水電站深厚覆蓋層土石圍堰堰坡的穩(wěn)定分析

顏昊

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830091）

0 前言

深厚覆蓋層通常是指堆積于河谷地帶，厚度在30 m 以上的第四紀(jì)松散沉積物。這類土層的結(jié)構(gòu)比較松散、巖層不連續(xù)，滲透性良好。同時(shí)，水分的滲透又會(huì)對(duì)原來(lái)的土石結(jié)構(gòu)造成破壞，在上部巖土的重力擠壓下，引起沉降等現(xiàn)象。因此，相比于一般的圍堰，深厚覆蓋層土石圍堰因?yàn)榫哂袧B透性強(qiáng)、滲流場(chǎng)變化復(fù)雜等特點(diǎn)，在長(zhǎng)時(shí)間的水流沖擊下更容易發(fā)生坍塌、失穩(wěn)。為了確保土石圍堰的結(jié)構(gòu)安全，必須要針對(duì)圍堰的整個(gè)施工過(guò)程展開(kāi)受力分析，在此基礎(chǔ)上確定維持圍堰堰坡穩(wěn)定的最佳參數(shù)，為下一步圍堰施工提供必要的參考。

1 工程概況

某水電站的上游圍堰處于兩山之間的“V”型峽谷段，堰頂高程964.40 m，頂寬9.80 m，設(shè)計(jì)擋水位874.00 m。圍堰最大高度81 m，河床覆蓋層平均厚度74 m。根據(jù)巖土類型的不同，可以將深厚覆蓋層分為3層，I層厚度4.08～11.28 m，以河流沖擊堆積的卵石、礫石為主；II層厚度16.71～22.09 m，以碎石、塊石為主，夾雜著部分細(xì)粒砂和粉土質(zhì)礫；III 層厚度32.41～42.92 m，以礫石為主，有少量碎塊石。本工程中圍堰填筑方式有2種，其中高程822 m以上的部分，采用干地碾壓填筑方式，圍堰的迎水面坡比為1：1.8，背水面坡比為1：1.6；高程在822以上的部分，采用水下填筑，迎水面與背水面的坡比統(tǒng)一設(shè)置為1：1.5。圍堰的防水部分為“塑性混凝土防滲墻+復(fù)合土工膜斜墻”。圍堰基坑開(kāi)挖前的斷面剖面圖如圖1所示。

圖1 圍堰基坑開(kāi)外前的斷面剖面圖

2 圍堰滲流分析

2.1 計(jì)算網(wǎng)格模型與參數(shù)

本文使用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊，對(duì)圍堰滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字模擬分析。結(jié)合圍堰的施工流程，分別創(chuàng)建了3個(gè)網(wǎng)格模型，模型1 為戧堤合攏環(huán)節(jié)，共有4 007 個(gè)單元，用于模擬圍堰戧堤截流穩(wěn)定時(shí)的滲流場(chǎng)；模型2 為基坑抽水環(huán)節(jié)，共有4 775個(gè)單元，用于模擬圍堰抽水結(jié)束時(shí)的滲流場(chǎng)；模型3為基坑開(kāi)挖環(huán)節(jié)，共有4 264 個(gè)單元，用于模擬圍堰開(kāi)挖結(jié)束時(shí)的滲流場(chǎng)。本次工程中覆蓋層分為3層，各層的滲透系數(shù)以及不同材料的滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 圍堰滲流場(chǎng)計(jì)算參數(shù)表

2.2 戧堤合攏滲流計(jì)算分析

圍堰戧堤截流合龍后的滲流計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 戧堤截留滲流計(jì)算等勢(shì)線、單寬流量圖

圍堰截流完成后，上、下游水位水頭差為4 m。因?yàn)榇藭r(shí)尚未采取有效的防滲措施，因此單寬流量較大，達(dá)到了16.35 m3/d。同時(shí)，浸潤(rùn)線較高，溢出點(diǎn)比降為0.072。分析認(rèn)為，圍堰截流合龍后，其迎水面承受的水流沖擊更為明顯，因此在沒(méi)有防滲措施的情況下會(huì)出現(xiàn)滲流量增加的情況，相應(yīng)的堰坡穩(wěn)定性也會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降。

