復雜地質條件下水電站廠房深基坑防滲優化方案分析

孫青

摘 要：通常河床式水電站廠房，由于其基礎坐落于覆蓋層深厚的河床上，都會面臨地基滲透穩定問題，特別是深度越大的地方地質條件更為復雜，防滲問題更為突出。因此，如何制定科學有效的防滲措施來保證河床式水電站廠房的基坑滲透穩定問題成為了重點難題。該文以某水電站廠房為例，其河道近年來采砂頻繁，地質條件較為復雜，通過研究其深基坑的防滲優化措施，選擇最佳的防滲布置方案。

關鍵詞：復雜地質條件 水電站廠房 深基坑防滲 優化方案

中圖分類號：TV223.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0087-02

目前國內外學者對于基坑如何控制滲流進行過多方面的研究，如在飽和-非飽和的理論基礎上計算臨河基坑滲流場，從而得出最佳防滲優化方案；再如通過三維有限元得出滲流場勢分布及土質條件對滲透穩定的影響等。因此，利用滲流有限元計算能夠有效解決深基坑在復雜地質條件下的滲流安全問題。

1 工程概述

該文研究對象為某三等水利樞紐工程，主要建筑物為船閘、發電廠房（河床式）、泄洪閘、右岸防滲建筑物及左岸重力壩。該研究模擬計算右岸廠房基坑，開挖深度最大為25 m，在河床側和上下游側布置混凝土防滲圍堰（縱向、橫向），防滲墻的厚度為60 cm。河床上部覆蓋有厚度為15～37 cm的砂礫卵石，K=0.000 228～0.578 cm/s；下部有厚度為6～23.5 cm的砂礫卵石，K=0.000 13～ 0.814 cm/s，透水性為中等。基巖為含礫晶屑凝灰巖，質地堅硬，強風化層厚度約0～5 m，弱風化層厚度約25～150 cm。沿線中無斷層，節理發育遲緩，傾角幅度中等，內含充填物通常為細脈、鈣質薄膜、礦物（黃色）和鐵錳質。

2 計算參數

根據工程的地質情況制作三維有限元模型，圍堰結構包括防滲墻、砂礫石堰體和土工膜等，地基包括下部基巖和上部覆蓋層，基坑內部模擬遵循實際情況，模型底部截取范圍為不透水層（相對）下50 m，高程約為-100 m。

2.1 邊界條件

模型原點：大地坐標，X軸正方向：上游至下游方向；Y軸正方向：右岸至左岸；Z軸正方向：下至上。模型整體尺寸為510×401×112（單位：m），網格劃分單元選取八節點六面體，共生成節點50 952個，單元46 613個。邊界條件主要指不透水邊界、出滲邊界以及水頭邊界。水頭邊界涵蓋上下游圍堰水位以下至地下水位線以上，出滲邊界涵蓋水位以上的圍堰以及基坑中接觸大氣的表面，不透水邊界涵蓋模型上下游側及右岸側，不包括地下水位線以外及模型底面的部分。

2.2 滲透參數

土工膜滲透系數K=0.1×10-11 cm/s；圍堰堆石體K=5.0 cm/s；防滲墻K=0.1×10-8 cm/s，允許坡降為80；砂礫石層K=0.05 cm/s，允許坡降為0.3；砂礫石層（含泥）K=0.004 cm/s；基巖K=0.1×10-6 cm/s（詳見表1）。

3 防滲方案

3.1 防滲布置

參考相關設計資料和工程地質條件，在計算基坑滲流時擬定七種防滲布置方案，即H1至H7，針對不同方案的基坑滲流場，分析其坡降變化規律和場勢分布，擬定兼具合理性和經濟性的防滲方案。方案H1底部高程為-35.5 m，H2為-38 m，H3為-41 m，H4為-44 m，H5為-47 m，H6為-50 m，H7為-52 m。基坑上下游以及河床的水位取值為十年一遇洪水位，P=10%，水位為10.94 m，岸坡地下水位取值為10 m。

3.2 滲流場勢分布

通過計算可得到7種防滲方案的三維基坑滲流場，分析H1和H6方案的地下水位等值線可知，岸坡地下水和河道水流會經過山體和圍堰滲入基坑內部，最低浸潤面位置為基坑內最大開挖深度的位置。地下水位等值線的高密度區域為防滲墻，說明防滲墻的滲透坡降相對較大，且具有較強的阻滲作用。防滲墻的實際深度變化，會直接影響到基坑的地下水位整體分布，防滲墻底部高程的減小使其地下水等值線密度增加，說明其具有較好的防滲效果。

當典型基坑剖面Y=120 m時，H1和H6防滲墻的上下游地下水位有明顯的降落，而防滲墻深度的改變也會使得下游位勢出現顯著的變化。分析數據可知，水頭在防滲墻的作用下會有一定程度的削減，且隨著防滲墻的深度數據升高，其削減作用也會有一定幅度的加強。當防滲墻的高程到達基巖后，也就是當底部高程數值為-50 m時，水頭受到的防滲墻削減作用最強，這時繼續加大防滲墻深度，其防滲效果也不會有較大的增幅，收益較小。

3.3 排水量

分析7種方案下基坑的總排水量變化規律，也就是滲透的總流量。當防滲墻高程的數值為-35.5 m時，基坑的總滲透流量為每天4.279×107 m3，到達-35.5 m后，基坑的總滲透流量會隨著防滲墻深度加深而降低。分析數據可知，若防滲墻的高程未到達基巖，防滲收益會隨著防滲墻深度增加而升高，若防滲墻的高程到達基巖，對于水向基坑內的滲透作用有著更好的阻礙作用。當防滲墻的高程到達基巖后，其不透水層的相對滲透系數較低，防滲墻深度的增加并不會對防滲效果產生較為明顯的影響，對與滲透流量無較高收益。

3.4 滲透坡降

通過計算各部位的滲透坡降最大值可知，防滲墻的滲透坡降最大部位為上游圍堰，阻滲作用與防滲墻深度成正比，滲透坡度也相應增大。混凝土防滲墻的滲透坡降允許值為80，各方案的坡降最大值均在允許范圍內。出逸坡降數值最大處為基坑內的下游覆蓋層，所以此處產生滲透破壞的概率最高，防滲墻深度加大，其覆蓋層的坡降極值也顯著降低。出于滲透穩定考慮，當底部高程為-47 m時，砂礫坡降極值應小于允許值0.3；當達到基巖時，防滲墻深度的增大對砂礫坡降的減小幅度并不顯著。

4 結語

通過分析7種方案的滲流場數據，結合截斷的采砂層，最佳方案為H5方案，也就是防滲墻底部高程數值-47 m，在此水位下的基坑總滲透流量為每天3.695 1×107 m3，防滲墻的滲透坡降最大值為14.47，砂礫石覆蓋層出逸坡降最大值為0.27，坡降的最大值均未超過材料坡降的允許值，可以滿足滲透的穩定性要求。

參考文獻

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