黄壁庄水库防渗墙应力分析研究华 北 水 利 水 电 学 院 水 利 系水利部河北水利水电勘测设计研究院2002年9月黄壁庄水库防渗墙应力分析研究（华北水利水电学院水利系）一. 工程概况及研究方法1. 工程概况黄壁庄水库位于河北省石家庄市西北约30km的滹沱河干流上，是子牙河系滹沱河中下游重要的、控制性大(Ⅰ)型水利枢纽工程水库于1958年动工修建，1959年拦洪，1960年蓄水，经受了1963年特大洪水后，于1965年进行扩建，至1968年达到现状规模水库正常蓄水位120.00m，设计洪水位125.84m，校核洪水位128.00m，它与上游28km处的岗南水库联合控制流域面积23400km2，总库容亿m3水库主要建筑物有：主坝、副坝、重力坝、正常溢洪道、非常溢洪道、灵正渠涵管及电站等主坝为水中填土均质坝，坝顶长1843m，最大坝高30.7m，坝顶高程副坝亦为水中填土均质坝(左右两端部分为碾压式均质坝)，坝顶长，最大坝高，坝顶高程1986年黄壁庄水库被列为全国43座病险库之一，其中副坝是该工程存在问题最多、最严重且危险性最大的建筑物主要问题有：①坝体施工质量差，局部存在软塑状土，坝顶纵向裂缝严重且有横向裂缝发生。
②铺盖裂缝严重，多重旧缝重开，也有新缝发生③坝后减压井冒砂、沉陷、倒塌，排水沟局部冒砂、坍塌④预计高水位时，坝肩可能出现大面积出渗，下游永乐采砂场可能发生大面积管涌黄壁庄水库在近40年的运营中发挥了巨大作用，在“63.8”和“”洪水中，发挥了蓄洪、削减洪峰及错峰作用，使下游防洪赢得了时间，有效地减轻了下游的洪水灾害及损失但由于副坝存在上述问题，汛期在限制运行水位的情况下，不但严重影响了水库防洪效益的发挥，同时还威胁到下游的安全黄壁庄水库一旦失事，将打乱海河流域南系的防洪布署，直接威胁石家庄市、天津市、华北油田以及京广、京九等交通干线的安全洪水后，中央和河北省下决心对黄壁庄水库进行彻底处理，其中副坝防渗采用了混凝土防渗墙方案为论证防渗墙在渗透水压力及其它荷载作用下的结构安全性能，水利部河北水利水电勘测设计院曾于1997年12月委托水科院岩土工程研究所，进行了有限元渗流及应力变形分析2002年6月又委托华北水利水电学院水利系进行了有限元复合计算，2002年7月就初步成果向委托方进行了汇报2. 研究方法首先对水科院所取A1+600、A5+200、A3+118三个代表性剖面进行有限元渗流分析，确定防渗墙及坝体各部的渗透水压力，然后进行非线性有限元应力变形分析，给出防渗墙各部的应力及变形分布情况，从而对防渗墙进行强度及变形复核分析。
1)有限元网格剖分有限元网格划分以四边形四结点等参单元为主，仅在坝体及坝基形态变化大的个别部位采用了少量的三结点三角形单元为模拟坝体的非线性应力应变关系，计算中采用了分级加载的增量法，加载顺序基本按坝体填筑顺序进行2）、有限元渗流分析本研究所采用的渗流计算程序为我院自行研制的《PCSSL渗流有限元计算程序》该程序曾在1991年对下花园加高三级粉煤灰坝进行渗流计算，取得良好效果1997年对黄河流域荆隆宫堤段进行渗流场分析，提出的采用截渗墙方案及工程设计，被工程单位采纳，现运行正常并在四川雨城电站、山东泰安水电站等多项工程渗流分析中应用均取得满意的计算结果二 设计资料A5+200、A3+118的断面地层分布图如图1、图2所示为有详细尺寸资料，特提供AutoCAD图1. 特征水位各断面的上游水位取设计洪水位125.84m各断面的下游水位取(设防渗墙以后)95.0m2. 计算范围为了使得渗流计算较为准确可靠，取较大的渗流计算范围，上游边界取到距坝轴线500m处，下游边界取到距坝轴线1035m处，基岩深度取至距防渗墙底部20m处其材料性质按已知材料顺延至上、下游边界3. 渗透系数计算参数由委托方提供并参照《中国水利水电科学研究院》渗流计算中参数选取如表 1，材料性质区域划分如图1所示，计算时按各向同性处理，假定水平渗透系数与垂直渗透系数相同，并将坝体上游铺盖视为完全失效。
表 1 各计算断面渗透系数 单位：cm/s防渗墙坝体土铺盖土坝基土砾砂层1.80×10-72.52×10-5×10-2×10-6×10-2中粗砂层卵石层基 岩×10-21.25×10-110-1~10-7 三. 设计任务由于渗流计算范围较大，地基材料较复杂，尤其是该坝体及坝基建有防渗墙等，需要进行多次试算并多次修改网格图计算浸润线位置，因此网格剖分工作十分巨大根据该任务的特点确定出如下的任务1. 对于A5+200断面首先根据不同任务确定划出所需要的网格密度，进行网格剖分×10-5×10-6×10-7cm/s计算坝体浸润线，并绘制出等势线图、渗透力矢量图2. 对于A3+118断面确定划出所需要的网格密度，进行网格剖分然后进行渗流计算，计算坝体浸润线，并绘制出等势线图、渗透力矢量图四. 选作内容由于学生很少接触对实际工程的有限元方面的计算，缺乏这方面的知识单有限元网格的剖分及单元的信息工作量就相当大，再加上没有这方面的经验，因此相当费时可根据学生的具体情况选作设计任务中的各项或部分1. 根据A5+200确定划出所需要的网格密度，进行网格剖分×10-5cm/s，计算坝体浸润线，并绘制出等势线图、渗透力矢量图、根据最不利情况，在老师帮助下作简单的防渗墙应力计算，成果分析。
2. 根据A5+200确定划出所需要的网格密度，进行网格剖分×10-6cm/s，计算坝体浸润线，并绘制出等势线图、渗透力矢量图、根据最不利情况，在老师帮助下作简单的防渗墙应力计算，成果分析3. 根据A5+200确定划出所需要的网格密度，进行网格剖分×10-7cm/s，计算坝体浸润线，并绘制出等势线图、渗透力矢量图、根据最不利情况，在老师帮助下作简单的防渗墙应力计算，成果分析4. 根据A3+118确定划出所需要的网格密度，进行网格剖分计算坝体浸润线，并绘制出等势线图、渗透力矢量图在老师帮助下作简单的防渗墙应力计算，成果分析5+200剖面图1. 5+200剖面材料分层图3+118剖面图2. 3+118剖面材料分层图。
