復(fù)雜地質(zhì)條件下水電站廠房深基坑防滲方案優(yōu)化

周華雷,沈振中，徐力群

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098)

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復(fù)雜地質(zhì)條件下水電站廠房深基坑防滲方案優(yōu)化

周華雷,沈振中，徐力群

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098)

摘要：以某水利樞紐工程電站廠房基坑為例,應(yīng)用三維滲流有限單元法,建立了一期廠房基坑的三維有限元模型。分析不同防滲布置方案下基坑滲流場的分布特性,計(jì)算各種方案下防滲墻和基坑內(nèi)部砂礫石覆蓋層的最大滲透坡降及其變化規(guī)律,預(yù)測基坑排水量。以基坑滲透穩(wěn)定為控制標(biāo)準(zhǔn),綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素,提出了深基坑防滲布置優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：深基坑；防滲方案；優(yōu)化；滲透穩(wěn)定

0引言

許多水電工程采用壩后式開發(fā),電站廠房建造在河床上。在廠房基坑開挖時(shí),深厚覆蓋層地基存在滲透穩(wěn)定問題,尤其是當(dāng)基坑開挖深度大,地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí),基坑的防滲問題更加突出,一旦出現(xiàn)問題,后果十分嚴(yán)重。湖南浯溪水電站二期基坑施工過程中基坑內(nèi)部出現(xiàn)管涌,不但嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度,更造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,如何選擇合理有效的防滲措施,防止基坑工程因滲透穩(wěn)定問題發(fā)生破壞具有重要的研究意義。

國內(nèi)外學(xué)者在基坑滲流控制研究方面取得了許多成果。陳駿峰等基于飽和-非飽和理論,計(jì)算了某臨河基坑滲流場,得出了基坑的優(yōu)化防滲措施[1]。姜忻良等應(yīng)用三維有限元法計(jì)算分析了基坑滲流場的分布,還分析了土質(zhì)條件發(fā)生改變時(shí)對基坑滲透穩(wěn)定性的影響[2]。俞洪良等采用有限單元法分析計(jì)算了基坑滲流場,研究了基坑滲透穩(wěn)定性隨水利條件變化特性[3]。由此可見,應(yīng)用滲流有限元法研究復(fù)雜地質(zhì)條件下基坑的滲流安全問題是常用而有效的方法。

本文針對某水利工程電站廠房基坑覆蓋層深厚,且受近幾年河道頻繁采砂活動(dòng)的影響較大,河床覆蓋層土體地質(zhì)條件更加復(fù)雜的情況,開展了基坑滲流控制方案的優(yōu)化計(jì)算分析研究,提出了合理有效的防滲布置方案。

1工程概況

浙江某水利樞紐工程等級為三等,主要建筑物有泄洪閘、船閘、河床式發(fā)電廠房、左岸混凝土重力壩及右岸回填防滲建筑物等。本文模擬計(jì)算該樞紐工程右岸廠房基坑,基坑內(nèi)部按發(fā)電設(shè)備布置要求進(jìn)行開挖,開挖最深處達(dá)25m左右。施工期間,在基坑上、下游側(cè)和河床側(cè)分別布置橫向圍堰及縱向圍堰,圍堰均采用混凝土防滲墻防滲,防滲墻厚0.6m?；悠矫娌贾檬疽庖妶D1。

圖1　基坑平面布置示意

河床上部分布有第四系全新統(tǒng)沖洪積砂礫卵石層,厚約15～37m,滲透系數(shù)K為2.28×10-4～5.78×10-1cm/s,強(qiáng)～中等透水性。下部分布有第四系上更新統(tǒng)沖洪積含泥砂礫卵石,厚約6～23.5m,滲透系數(shù)K為1.3×10-4～8.14×10-3cm/s,中等透水性。基巖為侏羅系上統(tǒng)諸暨組a段含礫晶屑凝灰?guī)r,新鮮巖石較堅(jiān)硬。全風(fēng)化帶厚0～5m；強(qiáng)風(fēng)化帶厚0.25～1.5m。沿線未見斷層通過,節(jié)理稍發(fā)育,一般以中～陡傾角為主,節(jié)理面一般充填鐵錳質(zhì)、黃色礦物、鈣質(zhì)薄膜及細(xì)脈等。基巖相對不透水層(q≤5Lu)埋深：左岸3～14m；河床8～56.5m,局部62m；右岸18～31m。由于近幾年采砂活動(dòng)頻繁無序,河床頂部細(xì)顆粒砂石流失,留下相對較粗顆粒,河床頂部一定范圍內(nèi)土體滲透系數(shù)變大。

2計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)條件建立三維有限元模型。圍堰按實(shí)際結(jié)構(gòu)考慮,包括土工膜、砂礫石堰體、防滲墻等；地基部分包括覆蓋層和下部基巖；基坑內(nèi)部按實(shí)際開挖情況進(jìn)行模擬,模型底部截取至相對不透水層以下約50m,即高程-100m。

