水電站深厚覆蓋層土石圍堰堰坡的穩定分析

顏昊

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，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 以上的第四紀松散沉積物。這類土層的結構比較松散、巖層不連續，滲透性良好。同時，水分的滲透又會對原來的土石結構造成破壞，在上部巖土的重力擠壓下，引起沉降等現象。因此，相比于一般的圍堰，深厚覆蓋層土石圍堰因為具有滲透性強、滲流場變化復雜等特點，在長時間的水流沖擊下更容易發生坍塌、失穩。為了確保土石圍堰的結構安全，必須要針對圍堰的整個施工過程展開受力分析，在此基礎上確定維持圍堰堰坡穩定的最佳參數，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，設計擋水位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，夾雜著部分細粒砂和粉土質礫；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一設置為1：1.5。圍堰的防水部分為“塑性混凝土防滲墻+復合土工膜斜墻”。圍堰基坑開挖前的斷面剖面圖如圖1所示。

圖1 圍堰基坑開外前的斷面剖面圖

2 圍堰滲流分析

2.1 計算網格模型與參數

本文使用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊，對圍堰滲流場進行數字模擬分析。結合圍堰的施工流程，分別創建了3個網格模型，模型1 為戧堤合攏環節，共有4 007 個單元，用于模擬圍堰戧堤截流穩定時的滲流場；模型2 為基坑抽水環節，共有4 775個單元，用于模擬圍堰抽水結束時的滲流場；模型3為基坑開挖環節，共有4 264 個單元，用于模擬圍堰開挖結束時的滲流場。本次工程中覆蓋層分為3層，各層的滲透系數以及不同材料的滲透系數統計見表1。

表1 圍堰滲流場計算參數表

2.2 戧堤合攏滲流計算分析

圍堰戧堤截流合龍后的滲流計算結果如圖2所示。

圖2 戧堤截留滲流計算等勢線、單寬流量圖

圍堰截流完成后，上、下游水位水頭差為4 m。因為此時尚未采取有效的防滲措施，因此單寬流量較大，達到了16.35 m3/d。同時，浸潤線較高，溢出點比降為0.072。分析認為，圍堰截流合龍后，其迎水面承受的水流沖擊更為明顯，因此在沒有防滲措施的情況下會出現滲流量增加的情況，相應的堰坡穩定性也會出現不同程度的下降。

2.3 圍堰基坑抽水過程滲流分析

圍堰基坑抽水會導致上、下游水頭的高差進一步變大，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作為對比，在不同時段下圍堰基坑浸潤線和防滲墻的比降統計結果見表2。

結合表2 數據可知，基坑抽水速度越快，則圍堰浸潤線溢出點比降越大，這種情況下圍堰的穩定性較差。因此，適當降低抽水速度對提高圍堰堰坡穩定性有一定幫助。

表2 圍堰基坑抽水滲流計算結果表

2.4 圍堰基坑開挖過程中滲流分析

隨著圍堰基坑開挖深度的增加，一方面是開挖作業破壞了原來的覆蓋層巖土結構，可能會對堰坡滲流產生影響；另一方面，在重力作用下，會產生水流匯聚效應，也會對圍堰堰坡的滲流產生影響。在圍堰基坑開挖環節，分別統計了浸潤線溢出點比降，以及防滲墻最大比降和底部比降，結果見表3。

表3 基坑開挖滲流計算結果表

由上表數據可知，隨著圍堰基坑開挖深度的增加，浸潤線溢出點比降，以及防滲墻最大比降均出現了增大的趨勢。基坑開挖深度和開挖速度都會對圍堰滲流產生影響。

3 圍堰堰坡穩定計算結果與分析

3.1 不同施工階段圍堰堰坡穩定性計算結果

文章結合圍堰施工流程，分別從圍堰填筑、基坑抽水、基坑開挖等環節對圍堰堰坡的穩定性展開計算、分析。將圍堰堰坡孔隙水壓力作為評價指標，使用SEEP/W 滲流計算方法，分析圍堰堰坡的穩定性；堰體自重、水荷載等引起的應力，使用ABAQUS 進行非線性有限元計算。不同工況下的圍堰穩定性計算結果如下：

