考慮滲流應力耦合效應土石圍堰斷面方案研究

刁海鵬 侍克斌 白現軍 董正宇

摘 要：為研究圍堰在降雨及水位變動下的滲流特性及邊坡穩定情況，以阿扎德帕坦水電站下游土石圍堰為例，對比兩種不同圍堰剖面設計方案，考慮短歷時強降雨工況，基于非飽和滲流原理，對兩種圍堰斷面方案在滲流應力耦合狀態下遭遇水位變動和短歷時強降雨時的滲流和邊坡穩定性情況進行了有限元模擬。方案1結構較為簡單，圍堰上游邊坡（背水坡）為1∶1.50，下游邊坡（迎水坡）為1∶1.75，迎水坡采用厚0.5 m的塊石護坡，圍堰堰身和下部基礎采用高噴防滲墻。方案2結構較復雜，相比于方案1，防滲墻前移，圍堰頂部采用厚40 cm、C20W6F100的混凝土板，防止在過流時對其造成嚴重沖刷。結果表明：方案2上下游邊坡防滲效果均比方案1更具針對性，且圍堰滲流特性及阻滲效果較好;在不同靜水位條件下，方案2上下游邊坡的安全系數整體上大于方案1的，且滿足規范要求，其整體穩定性優于方案1的;水位變動時，無論是水位上升還是下降，降雨對圍堰上游邊坡的安全系數基本沒有影響，但降雨會降低下游邊坡的安全系數，降雨強度越大，安全系數就越小。

關鍵詞：土石圍堰;滲流特性;穩定分析;斷面優選;降雨

中圖分類號：TV551.3 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.025

引用格式：刁海鵬，侍克斌，白現軍，等.考慮滲流應力耦合效應土石圍堰斷面方案研究[J].人民黃河，2021，43（7）：130-136.

Abstract： For studying the cofferdam under rainfall and water level changes of seepage characteristics and the slope stability， taking earth-rock cofferdam downstream of Azad PatanHydroelectric Power Station as an example， it compared two different cofferdam section designs and considered the actual conditions in dry season and flood season on the basic of principle of unsaturated seepage flow in two kinds of cofferdam seepage flow stress coupling conditions confronted with water level fluctuation and rainfall seepage and slope stability conditions for finite element simulation. The results show that a） the anti-seepage effect of the upstream and downstream slopes of the scheme 2 is more targeted than that of the scheme 1 and the seepage characteristics and seepage prevention effect of the cofferdam are better; b） under different static water levels， the overall safety factor of the upstream and downstream slopes of the scheme 2 is greater than that of the scheme 1 and meets the requirements of the specification; c） when the water level fluctuates， whether it is rising or falling， rainfall has basically no effect on the safety factor of the upstream slope of the cofferdam， while rainfall will reduce the safety factor of the downstream slope， the greater the rainfall intensity， the smaller the safety factor.

Key words： earth and stone cofferdam; seepage characteristic; stability analysis; optimum selection of section; rainfall

1 引 言

水利水電工程中施工導流圍堰一般可分為土石圍堰和混凝土（漿砌石）圍堰，其中土石圍堰作為施工導流時的一種臨時性擋水建筑物，通過臨時性攔擋河水為永久建筑物的施工創造干地條件，在工程設計和施工中其滲流及邊坡穩定問題一直受到重點關注[1-2]。在水利工程施工過程中，圍堰往往要遭遇汛期及枯水期兩個階段，此時圍堰臨水坡在水庫泄水或基坑排水等情況下會面臨水位急速升降的情況，而影響圍堰滲流及穩定安全的因素十分復雜[3-4]，研究表明水位變動與降雨是導致土石邊坡失穩的重要誘因[5-6]，水位的變動及極端天氣[7-8]如強降雨可能會導致堰身產生一些病險問題，如邊坡失穩[9-10]、滲透破壞[11-12]等，進而使圍堰失事，威脅永久建筑物安全，影響施工進度[13-14]。因此，有必要對土石圍堰的滲流及穩定特性進行研究。