2.1有限元模型及邊界條件

以大地坐標(biāo)為模型原點(diǎn),上游指向下游為X軸正方向；右岸指向左岸為Y軸正方向；由下到上為Z軸正方向,與高程一致。整體模型x、y、z尺寸為510、401、112m。使用空間八節(jié)點(diǎn)六面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分,共生成46 613個(gè)單元,50 952個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型三維有限元網(wǎng)格見圖2。

圖2　基坑三維有限元網(wǎng)格

計(jì)算模型的邊界條件包括已知水頭邊界、出滲邊界及不透水邊界[4]。已知水頭邊界包括圍堰上、下游側(cè)河道水位以下的河岸、河底以及岸坡地下水水位以下的截取邊界[5]；出滲邊界為河道水位以上的上、下游圍堰,基坑內(nèi)側(cè)所有與大氣接觸的表面；不透水邊界包括基坑模型上、下游兩側(cè)和右岸兩側(cè)截取邊界除給定地下水水位以外的部分邊界以及模型底面[6]。

2.2材料滲透參數(shù)

圍堰各分區(qū)材料及地層的滲透參數(shù)見表1。

表1圍堰各區(qū)材料及地層滲透參數(shù)

材料名稱滲透系數(shù)/cm·s-1允許坡降土工膜1.00×10-10—圍堰堆石體5.00×10-1—混凝土防滲墻1.00×10-780砂礫石層5.00×10-20.30含泥砂礫石層4.00×10-3—基巖1.00×10-5—

3基坑防滲方案

3.1防滲布置

根據(jù)本工程實(shí)際地質(zhì)條件,參考設(shè)計(jì)資料,擬定7種(H1～H7)防滲布置方案進(jìn)行基坑的滲流計(jì)算,分析不同防滲方案下基坑滲流場的位勢分布、滲透坡降及其變化規(guī)律,以確定經(jīng)濟(jì)合理的防滲方案。防滲方案H1～H7的防滲墻底部高程分別至-35.5、-38、-41、-44、-47、-50m和-52m。河床側(cè)及基坑上、下游側(cè)計(jì)算水位取10年一遇(P=10%)洪水位10.94m,岸坡側(cè)地下水水位取10.00m。

圖4　不同防滲方案基坑剖面位勢分布(單位：m)

3.2基坑滲流場位勢分布

經(jīng)計(jì)算得到各種防滲方案下基坑的三維滲流場。方案H1、H6基坑的地下水水位等值線見圖3。從圖3可知,河道水流和岸坡地下水通過圍堰及山體向基坑內(nèi)部入滲,浸潤面最低位置出現(xiàn)在基坑內(nèi)部開挖深度較大的部位。防滲墻處地下水水位等值線密度較大,說明該部位滲透坡降較大,防滲墻的阻滲作用明顯；防滲墻的深度變化對整體基坑的地下水水位分布有明顯影響,隨著圍堰防滲墻底部高程的降低,防滲墻處地下水水位等值線的密集程度有一定增大,表明防滲墻的防滲效果越好。

圖3　地下水水位等值線(單位：m)

防滲方案H1和H6基坑典型剖面Y=120m的位勢分布見圖4。從圖4可知,地下水水位在防滲墻上、下游降落明顯,且隨著防滲墻深度的變化,防滲墻下游位勢值的變化明顯。圖5b中防滲墻下游浸潤面比圖5a明顯降低,位勢降低約1.25m。

防滲墻下游位勢隨防滲墻底部高程變化規(guī)律見圖5。從圖5可知,防滲墻底部高程至-35.5m時(shí),上游防滲墻后水頭為2.89m；防滲墻底部高程分別至-38、-41、-44、-47、-50m和-52m時(shí),防滲墻下游位勢相對于方案H1分別降低了0.19、0.48、0.57、0.63、1.25m和1.29m。數(shù)據(jù)表明,防滲墻對水頭的削減作用隨防滲墻深度增加有一定增幅。當(dāng)防滲墻達(dá)到基巖時(shí),即底部高程為-50.0m時(shí),防滲墻對水頭的削減作用較大,再繼續(xù)增加防滲墻的深度,實(shí)際得到的防滲收益較小。

圖5　防滲墻下游位勢隨防滲墻底部高程變化

3.3基坑排水量

各種防滲墻方案下基坑的總滲透流量(即排水量)及其隨防滲墻深度變化規(guī)律見圖6。從圖6可知,防滲墻底部高程達(dá)到-35.5m時(shí),基坑總的排水量為42 790m3/d,隨著防滲墻深度的增大,基坑總的排水量不斷減少。相對于方案H1,方案H2～H7基坑總的排水量分別減小了1481、2 949、4 665、5 839、12 778m3/d和13 228m3/d。數(shù)據(jù)表明,當(dāng)防滲墻未達(dá)到基巖時(shí),增加防滲墻深度得到的防滲收益較高,且當(dāng)防滲墻達(dá)到基巖時(shí),防滲墻對阻礙水流向基坑內(nèi)的滲透效果較好。當(dāng)防滲墻已經(jīng)達(dá)到基巖時(shí),由于相對不透水層滲透系數(shù)較小,再繼續(xù)增加防滲墻的深度,對滲透流量的防滲收益同樣較小。