2.3 圍堰基坑抽水過(guò)程滲流分析

圍堰基坑抽水會(huì)導(dǎo)致上、下游水頭的高差進(jìn)一步變大，在重力等作用力的影響下，圍堰同一斷面的單寬流量也會(huì)隨著水頭高差的增加而變大，單寬流量增量與水頭差增量的關(guān)系大概是1：2.4，即單寬流量每增加12 m3/d，則上、下游水頭高差增加5 m。另外，抽水速度也是影響圍堰滲流與穩(wěn)定性的重要因素。這里以抽水速度為0.50 m/d和1.00 m/d作為對(duì)比，在不同時(shí)段下圍堰基坑浸潤(rùn)線和防滲墻的比降統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

結(jié)合表2 數(shù)據(jù)可知，基坑抽水速度越快，則圍堰浸潤(rùn)線溢出點(diǎn)比降越大，這種情況下圍堰的穩(wěn)定性較差。因此，適當(dāng)降低抽水速度對(duì)提高圍堰堰坡穩(wěn)定性有一定幫助。

表2 圍堰基坑抽水滲流計(jì)算結(jié)果表

2.4 圍堰基坑開(kāi)挖過(guò)程中滲流分析

隨著圍堰基坑開(kāi)挖深度的增加，一方面是開(kāi)挖作業(yè)破壞了原來(lái)的覆蓋層巖土結(jié)構(gòu)，可能會(huì)對(duì)堰坡滲流產(chǎn)生影響；另一方面，在重力作用下，會(huì)產(chǎn)生水流匯聚效應(yīng)，也會(huì)對(duì)圍堰堰坡的滲流產(chǎn)生影響。在圍堰基坑開(kāi)挖環(huán)節(jié)，分別統(tǒng)計(jì)了浸潤(rùn)線溢出點(diǎn)比降，以及防滲墻最大比降和底部比降，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 基坑開(kāi)挖滲流計(jì)算結(jié)果表

由上表數(shù)據(jù)可知，隨著圍堰基坑開(kāi)挖深度的增加，浸潤(rùn)線溢出點(diǎn)比降，以及防滲墻最大比降均出現(xiàn)了增大的趨勢(shì)。基坑開(kāi)挖深度和開(kāi)挖速度都會(huì)對(duì)圍堰滲流產(chǎn)生影響。

3 圍堰堰坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同施工階段圍堰堰坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

文章結(jié)合圍堰施工流程，分別從圍堰填筑、基坑抽水、基坑開(kāi)挖等環(huán)節(jié)對(duì)圍堰堰坡的穩(wěn)定性展開(kāi)計(jì)算、分析。將圍堰堰坡孔隙水壓力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用SEEP/W 滲流計(jì)算方法，分析圍堰堰坡的穩(wěn)定性；堰體自重、水荷載等引起的應(yīng)力，使用ABAQUS 進(jìn)行非線性有限元計(jì)算。不同工況下的圍堰穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如下：

一是戧堤截流階段。圍堰坡體的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.83，在整個(gè)圍堰施工流程中最低，說(shuō)明圍堰填筑環(huán)節(jié)，特別是戧堤合攏施工時(shí)容易失穩(wěn)。

二是圍堰抽水階段。圍堰坡體的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.44，在整個(gè)圍堰施工流程中最高。該計(jì)算結(jié)果是以抽水速度為4 m/d 計(jì)算得來(lái)的。理論上來(lái)說(shuō)，抽水速度越慢，對(duì)圍堰造成的影響越小，因此實(shí)際施工中可以通過(guò)降低抽水速度，使圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)一步提高［3］。

三是圍巖開(kāi)挖階段。圍堰坡體的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.30。在圍堰內(nèi)部抽水結(jié)束后，土體逐漸失水、干燥，因此堰坡穩(wěn)定性較高。但是隨著開(kāi)挖深度的增加，又會(huì)對(duì)堰坡土體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，因此整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)比圍堰抽水階段略低。