對于庫水位變動、降雨及相應的滲流穩定分析，國內外學者開展了大量的研究工作。史堯等[15]通過建立圍堰滲流及邊坡穩定分析模型，探討了深井降水對圍堰滲流及邊坡穩定的影響，但其未考慮流固耦合影響。劉聰聰等[16]運用波浪數學模型分析了強浪環境下圍堰工程附近波浪、水流作用對排水龍口泄水能力及結構穩定的影響。齊強等[11]針對某過水圍堰設計進行了滲流和邊坡穩定安全性分析，但其分析主要針對穩態工況。趙歡等[17]選擇不同的基坑抽水速度對某圍堰滲流場進行有限元模擬，采用非線性強度參數分析了圍堰邊坡的穩定性，但其未考慮降雨的影響。目前，既有研究對土石圍堰的分析較少考慮水位變動和降雨的共同影響，且較少考慮滲流場和應力場的耦合作用。Li等[18]對風暴潮沖擊下軟土地基圍堰的滲流應力耦合特性進行了研究，建立了潮汐變化、涌浪、土體強度退化、滲流影響等多因素耦合的數值模型。郁舒陽等[19]基于Fredlund & Xing參數分析了不同降雨類型對邊坡滲透穩定性的影響。目前關于水位變動（包括上升和下降）、不同庫水位變動速率、不同強度降雨等多因素影響下圍堰滲流和邊坡穩定耦合的分析研究較少，且對于圍堰滲流場和應力場的耦合作用仍然有待進一步研究，同時圍堰安全性對于確保施工進度及工程安全十分重要，因此有必要對水位變動與不同強度降雨共同作用下土石圍堰堰身滲流特性及穩定性問題進行研究。

本研究以阿扎德帕坦水電站下游土石圍堰為例，對比兩種不同圍堰剖面設計方案，考慮枯水期及汛期實際工況，對圍堰在滲流應力耦合狀態下遭遇水位變動和短歷時強降雨時的滲流和邊坡穩定性進行有限元分析，針對不同水位變動速率+不同降雨強度下的圍堰滲流特性及穩定特性進行分析，以期揭示水位變動+不同強度降雨對土石圍堰上下游邊坡穩定性的影響規律，為土石圍堰在復雜工況下的運行管理提供參考依據。

2 計算理論

2.1 飽和-非飽和滲流理論

基于非飽和土達西定律及多孔介質滲流連續方程，可以得到以壓力水頭表示的飽和-非飽和微分方程[20]為

式中：ksij為飽和滲透張量，m/s;kr為相對透水率，Lu;hc為壓力水頭，m;Q為源匯項;C（hc）為容水度;n為孔隙率;θ為體積含水量，在非飽和區為0，在飽和區為1;Ss為單位貯水量，kg·m-2·s-2;xi、xj為坐標分量;t為時間。

2.2 邊坡穩定理論

土石壩邊坡穩定分析采用極限平衡法中的Morgenstern-price方法[21]，使用Morgenstern-price方法可以很好地反映土條間的相互作用力，而不需要進行任何簡化。

式中：c′為有效黏聚力，Pa;φ′為有效摩擦角，（°）;μ為孔隙水壓力，Pa;N為條塊底部法向力，N;W為單位寬度下條塊的自重，kN/m;D為線荷載，kN/m;α為土體底部傾斜角;β、R、x、f、d、ω均為幾何參數。

2.3 耦合計算理論

耦合滲流場影響下的應力場與應力場影響下的滲流場計算方程[22]為

式中：K為土體整體剛度矩陣;Δδ為位移增量;ΔF為自重等外荷引起的節點荷載增量;ΔFs為滲流場重分布引起的滲流體積力的節點荷載增量;k為土體滲透系數，與應力場σij重分布導致的孔隙比變化有關;H為水頭分布函數;h為滲流場的水頭分布函數。

滲流場對應力場的影響主要是滲流場的重分布引起滲流體積力變化，進而影響應力場，應力場對滲流場的影響主要是應力場重分布導致孔隙比變化，進而影響滲流場。

3 工程概況

3.1 電站基本概況

阿扎德帕坦（Azad Pattan）水電站位于巴基斯坦巴控克什米爾地區的吉拉姆（Jhelum）河上阿扎德帕坦大橋上游附近，距離首都伊斯蘭堡約90 km。電站主體工程攔河壩是碾壓混凝土重力壩，為2級建筑物，軸線采用曲線布置，壩頂長264 m，壩頂高程為536 m，最大壩高103 m。電站為壩后式水電站，水庫總庫容1.47億m3，工程主要建筑物有碾壓混凝土擋水壩、進水口、引水壓力鋼管隧洞、地下廠房、尾水隧洞及地面開關站等。