圖6　基坑總滲透流量隨防滲墻底部高程變化

3.4主要分區(qū)的滲透坡降

各防滲方案下基坑防滲墻和覆蓋層主要分區(qū)的最大滲透坡降見表2。從表2可知,防滲墻的最大滲透坡降均出現(xiàn)在上游圍堰防滲墻。隨著防滲墻深度的增加,防滲墻的阻滲作用愈加明顯,防滲墻的滲透坡降有一定程度的增大?；炷练罎B墻的允許滲透坡降為80,各方案下防滲墻的最大滲透坡降均遠(yuǎn)小于允許坡降。

表2各種方案下不同部位的最大滲透坡降

方案編號防滲墻覆蓋層H113.420.44H213.730.39H314.220.35H414.370.31H514.470.27H615.500.24H715.570.23

基坑內(nèi)部下游側(cè)覆蓋層出逸坡降最大,故該處出現(xiàn)滲透破壞的幾率較大。隨著防滲墻深度的增加,覆蓋層的最大滲透坡降有明顯的降低。基于滲透穩(wěn)定考慮,當(dāng)防滲墻底部高程達(dá)到-47m(方案H5)時(shí),砂礫石的最大坡降即小于允許滲透坡降0.30。當(dāng)防滲墻達(dá)到基巖(方案H6)時(shí),再繼續(xù)增大防滲墻深度對減小砂礫石的滲透坡降效果已不明顯。

4結(jié)語

針對某水利樞紐工程電站廠房基坑開挖施工的滲流控制問題,建立三維有限元模型,計(jì)算分析廠房基坑的滲流場特性,研究采用不同防滲方案時(shí)基坑滲流場的變化規(guī)律,得出以下結(jié)論：

(1)采用防滲墻防滲進(jìn)行滲流控制可有效阻隔地下水向基坑內(nèi)部滲透,削減水頭的作用主要集中在防滲墻中。在一定范圍內(nèi),增加防滲墻的深度可有效地減少基坑總的滲透流量及基坑內(nèi)覆蓋層的出逸坡降,提高基坑的滲透穩(wěn)定性。當(dāng)防滲墻已經(jīng)達(dá)到基巖,再繼續(xù)增加防滲墻的深度,實(shí)際的滲流控制收益增幅較小。因此,以滲透穩(wěn)定為控制條件,綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益,可以擬定基坑圍堰防滲墻的最佳深度。

(2)根據(jù)不同防滲方案的滲流場計(jì)算結(jié)果,并截?cái)嗫赡艿牟缮皩?建議采用方案H5,即防滲墻底部高程達(dá)到-47m。此時(shí),在計(jì)算水位下,基坑的總排水量為36 951m3/d,防滲墻的最大滲透坡降為14.47,基坑內(nèi)部砂礫石覆蓋層的最大出逸坡降為0.27,出現(xiàn)在基坑內(nèi)部下游側(cè)覆蓋層,防滲墻和覆蓋層的最大滲透坡降均小于材料的允許坡降,已達(dá)到滲透穩(wěn)定的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳駿峰, 馮美果. 基于飽和非飽和滲流理論的基坑防滲措施分析[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(5)： 1425- 1430.

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[6]徐力群, 黃柏云, 陸譽(yù)婷, 等. 地質(zhì)缺陷的面板堆石壩滲流特性分析及處理措施研究[J]. 水力發(fā)電, 2015, 41(12)： 48- 53.

(責(zé)任編輯楊健)

收稿日期：2015- 12- 02

基金項(xiàng)目：江西省水利科技項(xiàng)目(KT201545)；中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2014B11914)；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金(BK2012410)

作者簡介：周華雷(1992—),男,江蘇淮安人,碩士研究生,研究方向?yàn)楣こ虧B流控制與分析．

中圖分類號：TV223.42

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0053- 04

SeepageControlSchemeOptimizationforDeepFoundationPitofPowerhouseunderComplicatedGeologicalConditions

ZHOUHualei,SHENZhenzhong,XULiqun

(CollegeofWaterConservancyandHydropower,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China)

Abstract:Taking a powerhouse foundation pit as study case, the three dimensional finite element model of foundation pit is established to analyze foundation pit seepage field distributions under different seepage control schemes. The maximum seepage gradients and its variations for impervious wall and sand and gravel overburden of foundation pit under different seepage control schemes are calculated, and the water seepage of pit is predicted. Taking pit seepage stability as a precondition and considering economic factors, the seepage control optimization of deep foundation pit is finally put forward．

Key Words:deep foundation pit; seepage control scheme; optimization; seepage stability