復雜地質條件下水電站廠房深基坑防滲方案優化

周華雷,沈振中，徐力群

(河海大學水利水電學院,江蘇南京210098)

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復雜地質條件下水電站廠房深基坑防滲方案優化

周華雷,沈振中，徐力群

(河海大學水利水電學院,江蘇南京210098)

摘要：以某水利樞紐工程電站廠房基坑為例,應用三維滲流有限單元法,建立了一期廠房基坑的三維有限元模型。分析不同防滲布置方案下基坑滲流場的分布特性,計算各種方案下防滲墻和基坑內部砂礫石覆蓋層的最大滲透坡降及其變化規律,預測基坑排水量。以基坑滲透穩定為控制標準,綜合考慮經濟因素,提出了深基坑防滲布置優化方案。

關鍵詞：深基坑；防滲方案；優化；滲透穩定

0引言

許多水電工程采用壩后式開發,電站廠房建造在河床上。在廠房基坑開挖時,深厚覆蓋層地基存在滲透穩定問題,尤其是當基坑開挖深度大,地質條件復雜時,基坑的防滲問題更加突出,一旦出現問題,后果十分嚴重。湖南浯溪水電站二期基坑施工過程中基坑內部出現管涌,不但嚴重影響了工程進度,更造成了巨大的經濟損失。因此,如何選擇合理有效的防滲措施,防止基坑工程因滲透穩定問題發生破壞具有重要的研究意義。

國內外學者在基坑滲流控制研究方面取得了許多成果。陳駿峰等基于飽和-非飽和理論,計算了某臨河基坑滲流場,得出了基坑的優化防滲措施[1]。姜忻良等應用三維有限元法計算分析了基坑滲流場的分布,還分析了土質條件發生改變時對基坑滲透穩定性的影響[2]。俞洪良等采用有限單元法分析計算了基坑滲流場,研究了基坑滲透穩定性隨水利條件變化特性[3]。由此可見,應用滲流有限元法研究復雜地質條件下基坑的滲流安全問題是常用而有效的方法。

本文針對某水利工程電站廠房基坑覆蓋層深厚,且受近幾年河道頻繁采砂活動的影響較大,河床覆蓋層土體地質條件更加復雜的情況,開展了基坑滲流控制方案的優化計算分析研究,提出了合理有效的防滲布置方案。

1工程概況

浙江某水利樞紐工程等級為三等,主要建筑物有泄洪閘、船閘、河床式發電廠房、左岸混凝土重力壩及右岸回填防滲建筑物等。本文模擬計算該樞紐工程右岸廠房基坑,基坑內部按發電設備布置要求進行開挖,開挖最深處達25m左右。施工期間,在基坑上、下游側和河床側分別布置橫向圍堰及縱向圍堰,圍堰均采用混凝土防滲墻防滲,防滲墻厚0.6m?；悠矫娌贾檬疽庖妶D1。

圖1　基坑平面布置示意

河床上部分布有第四系全新統沖洪積砂礫卵石層,厚約15～37m,滲透系數K為2.28×10-4～5.78×10-1cm/s,強～中等透水性。下部分布有第四系上更新統沖洪積含泥砂礫卵石,厚約6～23.5m,滲透系數K為1.3×10-4～8.14×10-3cm/s,中等透水性。基巖為侏羅系上統諸暨組a段含礫晶屑凝灰巖,新鮮巖石較堅硬。全風化帶厚0～5m；強風化帶厚0.25～1.5m。沿線未見斷層通過,節理稍發育,一般以中～陡傾角為主,節理面一般充填鐵錳質、黃色礦物、鈣質薄膜及細脈等?；鶐r相對不透水層(q≤5Lu)埋深：左岸3～14m；河床8～56.5m,局部62m；右岸18～31m。由于近幾年采砂活動頻繁無序,河床頂部細顆粒砂石流失,留下相對較粗顆粒,河床頂部一定范圍內土體滲透系數變大。

2計算模型和計算參數

根據工程地質條件建立三維有限元模型。圍堰按實際結構考慮,包括土工膜、砂礫石堰體、防滲墻等；地基部分包括覆蓋層和下部基巖；基坑內部按實際開挖情況進行模擬,模型底部截取至相對不透水層以下約50m,即高程-100m。

2.1有限元模型及邊界條件

以大地坐標為模型原點,上游指向下游為X軸正方向；右岸指向左岸為Y軸正方向；由下到上為Z軸正方向,與高程一致。整體模型x、y、z尺寸為510、401、112m。使用空間八節點六面體單元對模型進行網格剖分,共生成46 613個單元,50 952個節點。計算模型三維有限元網格見圖2。