下游圍堰采用土石圍堰，布置在主壩軸線下游約350 m處。壩址處10 a一遇洪峰流量為1 616 m3/s，相應下游圍堰處水位462.18 m。波浪爬高和安全超高合計為1.32 m，下游圍堰頂高程463.50 m。

3.2 導流方式及導流程序

考慮該水電站工程的施工工期、發電任務并綜合比較基坑清理、圍堰工程的差異及導流建筑物工程造價，該工程采用圍堰攔斷河床、隧洞導流。前期導流階段采用枯水期圍堰擋水，導流洞過水，汛期基坑過水，大壩枯水期施工導流方案;后期壩體施工高度超過圍堰時，臨時度汛利用壩體缺口+導流洞或者壩體永久底孔+表孔+導流洞過水，大壩可在汛期繼續施工。導流程序分為8個階段，施工程序及進度安排見圖1。

3.3 圍堰方案

水電站主體工程下游圍堰級別為4級，為過水土石圍堰，堰頂長65 m。現對兩種剖面方案進行優選：方案1結構較為簡單，圍堰上游邊坡（背水坡）為1∶1.50，下游邊坡（迎水坡）為1∶1.75，迎水坡采用厚0.5 m的塊石護坡，圍堰堰身和下部基礎采用高噴防滲墻。方案2結構較復雜，相比于方案1剖面，防滲墻前移，圍堰頂部采用厚40 cm、C20W6F100的混凝土板，防止在過流時對其造成嚴重沖刷;圍堰迎水面上游坡采用500 mm×500 mm×1 500 mm的鋼筋石籠疊壓的方式，鋼筋石籠具有良好的透水性，無論圍堰擋水還是過水，都能很好地防止水流對圍堰淘刷，而疊壓的方式進一步增強了鋼筋石籠的整體穩定性;下游邊坡坡腳采用鉛絲籠的防護方式，利用其自排水性，很好地防止坡腳內部細顆粒因被水流帶走而造成圍堰邊坡失穩，內部增加了黏土防滲區。方案2防滲性能針對性強，且局部穩定加固措施均優于方案1，方案1與方案2的剖面見圖2。在導流程序第三階段，下游圍堰可能會發生水毀，若水毀則需要在第3年10月—第4年2月對下游圍堰進行重修。為了進一步驗證選取土石圍堰斷面的合理性，確保圍堰過流時的安全性，防止圍堰在導流階段水毀，同時保證施工導流正常進行，為大壩施工爭取更多時間，現對方案1與方案2開展有限元模擬，進行方案比選。

4 數值模擬

4.1 模型及邊界條件

為研究短歷時強降雨及水位變動對土石圍堰邊坡滲流和穩定性的影響，考慮不同的降雨強度、不同水位及不同水位變動速率，根據工程設計圖紙，對土石圍堰方案1與方案2進行有限元模擬。假定堰體破壞服從摩爾-庫侖準則，有限元模型及邊界條件示意見圖3，方案1模型網格一共剖分為6 500個節點、6 311個單元，方案2模型網格一共剖分為6 712個節點、6 535個單元。

4.2 計算參數及工況選取

根據該水庫工程地層結構及其工程勘察報告，圍堰材料土水特征曲線見圖4，其邊坡巖土體材料分區及主要物理力學指標參數值見表1。

根據壩址上游水文站氣象資料，多年平均降水量1 404.1 mm，最大年降水量2 186.9 mm（2006年），最小年降水量924.3 mm（2009年）。降水量年內分配以7月、8月最大，分別為282.9、210.1 mm，基于現場水文氣象及水位監測資料，有限元模擬中考慮短歷時強降雨工況，降雨強度分別取0、30、50 mm/d，降雨持續時間為0～5 d，第5天后停止，有限元模型計算時間選為30 d。鑒于汛期下游土石圍堰過流，為對比方案1與方案2，簡化其汛期最高水位為463.50 m即圍堰頂高程，上游基坑截流后對應的下游水位為456.41 m且保持不變，枯水期上游基坑無水，有限元模擬計算工況見表2。

