葉巴灘水電站上游圍堰穩定與滲流分析

楊 玉 川， 周 順 文， 張 永 清， 孔 科， 王 小 波

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

圍堰作為河道中修建的臨時建筑物，主要用來維護永久水工建筑物的干地施工，其自身安全直接關系到主體建筑物的施工安全、工期及造價等。因此，圍堰自身穩定性對于整個工程及其重要[1]。在眾多水電站修建過程中，大多數工程由于基坑開挖工程量大，對圍堰防滲要求高，所以，圍堰的穩定性及其防滲能力是工程設計研究中的重點與難點[2]。

1 工程概況及地質情況

1.1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川白玉縣與西藏貢覺縣交界的金沙江干流降曲河口以下約350 m河段上，多年平均流量839 m3/s。電站樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物及引水發電建筑物組成。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩高217.00 m，壩頂高程2 894.00 m。大壩混凝土方量約232萬m3。地下引水發電系統洞室群規模巨大，采用右岸首部式廠房+長尾水的布置方案。

1.2 上游圍堰地質情況

上游圍堰軸線位于大壩上游約225 m處，上圍堰基礎河床覆蓋層較薄，以粗顆粒為主。據上游圍堰軸線附近的鉆孔揭示，河床覆蓋層為漂(塊)砂卵(碎)礫石及含漂砂卵礫石層，其余為砂礫石；沖積層層次簡單，結構較密實，厚度20.77～27.32 m。

河床覆蓋層總體上以粗顆粒為主，并構成骨架，無集中成帶的砂層等細顆粒分布，承載力較高，堰基不均勻沉陷和抗滑穩定問題不突出。此外，由于覆蓋層中以粗顆粒為主，漂(塊)砂卵(碎)含量較高，河床覆蓋層可見較大的孤漂石，防滲墻施工難度較大。

2 上游圍堰布置

2.1 堰頂高程

上游圍堰為4級臨時建筑物，按20年一遇流量Qp=5 670 m3/s時，上游水位2 763.21 m，考慮波浪爬高和安全超高后，確定圍堰頂高程為2 766.00 m，最大堰高約58.0 m。

2.2 堰體及堰基防滲

土工膜防滲技術經過多年的發展和推廣，在水電水利工程中得到廣泛應用，具有一定的物理力學強度和防滲、反濾、排水、加筋等功能，施工方便，速度快，經濟指標較優。考慮到圍堰工程為臨時擋水建筑物，擋水水頭(35.21 m)不高，類似工程成功應用的實例較多，采用土工膜心墻作為上游圍堰堰體防滲方案。

由于河床覆蓋層為漂砂卵礫石，含孤石較多，大壩基坑開挖較深，控制性灌漿或高噴的可靠性較差。所以，覆蓋層防滲采用全封閉的混凝土防滲墻。另外，由于河床及兩岸強卸荷地基巖土體透水性強，需采用帷幕灌漿進行防滲處理，帷幕灌漿深度應深入相對不透水層(透水率<10 Lu)5.0 m。

2.3 圍堰堰體結構設計

圍堰頂寬10.0 m，堰頂軸線長146.68 m，設置0.5 m厚的泥結碎石土路面。防滲墻施工平臺高程2 728.00 m。堰體迎水面在2 728.00 m高程以上的坡比為1∶2.0，堰面采用0.5 m厚的干砌石保護；2 728.00 m高程以下的坡比為1∶1.5，并采用大塊石護腳；背水面2 728.00 m高程以上堰坡的設計坡比為1∶1.75，2 728.00 m高程以下沿用截流戧堤的設計坡比1∶1.5。堰體2 728.00 m高程以上采用復合土工膜心墻防滲，最大防滲高度35.21 m，具體圍堰剖面見圖1。

