復(fù)雜地質(zhì)條件下水電站廠房深基坑防滲優(yōu)化方案分析

孫青

摘 要：通常河床式水電站廠房，由于其基礎(chǔ)坐落于覆蓋層深厚的河床上，都會面臨地基滲透穩(wěn)定問題，特別是深度越大的地方地質(zhì)條件更為復(fù)雜，防滲問題更為突出。因此，如何制定科學(xué)有效的防滲措施來保證河床式水電站廠房的基坑滲透穩(wěn)定問題成為了重點難題。該文以某水電站廠房為例，其河道近年來采砂頻繁，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，通過研究其深基坑的防滲優(yōu)化措施，選擇最佳的防滲布置方案。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)條件 水電站廠房 深基坑防滲 優(yōu)化方案

中圖分類號：TV223.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0087-02

目前國內(nèi)外學(xué)者對于基坑如何控制滲流進行過多方面的研究，如在飽和-非飽和的理論基礎(chǔ)上計算臨河基坑滲流場，從而得出最佳防滲優(yōu)化方案；再如通過三維有限元得出滲流場勢分布及土質(zhì)條件對滲透穩(wěn)定的影響等。因此，利用滲流有限元計算能夠有效解決深基坑在復(fù)雜地質(zhì)條件下的滲流安全問題。

1 工程概述

該文研究對象為某三等水利樞紐工程，主要建筑物為船閘、發(fā)電廠房（河床式）、泄洪閘、右岸防滲建筑物及左岸重力壩。該研究模擬計算右岸廠房基坑，開挖深度最大為25 m，在河床側(cè)和上下游側(cè)布置混凝土防滲圍堰（縱向、橫向），防滲墻的厚度為60 cm。河床上部覆蓋有厚度為15～37 cm的砂礫卵石，K=0.000 228～0.578 cm/s；下部有厚度為6～23.5 cm的砂礫卵石，K=0.000 13～ 0.814 cm/s，透水性為中等?；鶐r為含礫晶屑凝灰?guī)r，質(zhì)地堅硬，強風(fēng)化層厚度約0～5 m，弱風(fēng)化層厚度約25～150 cm。沿線中無斷層，節(jié)理發(fā)育遲緩，傾角幅度中等，內(nèi)含充填物通常為細脈、鈣質(zhì)薄膜、礦物（黃色）和鐵錳質(zhì)。

2 計算參數(shù)

根據(jù)工程的地質(zhì)情況制作三維有限元模型，圍堰結(jié)構(gòu)包括防滲墻、砂礫石堰體和土工膜等，地基包括下部基巖和上部覆蓋層，基坑內(nèi)部模擬遵循實際情況，模型底部截取范圍為不透水層（相對）下50 m，高程約為-100 m。

2.1 邊界條件

模型原點：大地坐標，X軸正方向：上游至下游方向；Y軸正方向：右岸至左岸；Z軸正方向：下至上。模型整體尺寸為510×401×112（單位：m），網(wǎng)格劃分單元選取八節(jié)點六面體，共生成節(jié)點50 952個，單元46 613個。邊界條件主要指不透水邊界、出滲邊界以及水頭邊界。水頭邊界涵蓋上下游圍堰水位以下至地下水位線以上，出滲邊界涵蓋水位以上的圍堰以及基坑中接觸大氣的表面，不透水邊界涵蓋模型上下游側(cè)及右岸側(cè)，不包括地下水位線以外及模型底面的部分。

2.2 滲透參數(shù)

土工膜滲透系數(shù)K=0.1×10-11 cm/s；圍堰堆石體K=5.0 cm/s；防滲墻K=0.1×10-8 cm/s，允許坡降為80；砂礫石層K=0.05 cm/s，允許坡降為0.3；砂礫石層（含泥）K=0.004 cm/s；基巖K=0.1×10-6 cm/s（詳見表1）。

3 防滲方案

3.1 防滲布置

參考相關(guān)設(shè)計資料和工程地質(zhì)條件，在計算基坑滲流時擬定七種防滲布置方案，即H1至H7，針對不同方案的基坑滲流場，分析其坡降變化規(guī)律和場勢分布，擬定兼具合理性和經(jīng)濟性的防滲方案。方案H1底部高程為-35.5 m，H2為-38 m，H3為-41 m，H4為-44 m，H5為-47 m，H6為-50 m，H7為-52 m?；由舷掠我约昂哟驳乃蝗≈禐槭暌挥龊樗唬琍=10%，水位為10.94 m，岸坡地下水位取值為10 m。