一是戧堤截流階段。圍堰坡體的整體抗滑穩定安全系數為1.83，在整個圍堰施工流程中最低，說明圍堰填筑環節，特別是戧堤合攏施工時容易失穩。

二是圍堰抽水階段。圍堰坡體的整體抗滑穩定安全系數為2.44，在整個圍堰施工流程中最高。該計算結果是以抽水速度為4 m/d 計算得來的。理論上來說，抽水速度越慢，對圍堰造成的影響越小，因此實際施工中可以通過降低抽水速度，使圍堰結構的穩定安全系數進一步提高［3］。

三是圍巖開挖階段。圍堰坡體的整體抗滑穩定安全系數為2.30。在圍堰內部抽水結束后，土體逐漸失水、干燥，因此堰坡穩定性較高。但是隨著開挖深度的增加，又會對堰坡土體產生一定的擾動，因此整體抗滑穩定安全系數比圍堰抽水階段略低。

3.2 不同抽水速度下圍堰堰坡穩定性分析

為了進一步驗證不同抽水速度對圍堰堰坡穩定性產生的影響，現場分別使用了0.50 m/d、1.00 m/d、2.00 m/d三個擋位的抽水速度，并按照上文所述方法分別結算不同抽水速度下的圍堰堰坡穩定安全系數。在不同水位高程下，3種抽水速度的抗滑穩定安全系數（Fs）如圖3所示。

圖3 基坑不同抽水速度對應高程下游堰坡安全系數曲線圖

結合上圖可以發現，隨著圍堰基坑抽水速度的加快，圍堰堰坡的抗滑穩定安全系數也呈現出下降趨勢。當抽水速度為0.50 m/d 時，在水位高程865 m 時穩定性最好，此時的抗滑穩定安全系數為2.24；在水位高程855 m 時穩定性最差，此時的抗滑穩定安全系數為2.18。將抽水速度提升至2 m/d 后，在水位高程865 m 時圍堰堰坡的穩定性最好，此時的抗滑穩定安全系數為1.96；在水位高程855 m 時堰坡穩定性最差，抗滑穩定安全系數僅為1.85。對比可知，圍堰抽水速度越慢，對圍堰堰坡產生的破壞影響越小，此時圍堰整體結構的穩定性越好。

3.3 深厚覆蓋層滲透特性對堰坡穩定性的影響分析

為了驗證深厚覆蓋層滲透特性對圍堰堰坡穩定性的影響，選擇圍堰開挖階段的邊坡安全系數作為對照，另外設計了4種方案展開對比探究，各方案對應的圍堰堰坡安全系數如表4所示。

結合表4 數據，當覆蓋層Ⅲ為不透水層時，基坑邊坡抗滑穩定安全系數為3.03，要高于基礎工況下的2.75。說明在覆蓋層Ⅲ處采取塑性混凝土防滲墻措施，對提高圍堰堰坡穩定性有良好效果；覆蓋層Ⅱ的滲透特性對圍堰堰坡抗滑穩定安全系數的影響不大，在變為不透水層后，其抗滑穩定安全系數有一定升高，但是并不明顯；覆蓋層Ⅰ變為不透水層后，其抗滑穩定安全系數為2.54，反而低于未做任何處理的基礎工況（2.75），說明在覆蓋層Ⅰ處不適合進行防滲施工。綜合來看，當整個深厚覆蓋層全部進行防滲處理、變成不透水層后，堰坡穩定安全系數達到最大（3.26），此時圍堰堰坡的穩定性最好。

表4 覆蓋層不同滲透特性對圍堰堰坡穩定性計算結果表

4 結語

在水利水電工程的圍堰施工中，圍堰防滲處理對保障圍巖結構安全和現場施工安全起到了重要作用。而深厚覆蓋層由于自身結構組成、巖土特性等因素的影響，容易發生滲漏現象，進而出現沉降、失穩。通過本文的研究論證，認為在圍堰施工過程中降低抽水速度，可以降低施工期間對圍堰堰坡的擾動和破壞，有利于提升圍堰堰坡的穩定性。同時，采用塑性混凝土防滲墻等措施，對深厚覆蓋層進行整體的防滲處理，通過顯著提升其防滲效果，也可以讓圍堰堰坡的穩定性得到顯著提升。