3.2 不同抽水速度下圍堰堰坡穩(wěn)定性分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同抽水速度對(duì)圍堰堰坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，現(xiàn)場(chǎng)分別使用了0.50 m/d、1.00 m/d、2.00 m/d三個(gè)擋位的抽水速度，并按照上文所述方法分別結(jié)算不同抽水速度下的圍堰堰坡穩(wěn)定安全系數(shù)。在不同水位高程下，3種抽水速度的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（Fs）如圖3所示。

圖3 基坑不同抽水速度對(duì)應(yīng)高程下游堰坡安全系數(shù)曲線圖

結(jié)合上圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍堰基坑抽水速度的加快，圍堰堰坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。當(dāng)抽水速度為0.50 m/d 時(shí)，在水位高程865 m 時(shí)穩(wěn)定性最好，此時(shí)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.24；在水位高程855 m 時(shí)穩(wěn)定性最差，此時(shí)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.18。將抽水速度提升至2 m/d 后，在水位高程865 m 時(shí)圍堰堰坡的穩(wěn)定性最好，此時(shí)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.96；在水位高程855 m 時(shí)堰坡穩(wěn)定性最差，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅為1.85。對(duì)比可知，圍堰抽水速度越慢，對(duì)圍堰堰坡產(chǎn)生的破壞影響越小，此時(shí)圍堰整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好。

3.3 深厚覆蓋層滲透特性對(duì)堰坡穩(wěn)定性的影響分析

為了驗(yàn)證深厚覆蓋層滲透特性對(duì)圍堰堰坡穩(wěn)定性的影響，選擇圍堰開(kāi)挖階段的邊坡安全系數(shù)作為對(duì)照，另外設(shè)計(jì)了4種方案展開(kāi)對(duì)比探究，各方案對(duì)應(yīng)的圍堰堰坡安全系數(shù)如表4所示。

結(jié)合表4 數(shù)據(jù)，當(dāng)覆蓋層Ⅲ為不透水層時(shí)，基坑邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.03，要高于基礎(chǔ)工況下的2.75。說(shuō)明在覆蓋層Ⅲ處采取塑性混凝土防滲墻措施，對(duì)提高圍堰堰坡穩(wěn)定性有良好效果；覆蓋層Ⅱ的滲透特性對(duì)圍堰堰坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響不大，在變?yōu)椴煌杆畬雍螅淇够€(wěn)定安全系數(shù)有一定升高，但是并不明顯；覆蓋層Ⅰ變?yōu)椴煌杆畬雍螅淇够€(wěn)定安全系數(shù)為2.54，反而低于未做任何處理的基礎(chǔ)工況（2.75），說(shuō)明在覆蓋層Ⅰ處不適合進(jìn)行防滲施工。綜合來(lái)看，當(dāng)整個(gè)深厚覆蓋層全部進(jìn)行防滲處理、變成不透水層后，堰坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到最大（3.26），此時(shí)圍堰堰坡的穩(wěn)定性最好。

表4 覆蓋層不同滲透特性對(duì)圍堰堰坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)語(yǔ)

在水利水電工程的圍堰施工中，圍堰防滲處理對(duì)保障圍巖結(jié)構(gòu)安全和現(xiàn)場(chǎng)施工安全起到了重要作用。而深厚覆蓋層由于自身結(jié)構(gòu)組成、巖土特性等因素的影響，容易發(fā)生滲漏現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)沉降、失穩(wěn)。通過(guò)本文的研究論證，認(rèn)為在圍堰施工過(guò)程中降低抽水速度，可以降低施工期間對(duì)圍堰堰坡的擾動(dòng)和破壞，有利于提升圍堰堰坡的穩(wěn)定性。同時(shí)，采用塑性混凝土防滲墻等措施，對(duì)深厚覆蓋層進(jìn)行整體的防滲處理，通過(guò)顯著提升其防滲效果，也可以讓圍堰堰坡的穩(wěn)定性得到顯著提升。