ZMT水電站施工期上游圍堰滲流場及穩定性數值分析

陳元盛

大中型水利水電工程施工導流工程常可分為導流、截流和圍堰三部分，它們是建成水利水電工程的必經環節和必要措施。其中，圍堰的主要作用是通過臨時性攔擋河水為永久建筑物的施工創造干地條件，其次在有些工程中也可以與永久建筑物相結合，作為永久建筑物的一部分，以節省工程投資[1]。圍堰的滲流問題是錯綜復雜，隨著該問題被廣泛關注，研究方法也多種多樣，目前，主要以差分法、有限元法和邊界元法等數值模擬方法[2-3]。GeoStudio是一套功能強大、適用于巖土工程和巖土環境模擬計算的仿真軟件，本文利用GeoStudio中的SLOPE/W模塊和SEEP/W模塊對研究對象某西部江河中游段的某水電站圍堰滲流場及穩定性進行了數值模擬、分析和研究。

1 概述

ZMT水電站位于西部某江河的中游段，裝機容量505MW。大壩為混凝土重力壩，正常蓄水位3310.00 m，壩頂高程3314.00 m，大壩基礎高程3198.00 m，最大壩高106 m，壩頂長450 m，采用壩后式地面廠房。該水電站采用的是左岸明渠導流、主體工程分三期、基坑全年施工的導流方式。即一期基坑進行左岸導流明渠的修建，二期基坑進行河床溢流壩及廠房的修建，三期基坑完建明渠壩段。

二期大壩基坑上游圍堰采用土工膜斜墻土石圍堰，圍堰堰頂高程3280.00m，最大堰高39.00m，最大擋水水頭約為36.9m,堰基采用封閉式砼防滲墻，防滲墻最大深度52.00 m，厚0.8 m。

壩址區基巖巖性單一，巖質較堅硬，第四系松散堆積物主要分布于河床，漫灘及階地部位，河床覆蓋層厚16.1～45.1 m，由上至下可分為兩層：冰水堆積的含漂砂卵（碎）礫石層（fglQ3）和沖擊含含漂砂卵礫石層（alQ4），覆蓋層由顆粒基本構成骨架，結構密實，具中等透水性；基巖為燕山晚期-喜山期二長花崗巖，巖質堅硬巖體較完整，巖體以弱風化為主。

擬建電站的上游圍堰堰體填筑較大，基礎防滲深度大，由于涉及按時發電以及安全度汛等重大問題，對圍堰的施工提出一定的要求，工期緊，任務重，難度大。因此，本文中圍堰滲流與堰坡穩定分析的重點有二：其一，研究二期大壩基坑隨施工開挖過程的單寬滲流量；其二，研究堰后滲流出水口處的堰坡、基坑開挖過程中邊坡的滲透穩定性，為施工過程提供一定的借鑒、指導。

2 數值計算條件和模型

圍堰上游設計水位3277.90 m,堰后開挖后最低水位3198.00 m，上游圍堰在設計工況下，對施工開挖過程不同高程的基坑進行二維滲流和堰體穩定計算。上游圍堰計算區域內共涉及到10種材料，它們分別為：堰體堆石料、土工膜復合防滲體、混凝土防滲墻、帷幕灌漿體、覆蓋層2（alQ4）、覆蓋層1（fglQ3）、基巖 IV，基巖 III1，基巖 III2，基巖 II。建立模型如圖 3。對模型網格剖分，結點數15701，單元數15414。

表1 上游圍堰計算材料參數表

圖3 上游圍堰模型材料分布圖

圖4 上游圍堰模型網格剖分結果

模型采用笛卡兒直角坐標系，以垂直向為y軸，垂直向上為正，計算坐標原點選在0標高處；以順河向為z軸，指向下游為正向，計算坐標原點選取3～3與8～8剖面的交點處。計算區域：二維圍堰滲流與堰坡穩定分析時，上游邊界為上游圍堰防滲帷幕向上游200 m，下游邊界自上游圍堰坡腳向下游延165 m，達到壩軸線處。垂直向自弱風化下線向下延50 m。本次計算中上游水位3277.90 m，分別計算堰后基坑未開挖，開挖至3234 m，3219 m，3210 m，3198.00 m等開挖過程模擬，以及基坑開挖過程堰后邊坡安全性分別進行計算分析。

