ZMT水電站施工期上游圍堰滲流場及穩(wěn)定性數(shù)值分析

陳元盛

大中型水利水電工程施工導(dǎo)流工程常可分為導(dǎo)流、截流和圍堰三部分，它們是建成水利水電工程的必經(jīng)環(huán)節(jié)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(chuàng)造干地條件，其次在有些工程中也可以與永久建筑物相結(jié)合，作為永久建筑物的一部分，以節(jié)省工程投資[1]。圍堰的滲流問題是錯綜復(fù)雜，隨著該問題被廣泛關(guān)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(shù)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(huán)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(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)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(chǔ)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(dǎo)流、主體工程分三期、基坑全年施工的導(dǎo)流方式。即一期基坑進(jìn)行左岸導(dǎo)流明渠的修建，二期基坑進(jìn)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(qū)基巖巖性單一，巖質(zhì)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(gòu)成骨架，結(jié)構(gòu)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(zhì)堅硬巖體較完整，巖體以弱風(fēng)化為主。

擬建電站的上游圍堰堰體填筑較大，基礎(chǔ)防滲深度大，由于涉及按時發(fā)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(wù)重，難度大。因此，本文中圍堰滲流與堰坡穩(wěn)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(wěn)定性，為施工過程提供一定的借鑒、指導(dǎo)。

2 數(shù)值計算條件和模型

圍堰上游設(shè)計水位3277.90 m,堰后開挖后最低水位3198.00 m，上游圍堰在設(shè)計工況下，對施工開挖過程不同高程的基坑進(jìn)行二維滲流和堰體穩(wěn)定計算。上游圍堰計算區(qū)域內(nèi)共涉及到10種材料，它們分別為：堰體堆石料、土工膜復(fù)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(wǎng)格剖分，結(jié)點數(shù)15701，單元數(shù)15414。

表1 上游圍堰計算材料參數(shù)表

圖3 上游圍堰模型材料分布圖

圖4 上游圍堰模型網(wǎng)格剖分結(jié)果

模型采用笛卡兒直角坐標(biāo)系，以垂直向為y軸，垂直向上為正，計算坐標(biāo)原點選在0標(biāo)高處；以順河向為z軸，指向下游為正向，計算坐標(biāo)原點選取3～3與8～8剖面的交點處。計算區(qū)域：二維圍堰滲流與堰坡穩(wěn)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(dá)到壩軸線處。垂直向自弱風(fēng)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(jìn)行計算分析。

圖5 流網(wǎng)與浸潤線分布圖

圖6 水力坡降等值線圖

3 計算結(jié)果

3.1 基坑未開挖工況

現(xiàn)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(jìn)行計算分析，并繪制關(guān)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(shù)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(shè)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(nèi)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(cè)的等勢線基本均勻?qū)ΨQ。流線為繞防滲墻底部包線分布，方向水平，在地層參數(shù)變化處發(fā)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(shù)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(xiàn)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(jìn)行計算分析，并繪制關(guān)系曲線以及云圖，其余工況均以匯總表給出。

圖13 流網(wǎng)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(shè)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(shù)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(cè)的等勢線進(jìn)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(shù)變化處發(fā)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(nèi)，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(shù)最小值為1.02，堰體后基坑邊坡安全系數(shù)較小，施工中應(yīng)采取措施防護(hù)。

3.3 各工況計算結(jié)果匯總

表2 滲流與堰坡穩(wěn)定計算結(jié)果匯總

通過各個工況的比較看以看出，壩址區(qū)基坑開挖過程中，流網(wǎng)圖、流速圖、流量圖、水力坡降等勢線圖，以及邊坡安全系數(shù)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(xù)增加，但滲流量相對較小；堰后邊坡安全系數(shù)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(shù)降低到1.08，基坑邊坡安全系數(shù)很低。以上計算結(jié)果說明基坑防滲設(shè)計方案和施工開挖步序需要調(diào)整，可以在基坑邊坡中強化排水設(shè)施解決。

4 結(jié)論

1）基坑開挖前上游圍堰邊坡是穩(wěn)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(shù)不斷降低。

2）基坑開挖至設(shè)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(wěn)定系數(shù)較小。基坑防滲設(shè)計方案需要改進(jìn)，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(dǎo)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(yīng)用[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2000.