圖2　基坑三維有限元網格

計算模型的邊界條件包括已知水頭邊界、出滲邊界及不透水邊界[4]。已知水頭邊界包括圍堰上、下游側河道水位以下的河岸、河底以及岸坡地下水水位以下的截取邊界[5]；出滲邊界為河道水位以上的上、下游圍堰,基坑內側所有與大氣接觸的表面；不透水邊界包括基坑模型上、下游兩側和右岸兩側截取邊界除給定地下水水位以外的部分邊界以及模型底面[6]。

2.2材料滲透參數

圍堰各分區材料及地層的滲透參數見表1。

表1圍堰各區材料及地層滲透參數

材料名稱滲透系數/cm·s-1允許坡降土工膜1.00×10-10—圍堰堆石體5.00×10-1—混凝土防滲墻1.00×10-780砂礫石層5.00×10-20.30含泥砂礫石層4.00×10-3—基巖1.00×10-5—

3基坑防滲方案

3.1防滲布置

根據本工程實際地質條件,參考設計資料,擬定7種(H1～H7)防滲布置方案進行基坑的滲流計算,分析不同防滲方案下基坑滲流場的位勢分布、滲透坡降及其變化規律,以確定經濟合理的防滲方案。防滲方案H1～H7的防滲墻底部高程分別至-35.5、-38、-41、-44、-47、-50m和-52m。河床側及基坑上、下游側計算水位取10年一遇(P=10%)洪水位10.94m,岸坡側地下水水位取10.00m。

圖4　不同防滲方案基坑剖面位勢分布(單位：m)

3.2基坑滲流場位勢分布

經計算得到各種防滲方案下基坑的三維滲流場。方案H1、H6基坑的地下水水位等值線見圖3。從圖3可知,河道水流和岸坡地下水通過圍堰及山體向基坑內部入滲,浸潤面最低位置出現在基坑內部開挖深度較大的部位。防滲墻處地下水水位等值線密度較大,說明該部位滲透坡降較大,防滲墻的阻滲作用明顯；防滲墻的深度變化對整體基坑的地下水水位分布有明顯影響,隨著圍堰防滲墻底部高程的降低,防滲墻處地下水水位等值線的密集程度有一定增大,表明防滲墻的防滲效果越好。

圖3　地下水水位等值線(單位：m)

防滲方案H1和H6基坑典型剖面Y=120m的位勢分布見圖4。從圖4可知,地下水水位在防滲墻上、下游降落明顯,且隨著防滲墻深度的變化,防滲墻下游位勢值的變化明顯。圖5b中防滲墻下游浸潤面比圖5a明顯降低,位勢降低約1.25m。

防滲墻下游位勢隨防滲墻底部高程變化規律見圖5。從圖5可知,防滲墻底部高程至-35.5m時,上游防滲墻后水頭為2.89m；防滲墻底部高程分別至-38、-41、-44、-47、-50m和-52m時,防滲墻下游位勢相對于方案H1分別降低了0.19、0.48、0.57、0.63、1.25m和1.29m。數據表明,防滲墻對水頭的削減作用隨防滲墻深度增加有一定增幅。當防滲墻達到基巖時,即底部高程為-50.0m時,防滲墻對水頭的削減作用較大,再繼續增加防滲墻的深度,實際得到的防滲收益較小。

圖5　防滲墻下游位勢隨防滲墻底部高程變化

3.3基坑排水量

各種防滲墻方案下基坑的總滲透流量(即排水量)及其隨防滲墻深度變化規律見圖6。從圖6可知,防滲墻底部高程達到-35.5m時,基坑總的排水量為42 790m3/d,隨著防滲墻深度的增大,基坑總的排水量不斷減少。相對于方案H1,方案H2～H7基坑總的排水量分別減小了1481、2 949、4 665、5 839、12 778m3/d和13 228m3/d。數據表明,當防滲墻未達到基巖時,增加防滲墻深度得到的防滲收益較高,且當防滲墻達到基巖時,防滲墻對阻礙水流向基坑內的滲透效果較好。當防滲墻已經達到基巖時,由于相對不透水層滲透系數較小,再繼續增加防滲墻的深度,對滲透流量的防滲收益同樣較小。