圖1 上游圍堰剖面布置圖

如圖1所示，截流戧堤上游側填筑過渡料和閉氣料，混凝土防滲墻兩側填筑砂礫石料，方便防滲墻施工。復合土工膜兩側采用過渡料和墊層料保護。

3 圍堰滲流及穩定分析

3.1 計算方法與參數

本工程圍堰及大壩基坑邊坡的滲流和穩定采用GeoStudio分析軟件計算，計算方法采用“計及條塊間作用力”的Bishop法和Morgenstern-Price法。由于圍堰填筑和基坑開挖歷時較短，根據規范要求，圍堰大壩基坑邊坡的穩定性計算選用規范推薦的總應力法。圍堰及大壩基坑邊坡的滲流及穩定性計算中材料介質的基本物理力學參數見表1。

表1 圍堰及大壩基坑邊坡穩定計算參數表

3.2 計算工況

根據圍堰的實際運行情況，影響圍堰安全的主要工況如下：

3.2.1 完建工況

圍堰上游水位2 728.94 m(按5月的20年一遇設計洪水計算)，下游水位按下游圍堰堰腳高程計。

3.2.2 運行工況

圍堰上游水位2 763.21m(按全年20年一遇設計洪水計算)，下游水位按大壩基坑底高程計。

3.2.3 水位驟降工況

圍堰上游水位2 763.21 m，基坑水位按大壩基坑底高程計。圍堰上游堰前水位按5.0 m/d的速度下降，圍堰下游堰坡水位不變。

3.3 滲流計算

根據圖1及表1即可在GeoStudio分析軟件中建立相應計算模型，計算模型示意圖如圖2所示。

之后，對圍堰水位最高的情況進行滲流計算，即只需模擬3.2節中圍堰的運行工況，滲流計算成果見圖3和圖4。

圖2 上游圍堰計算模型示意圖

圖3 壓力水頭等值線圖

圖4 滲透坡降計算圖

根據圖3和圖4計算成果可知，上游圍堰最大單寬滲流量為10.72 m3/d。基坑上游邊坡基覆界線附近為出溢點，該位置的滲透坡降最大達到0.4左右，超過了河床覆蓋層——漂砂卵礫石層的允許坡降0.1～0.12，建議采用土工布壓坡反濾措施進行保護。

3.4 穩定計算

對于圍堰穩定計算，3.2節中三種工況均應進行穩定計算，各工況下圍堰及基坑邊坡的整體穩定計算結果見圖5～圖7。

根據上述計算結果，統計上游圍堰(基坑)穩定安全系數見表2。

(a)上游邊坡 (b)下游邊坡圖5 圍堰完建期穩定性

(a)上游邊坡 (b)下游邊坡 (c)基坑邊坡圖6 圍堰運行期期穩定性

圖7 水位驟降5 m/d下圍堰的穩定性

計算方案部 位穩定安全系數BishopMorgenstern-Price規范值[4]完建期上游堰坡下游堰坡1.6251.5531.6001.5231.151.15運行期上游堰坡下游堰坡基坑上游邊坡1.6951.5531.4371.6641.5231.3241.151.151.15運行期驟降5 m/d上游堰坡1.2171.15

由表2可知，圍堰上下游堰坡的安全系數均滿足規范要求，設計是合適的；大壩基坑上游側邊坡坡比(覆蓋層1∶1.75、基巖1∶0.5)的設計是合適的。

4 結 語

(1)對于圍堰及基坑邊坡滲流計算可知，上游圍堰最大單寬滲流量為10.72 m3/d，且基坑上游邊坡基覆界線附近為出溢點，該位置的滲透坡降最大達到0.4左右，超過了河床覆蓋層(漂砂卵礫石層)的允許坡降0.1～0.12，須采用土工布壓坡反濾措施進行保護。

(2)對圍堰及基坑邊坡考慮文中三種工況下的穩定性可知，圍堰上下游堰坡的安全系數均滿足規范要求，即可說明大壩基坑上游側邊坡坡比選擇(覆蓋層1∶1.75、基巖1∶0.5)是合理的。

根據上述計算，對葉巴灘水電站上游圍堰進行設計是相對比較合理的，通過考慮滲流及邊坡穩定性，對于今后類似圍堰分析計算及設計具有一定的參考價值。