探討深厚覆蓋層上土石圍堰滲流及邊坡穩(wěn)定性

馮裕疆

(新疆三河建設(shè)工程有限責(zé)任公司,新疆 阿克蘇 843000)

1 工程概況

某水電站工程為中型水電站，壩址河床覆蓋層厚度在50～65 m之間，構(gòu)建的圍堰高度為70 m，在距離堰腳65 m處進(jìn)行基坑施工，對(duì)各覆蓋層進(jìn)行揭示后最終達(dá)到高約85 m的邊坡。圍堰頂部高程876 m，其中高程830 m以上是由干地進(jìn)行施工而成、高程830 m以下則是通過水下填筑構(gòu)建、在830 m處寬度為25 m的防滲墻作業(yè)平臺(tái)；圍堰頂部最寬處10 m；工程迎水坡面比值為1∶2.00、背水坡面比值為1∶1.75。項(xiàng)目的圍堰與地基防滲采用防滲墻上接土工膜形式，防滲墻的材料采用塑性混凝土，防滲墻厚度設(shè)置為1.2 m，復(fù)合土工膜斜墻施工采用兩布一膜的方式。防滲墻體與復(fù)合土工膜斜墻使用碎石填筑。

工程中覆蓋共分為四層：流域河床高程807～768 m為第Ⅲ1、Ⅲ2層，其開挖坡比為1∶2.0，在坡面處構(gòu)建厚度為0.3 m的反濾層以及厚度為0.5 m的石砌塊坡，在高程768 m處設(shè)置15 m寬的平臺(tái)，此平臺(tái)距離第Ⅱ?qū)痈采w層頂點(diǎn)處2 m；第Ⅰ、Ⅱ?qū)痈采w層的開挖坡比為1∶2.5，并在坡面相隔15 m處建造一級(jí)寬度為5 m的工程馬道，并且馬道的坡面坡腳使用膠結(jié)材料的塊石砌體構(gòu)建建筑的基座；施工至基巖處時(shí)需在高程768 m以下的坡面設(shè)置兩層厚度為0.5 m的反濾層，并鋪設(shè)塊石保護(hù)層。通過在坡腳基巖處設(shè)置混凝土擋墻及排水渠，將覆蓋層內(nèi)滲水進(jìn)行有效的排除。為了降低覆蓋層的浸潤線、滲流比以及出口水力坡降、保障工程中的邊坡滲透的穩(wěn)定性，須在圍堰坡腳及基坑覆蓋層構(gòu)建寬度為65 m的作業(yè)平臺(tái)以及降水管井，以此在基坑開挖時(shí)通過管井抽取滲透水[1-2]。

2 研究方法

2.1 滲流模型的建立

為了分析本工程土石圍堰所使用的防滲方案的滲流及邊坡的穩(wěn)定性，以及工程中防滲系統(tǒng)沿軸線的連貫性，根據(jù)本工程上游土石堰所采用的不同填筑以及施工場(chǎng)地地質(zhì)條件，建立有限元模型。模型中上游設(shè)置為圍堰上游坡腳300 m、下游設(shè)置為圍堰下游坡腳300 m、底部設(shè)置為基巖面以下100 m；本工程流域上游水位為取值為流域調(diào)蓄后水位873.5 m、下游流域水位取值為開挖基層后的高程722.0 m；本工程的有限元模型共構(gòu)建1900個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元數(shù)共1850。工程中材料分區(qū)及有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 工程中材料分區(qū)及有限元網(wǎng)格劃分示意圖

在有限元的模型構(gòu)建中，土石圍堰所構(gòu)建的模型兩側(cè)及底面為不透水二類邊界、上下游水位坡面則為定水頭一類邊界，并且圍堰下游水位以上的表面為溢流面。

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

圍堰土工膜的施工厚度較薄，因此，為了能夠建立有效的有限元模型，本研究中將其按照滲流等效的形式進(jìn)行構(gòu)建，即

k1(h/L1)A=k2(h/L2)A

(1)

式中過流面積A與水頭損失h參數(shù)相一致，因此，公式簡化為：

k1L2=k2L1

(2)

土石圍堰填筑材料與各覆蓋層滲透系數(shù)如表1所示[3-5]。

表1 土石圍堰填筑材料與各覆蓋層滲透系數(shù) cm/s

由于防滲墻涉及水下填筑以及反循環(huán)鉆機(jī)鉆孔施工，若出現(xiàn)造成垂直度不足、地質(zhì)中出現(xiàn)異性塊體等未滿足施工條件將造成施工問題。在進(jìn)行防滲墻澆筑時(shí)，不同齡期的混凝土將會(huì)在鉆孔搭接處形成一定程度的接縫。在實(shí)際操作中防滲墻上接土工膜施工較為復(fù)雜，并且圍堰頂部常作為施工通道，施工條件較差，因此極有可能產(chǎn)生裂縫及施工缺陷。

此外對(duì)施工中具有局部破損因素的滲流特性分析，對(duì)于局部的破損主要是由施工所產(chǎn)生的防滲墻底部開裂、土工膜與防滲墻接縫處的破裂、建筑在運(yùn)行期間防滲墻的自然變形導(dǎo)致的開裂等。防滲墻與土工膜滲流分析工況如表2所示。