3.2 滲流場勢分布

通過計算可得到7種防滲方案的三維基坑滲流場，分析H1和H6方案的地下水位等值線可知，岸坡地下水和河道水流會經(jīng)過山體和圍堰滲入基坑內(nèi)部，最低浸潤面位置為基坑內(nèi)最大開挖深度的位置。地下水位等值線的高密度區(qū)域為防滲墻，說明防滲墻的滲透坡降相對較大，且具有較強的阻滲作用。防滲墻的實際深度變化，會直接影響到基坑的地下水位整體分布，防滲墻底部高程的減小使其地下水等值線密度增加，說明其具有較好的防滲效果。

當?shù)湫突悠拭鎅=120 m時，H1和H6防滲墻的上下游地下水位有明顯的降落，而防滲墻深度的改變也會使得下游位勢出現(xiàn)顯著的變化。分析數(shù)據(jù)可知，水頭在防滲墻的作用下會有一定程度的削減，且隨著防滲墻的深度數(shù)據(jù)升高，其削減作用也會有一定幅度的加強。當防滲墻的高程到達基巖后，也就是當?shù)撞扛叱虜?shù)值為-50 m時，水頭受到的防滲墻削減作用最強，這時繼續(xù)加大防滲墻深度，其防滲效果也不會有較大的增幅，收益較小。

3.3 排水量

分析7種方案下基坑的總排水量變化規(guī)律，也就是滲透的總流量。當防滲墻高程的數(shù)值為-35.5 m時，基坑的總滲透流量為每天4.279×107 m3，到達-35.5 m后，基坑的總滲透流量會隨著防滲墻深度加深而降低。分析數(shù)據(jù)可知，若防滲墻的高程未到達基巖，防滲收益會隨著防滲墻深度增加而升高，若防滲墻的高程到達基巖，對于水向基坑內(nèi)的滲透作用有著更好的阻礙作用。當防滲墻的高程到達基巖后，其不透水層的相對滲透系數(shù)較低，防滲墻深度的增加并不會對防滲效果產(chǎn)生較為明顯的影響，對與滲透流量無較高收益。

3.4 滲透坡降

通過計算各部位的滲透坡降最大值可知，防滲墻的滲透坡降最大部位為上游圍堰，阻滲作用與防滲墻深度成正比，滲透坡度也相應(yīng)增大?；炷练罎B墻的滲透坡降允許值為80，各方案的坡降最大值均在允許范圍內(nèi)。出逸坡降數(shù)值最大處為基坑內(nèi)的下游覆蓋層，所以此處產(chǎn)生滲透破壞的概率最高，防滲墻深度加大，其覆蓋層的坡降極值也顯著降低。出于滲透穩(wěn)定考慮，當?shù)撞扛叱虨?47 m時，砂礫坡降極值應(yīng)小于允許值0.3；當達到基巖時，防滲墻深度的增大對砂礫坡降的減小幅度并不顯著。

4 結(jié)語

通過分析7種方案的滲流場數(shù)據(jù)，結(jié)合截斷的采砂層，最佳方案為H5方案，也就是防滲墻底部高程數(shù)值-47 m，在此水位下的基坑總滲透流量為每天3.695 1×107 m3，防滲墻的滲透坡降最大值為14.47，砂礫石覆蓋層出逸坡降最大值為0.27，坡降的最大值均未超過材料坡降的允許值，可以滿足滲透的穩(wěn)定性要求。

參考文獻

[1] 岳金旗.官地水電站地下廠房尾水出口圍堰方案優(yōu)化[J].四川水力發(fā)電，2011（5）：20-23.

[2] 溫定煜.沙灣水電站深基坑軟基施工工藝優(yōu)化[J].水運工程，2010（3）：133-138.

[3] 章強.水電站廠房深基坑汛期開挖排水方案的對比[J].工程技術(shù)：全文版，2017（2）：153.endprint