圖5 流網與浸潤線分布圖

圖6 水力坡降等值線圖

3 計算結果

3.1 基坑未開挖工況

現對上游圍堰未開挖工況（上游洪水位3277.90 m,下游與基坑等高程）進行計算分析，并繪制關系曲線以及云圖，其余工況均以匯總表給出。

圖7 流速等值線圖

圖8 滲流量提取位置示意圖

圖9 圍堰背水面邊坡最不利滑動面安全系數圖

圖10 高程3244.7時滲流出口處坡降變化曲線

圖11 高程3244.7 m時穿過防滲墻上點的點坡降變化曲線

圖12 高程3203.1 m防滲墻底部的坡降變化曲線

設計防滲方案但基坑未開挖時，堰體防滲墻前后的水頭差最小，堰體中的浸潤線基本與堰后坡腳等高且呈水平分布，防滲體后堰體內的水頭差最小。等勢線為以防滲墻底部為扇柄的扇形分布，防滲墻兩側的等勢線基本均勻對稱。流線為繞防滲墻底部包線分布，方向水平，在地層參數變化處發生折射。由于本工況上游圍堰背水面基坑坡高最低，因此，圍堰背水面滲流出口處的水力坡降很小，透過堰體的最大滲流速度很小，單寬總滲流量（防滲墻及其以下地層滲流量）為0.213 L/s。用Ordinary法、Bishop法和Janpu計算的堰后邊坡安全系數最小值為1.16，堰體邊坡是安全的。

3.2 基坑開挖至3198 m高程工況

現對上游圍堰開挖至3198.00 m高程工況（上游洪水位3277.90 m，下游3198.00 m）進行計算分析，并繪制關系曲線以及云圖，其余工況均以匯總表給出。

圖13 流網與浸潤線分布圖

圖14 水力坡降等值線圖

圖15 流速等值線云圖

圖16 滲流量提取位置示意圖

圖18 高程3198.0m時滲流出口處坡降變化曲線

圖20 高程3203.1 m防滲墻底部的點坡降變化曲線

圖19 高程3219.0 m時穿過防滲墻上點的坡降變化曲線

基坑開挖至設計高程3198 m后，堰體防滲墻前后的水頭差增加到最大，堰體中的浸潤線明顯下降且向下游傾斜分布，由于基坑底部巖體滲透系數較河床覆蓋層小，滲流出口明顯高于基坑底部。等勢線為以防滲墻底部為扇柄的偏心扇形分布，防滲墻兩側的等勢線進一步向下游傾斜。流線為繞防滲墻底部包線分布，流線較施工期的位置有較大降低，方向向下游傾斜，在地層參數變化處發生折射。由于本工況上下游的水頭差最大，上游圍堰背水面基坑坡高最大，因此，圍堰背水面滲流出口處的水力坡降增加到最大0.36，最大水力坡降位于覆蓋層1（fglQ3）中，最大水力坡降超出覆蓋層1的允許坡降安全范圍內，透過堰體的最大滲流速度和單寬總滲流量（防滲墻及其以下地層滲流量）也增加到最大，單寬總滲流量為0.244 L/s，滲流量相對較小。用Ordinary法、Bishop法和Janpu計算的堰后邊坡安全系數最小值為1.02，堰體后基坑邊坡安全系數較小，施工中應采取措施防護。

3.3 各工況計算結果匯總

表2 滲流與堰坡穩定計算結果匯總

通過各個工況的比較看以看出，壩址區基坑開挖過程中，流網圖、流速圖、流量圖、水力坡降等勢線圖，以及邊坡安全系數圖都有一定程度的變化。

隨著基坑開挖深度的增加，堰體防滲墻前后的水頭差不斷增加，堰體中的浸潤線不斷降低，始終與堰后坡腳等高且向下游傾斜。等勢線不斷向下游傾斜，流線位置降低。隨著基坑開挖深度的增加，上游圍堰背水面基坑坡高不斷增加，因此，圍堰背水面滲流出口處的水力坡降逐漸增加，透過堰體的最大滲流速度和單寬總滲流量連續增加，但滲流量相對較小；堰后邊坡安全系數最小值逐漸降低，至基坑開挖深度最大值之前，堰體邊坡及基坑邊坡安全系數降低到1.08，基坑邊坡安全系數很低。以上計算結果說明基坑防滲設計方案和施工開挖步序需要調整，可以在基坑邊坡中強化排水設施解決。

4 結論

1）基坑開挖前上游圍堰邊坡是穩定的。隨著基坑開挖深度的增加，基坑單寬滲流量、上游基坑坡腳處的水力坡降同步增加，基坑邊坡安全系數不斷降低。

2）基坑開挖至設計工況時，上游圍堰單寬滲流量（防滲墻及其以下地層滲流量）為0.244L/s，滲流量較小；防滲墻處的水力坡降較小，上游基坑坡腳處的水力坡降較大，部分覆蓋層超過允許坡降范圍。圍堰邊坡和基坑邊坡穩定系數較小。基坑防滲設計方案需要改進，建議在基坑上游邊坡處增加排水孔，以降低堰體和覆蓋層中的水力坡降。

[1]鄭守仁等.導流截流及圍堰工程[M].北京：中國水利水電出版社，2005,581-583.

[2]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京:水利電力出版社,1990.

[3]顧慰慈.滲流計算原理及應用[M].北京:中國建材工業出版社,2000.