表2 防滲墻與土工膜滲流分析工況

上述防滲墻與土工膜滲流分析工況2～5的有限元模型構(gòu)建可使用通過改變防滲系數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)，即將工況中所使用的防滲系數(shù)更換為防滲體系周圍覆蓋層或是所使用填筑材料的滲透系數(shù)。

3 圍堰體滲流計(jì)算結(jié)果分析

滲流計(jì)算結(jié)果分析主要因素為防滲墻浸潤線、溢出點(diǎn)高程、溢出點(diǎn)滲透坡降及滲透流量，如表3所示。正常使用中防滲墻等值線分布情況如圖2所示。防滲墻局部破損情況下的等值線分布情況如圖3所示[6-9]。

表3 各工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖2 正常使用中防滲墻等值線分布情況

圖3 防滲墻局部破損情況下的等值線分布情況

根據(jù)上面的分析結(jié)果顯示，當(dāng)防滲墻后浸潤線高程為722.00 m時(shí)，流域下游溢出高程725.46 m，此時(shí)的溢出點(diǎn)處于第Ⅰ層覆蓋層，溢出點(diǎn)滲透坡降為0.34，單寬流量為3.16 m3/(d·m)。在正常使用中設(shè)施中多數(shù)水頭是通過防滲墻與復(fù)合土工膜負(fù)責(zé)，但依據(jù)浸潤線的降低勢(shì)頭分析后發(fā)現(xiàn)，覆蓋層對(duì)于浸潤線的下降具有一定的影響。但根據(jù)綜合情況來看，流域下游溢出點(diǎn)所處位置較低，并且產(chǎn)生的滲透流量較小，不過滲出點(diǎn)的滲透坡降較大，但在施工中將對(duì)下游的坡面構(gòu)建0.5 m厚度的兩層反濾層，并在其上方加設(shè)1.0 m厚的石料保護(hù)層以確保其滲透的安全性。

根據(jù)防滲墻底部開叉的工況發(fā)現(xiàn)，在防滲墻未進(jìn)入第Ⅰ層覆蓋層的情況下，浸潤線與邊坡的出逸點(diǎn)高程得到了較大的提升，而滲流量也得到增加，因此，需要對(duì)第Ⅰ層覆蓋層進(jìn)行防滲施工處理。當(dāng)防滲墻底部出現(xiàn)了施工缺陷時(shí)將對(duì)覆蓋層的浸潤線產(chǎn)生影響，而邊坡出逸點(diǎn)高程及其比降值卻沒有顯著的影響。當(dāng)防滲墻與土工膜出現(xiàn)完全的開裂后，浸潤線以及滲流量將得到升高。根據(jù)以上的分析，防滲墻和復(fù)合土工膜結(jié)合是水利工程中防滲問題的關(guān)鍵，在實(shí)際的施工中應(yīng)注重對(duì)此方面施工進(jìn)行控制。

4 圍堰的邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 非線性強(qiáng)度參數(shù)

由于堆石料在較高的應(yīng)力條件將發(fā)生破裂，這個(gè)過程中將會(huì)造成堆石料的摩擦角降低，使其抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生非線性的特性。由于在混凝土面板堆石壩的抗滑穩(wěn)定性的計(jì)算中需要符合非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，由式(1)表示：

(1)

式中：φ為滑動(dòng)面的摩擦角,(°)；φ0為在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的摩擦角,(°)；σ3為滑動(dòng)面的小主應(yīng)力,Pa；Δφ為σ3增加對(duì)數(shù)周期下的縮減值,(°)；pα為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,Pa。

4.2 計(jì)算工況及參數(shù)

結(jié)合圍堰的實(shí)際使用狀況進(jìn)行壩坡穩(wěn)定性分析工況的選擇：工況1為圍堰填筑完成且基坑未進(jìn)行開挖狀態(tài)，參數(shù)為上游水位830.56 m，下游水位824.83 m；工況2為圍堰使用階段且基坑已開挖狀態(tài)，參數(shù)為上游水位872.42 m，下游水位722.45 m；工況3為圍堰運(yùn)行期上游水位大幅下降狀態(tài)，參數(shù)為上游水位872.18～830.47 m，下游水位722.48 m。圍堰填料及覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 圍堰填料及覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)

4.3 圍堰的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)非線性強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行水利工程施工工期以及正常運(yùn)行狀態(tài)下的圍堰壩坡及基坑邊坡的穩(wěn)定性分析。圍堰及基坑邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果如表5所示。

表5 圍堰及基坑邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果

依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定本工程中的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.2，根據(jù)上表中各工況的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，使用非線性抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行圍堰及基坑邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果能夠有效地達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

本工程水電站上游土石圍堰防滲策略采用混凝土防滲墻上接復(fù)合土工膜，經(jīng)過驗(yàn)證可知，在防滲施工中具有顯著的效果；當(dāng)防滲墻與土工膜出現(xiàn)完全的開裂后，浸潤線以及滲流量將得到升高，可見，防滲墻和復(fù)合土工膜結(jié)合是水利工程中防滲問題的關(guān)鍵；在圍堰投入使用過程中，應(yīng)設(shè)置有效的觀測(cè)點(diǎn)，以進(jìn)行圍堰滲透水頭和滲流量的監(jiān)測(cè)；對(duì)于堰體-堰基的復(fù)合邊坡進(jìn)行穩(wěn)定的分析，可以更好地滿足不同工況下的圍堰及基坑的邊坡的穩(wěn)定性。