5 結果分析

5.1 靜水位穩態分析

不同上游靜水位條件下圍堰堰身孔壓等值線分布如圖5～圖7所示。由圖5可知，在枯水期即上游基坑無水時，圍堰下游坡擋水，此時與方案1相比，方案2上游孔隙水壓力整體上小于方案1的，且方案2下游存在黏土區，對坡外水頭有降低作用，下游堰體孔壓整體亦小于方案1的。圖6、圖7表明，當基坑內有水即圍堰處于汛期工作狀態時，方案2防滲墻位置前移，且下游存在黏土區。從圍堰孔隙水壓力云圖可知，方案2的

土體孔隙水壓力整體上小于方案1的，對于上游阻滲效果而言，由于方案2防滲墻前移，因此其阻滲效果優于方案1的;對于下游阻滲效果而言，由于黏土區起到了一定的阻滲效果，因此圍堰下游整體孔壓小于方案1的。整體比較說明，方案2對于上下游防滲比方案1更具針對性，且方案2阻滲效果更好，圍堰非飽和區域比方案1的大，故土體的基質吸力大，有利于土體穩定，從側面也表明在滲流特性方面，方案2的土體所處狀態優于方案1的。

不同靜水位下圍堰上下游邊坡安全系數見表3，對于圍堰上下游坡，在不同水位條件下方案2邊坡安全系數始終高于方案1的，這表明在不同靜水位條件下，方案2上下游邊坡的整體穩定性優于方案1的。

圖8、圖9分別給出了無降雨時方案1、方案2水位上升和水位下降時上下游邊坡的安全系數變化情況。由于方案1與方案2安全系數變化規律較為相似，因此僅針對方案1安全系數變化進行分析。水位上升時，上游坡安全系數先快速上升后趨于穩定;下游坡安全系數整體變化較小，局部先減小后緩慢增大較小幅度，最終趨于穩定。水位下降時，上游坡安全系數先快速減小后趨于穩定;下游坡安全系數整體變化較小，局部先增大后緩慢趨于穩定。無論是水位上升還是水位下降工況，水位變動速率越大，則上下游坡安全系數趨于穩定的時間越提前。

5.2 水位變動與降雨共同作用分析

考慮當下游水位處于較高狀態時，降雨對下游邊坡安全系數的影響規律不明顯，故僅針對方案2在下游水位處于456.41 m時進行降雨及水位波動共同作用下的圍堰邊坡穩定分析。圖10和圖11分別給出了方案2水位上升和下降與降雨共同作用下上下游邊坡的安全系數變化情況。圖10 優化后水位上升（下游水位456.41 m）與降雨作用下安全系數變化情況

降雨持續時間為5 d時，圖10（a）和圖11（a）表明無論是在水位上升階段還是在水位下降階段，降雨對圍堰上游邊坡的安全系數基本沒有影響。對比圖10（b）和圖11（b）可知，無論是在水位上升階段還是在水位下降階段，降雨都會降低下游邊坡的安全系數，且降雨強度越大，安全系數越小，這表明在施工過程中，當下游水位處于較低狀態時，要重視降雨對圍堰下游邊坡穩定性的影響。

6 結 論

（1）方案2按土石過水圍堰剖面設計后，整體上可顯著節省基坑排水、開挖和填筑時間，也為后期圍堰運行和基坑施工節省投資和時間。

（2）方案2較方案1防滲墻前移，圍堰下部存在高于下游水位的黏土區，整體而言，方案2上下游防滲效果均比方案1的更具針對性，且阻滲效果更好。

（3）在不同靜水位條件下，方案2上下游邊坡的安全系數整體上大于方案1的，且滿足規范要求，其整體穩定性優于方案1的。

（4）對于無降雨工況，在水位上升時，圍堰上游坡安全系數先快速增大后趨于穩定;下游坡安全系數整體變化較小，局部先減小后緩慢增大較小幅度，最終趨于穩定。水位下降時，上游坡安全系數先快速減小后趨于穩定;下游坡安全系數整體變化也較小，局部先增大后緩慢趨于穩定。無論是水位上升還是水位下降，水位變動速率越大，則上下游坡安全系數趨于穩定的時間越提前。

（5）無論水位上升還是下降，降雨對圍堰上游邊坡安全系數基本沒有影響，但降雨會減小下游邊坡安全系數，且降雨強度越大，安全系數越小，這表明在施工過程中，要十分重視降雨對下游邊坡穩定性的影響，做好圍堰日常風險管理。

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【責任編輯 張華巖】