn)行，因此僅考慮封堵結(jié)構(gòu)的自重荷載。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 沉降分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對(duì)兩種不同施工方法條件下竣工期和運(yùn)行期防滲結(jié)構(gòu)的沉降變形進(jìn)行計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知，無論是建成期還是蓄水期，封堵結(jié)構(gòu)的最大沉降量均出現(xiàn)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(yuǎn)離該部位，沉降量越小。從計(jì)算結(jié)果中提取出最大沉降量計(jì)算成果，結(jié)果如表1所示。由表1 中的計(jì)算結(jié)果可知，采用分層碾壓填筑的方法最大沉降量相對(duì)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(yōu)。

表1 最大沉降量計(jì)算結(jié)果

3.2.2 應(yīng)力分析

圖2 左側(cè)大主應(yīng)力對(duì)比圖

圖3 右側(cè)大主應(yīng)力對(duì)比圖

圖4 中部大主應(yīng)力對(duì)比圖

水庫建成之后隨即蓄水運(yùn)行，且運(yùn)行期防滲結(jié)構(gòu)的應(yīng)力顯著大于建成期。因此，在此次研究過程中僅對(duì)運(yùn)行期不同施工方式下的應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，并根據(jù)分析結(jié)果為施工方式的選擇提供建議。鑒于防滲結(jié)構(gòu)不同部位的應(yīng)力分布特征明顯不同，研究中分別從模擬計(jì)算結(jié)果中提取模型左側(cè)、中部和右側(cè)的大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖2-4 所示的對(duì)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(cè)的拉應(yīng)力變化特征存在十分明顯的差別。采用分層施工方法時(shí)，該部位的拉應(yīng)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(duì)減小防滲結(jié)構(gòu)外圍表層的拉應(yīng)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(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的趨同特征，并在深度為4 m 左右的部位逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且隨著深度的增加而逐漸增加，且分層施工的壓應(yīng)力值也小于一次填筑施工方式。從中部的應(yīng)力分布情況來看，無論采用何種施工方式，最大主應(yīng)力全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且隨著深度的增加而不斷增大。從兩種施工方式的對(duì)比來看，在深度小于3 m 時(shí)一次性填筑施工方式的應(yīng)力值較大，而深度在3 m以下的部位分層填筑的壓應(yīng)力值較大，但是兩者的數(shù)值比較接近?？傊?，施工方法對(duì)防滲結(jié)構(gòu)受壓區(qū)域的影響并不明顯，但是對(duì)受拉區(qū)域的應(yīng)力值影響較大，采用分層填筑施工方法的情況下，受拉區(qū)域的應(yīng)力值顯著偏小，這對(duì)于保證瀝青混凝土防滲層的穩(wěn)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(jié)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(qū)滲漏治理的工程方案和施工方法，并獲得如下主要結(jié)論：

1）針對(duì)庫區(qū)地質(zhì)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(duì)較小，為最優(yōu)施工方法；

3）從應(yīng)力分布拉看，施工方法對(duì)防滲結(jié)構(gòu)受壓區(qū)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(qū)域的應(yīng)力值顯著偏小，為最優(yōu)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。