圖6　基坑總滲透流量隨防滲墻底部高程變化

3.4主要分區的滲透坡降

各防滲方案下基坑防滲墻和覆蓋層主要分區的最大滲透坡降見表2。從表2可知,防滲墻的最大滲透坡降均出現在上游圍堰防滲墻。隨著防滲墻深度的增加,防滲墻的阻滲作用愈加明顯,防滲墻的滲透坡降有一定程度的增大?；炷练罎B墻的允許滲透坡降為80,各方案下防滲墻的最大滲透坡降均遠小于允許坡降。

表2各種方案下不同部位的最大滲透坡降

方案編號防滲墻覆蓋層H113.420.44H213.730.39H314.220.35H414.370.31H514.470.27H615.500.24H715.570.23

基坑內部下游側覆蓋層出逸坡降最大,故該處出現滲透破壞的幾率較大。隨著防滲墻深度的增加,覆蓋層的最大滲透坡降有明顯的降低?；跐B透穩定考慮,當防滲墻底部高程達到-47m(方案H5)時,砂礫石的最大坡降即小于允許滲透坡降0.30。當防滲墻達到基巖(方案H6)時,再繼續增大防滲墻深度對減小砂礫石的滲透坡降效果已不明顯。

4結語

針對某水利樞紐工程電站廠房基坑開挖施工的滲流控制問題,建立三維有限元模型,計算分析廠房基坑的滲流場特性,研究采用不同防滲方案時基坑滲流場的變化規律,得出以下結論：

(1)采用防滲墻防滲進行滲流控制可有效阻隔地下水向基坑內部滲透,削減水頭的作用主要集中在防滲墻中。在一定范圍內,增加防滲墻的深度可有效地減少基坑總的滲透流量及基坑內覆蓋層的出逸坡降,提高基坑的滲透穩定性。當防滲墻已經達到基巖,再繼續增加防滲墻的深度,實際的滲流控制收益增幅較小。因此,以滲透穩定為控制條件,綜合考慮經濟效益,可以擬定基坑圍堰防滲墻的最佳深度。

(2)根據不同防滲方案的滲流場計算結果,并截斷可能的采砂層,建議采用方案H5,即防滲墻底部高程達到-47m。此時,在計算水位下,基坑的總排水量為36 951m3/d,防滲墻的最大滲透坡降為14.47,基坑內部砂礫石覆蓋層的最大出逸坡降為0.27,出現在基坑內部下游側覆蓋層,防滲墻和覆蓋層的最大滲透坡降均小于材料的允許坡降,已達到滲透穩定的要求。

參考文獻：

[1]陳駿峰, 馮美果. 基于飽和非飽和滲流理論的基坑防滲措施分析[J]. 巖土力學, 2009, 30(5)： 1425- 1430.

[2]姜忻良, 宗金輝. 不同土質條件下基坑滲流場滲透特性分析[J]. 天津大學學報, 2006, 39(11)： 1299- 1304.

[3]俞洪良, 陸杰峰, 李守德. 深基坑工程滲流場特性分析[J]. 浙江大學學報, 2002, 29(5)： 595- 600.

[4]任杰, 沈振中. 哈達山水利樞紐右岸滲流控制優化方案研究[J]. 水力發電, 2010, 36(8)： 28- 30, 89.

[5]毛昶熙. 滲流計算分析與控制[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2003.

[6]徐力群, 黃柏云, 陸譽婷, 等. 地質缺陷的面板堆石壩滲流特性分析及處理措施研究[J]. 水力發電, 2015, 41(12)： 48- 53.

(責任編輯楊健)

收稿日期：2015- 12- 02

基金項目：江西省水利科技項目(KT201545)；中央高?；緲I務費項目(2014B11914)；江蘇省自然科學基金青年基金(BK2012410)

作者簡介：周華雷(1992—),男,江蘇淮安人,碩士研究生,研究方向為工程滲流控制與分析．

中圖分類號：TV223.42

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0053- 04

SeepageControlSchemeOptimizationforDeepFoundationPitofPowerhouseunderComplicatedGeologicalConditions

ZHOUHualei,SHENZhenzhong,XULiqun

(CollegeofWaterConservancyandHydropower,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China)

Abstract:Taking a powerhouse foundation pit as study case, the three dimensional finite element model of foundation pit is established to analyze foundation pit seepage field distributions under different seepage control schemes. The maximum seepage gradients and its variations for impervious wall and sand and gravel overburden of foundation pit under different seepage control schemes are calculated, and the water seepage of pit is predicted. Taking pit seepage stability as a precondition and considering economic factors, the seepage control optimization of deep foundation pit is finally put forward．

Key Words:deep foundation pit; seepage control scheme; optimization; seepage stability