探討深厚覆蓋層上土石圍堰滲流及邊坡穩(wěn)定性

馮裕疆

(新疆三河建設工程有限責任公司,新疆 阿克蘇 843000)

1 工程概況

某水電站工程為中型水電站，壩址河床覆蓋層厚度在50～65 m之間，構建的圍堰高度為70 m，在距離堰腳65 m處進行基坑施工，對各覆蓋層進行揭示后最終達到高約85 m的邊坡。圍堰頂部高程876 m，其中高程830 m以上是由干地進行施工而成、高程830 m以下則是通過水下填筑構建、在830 m處寬度為25 m的防滲墻作業(yè)平臺；圍堰頂部最寬處10 m；工程迎水坡面比值為1∶2.00、背水坡面比值為1∶1.75。項目的圍堰與地基防滲采用防滲墻上接土工膜形式，防滲墻的材料采用塑性混凝土，防滲墻厚度設置為1.2 m，復合土工膜斜墻施工采用兩布一膜的方式。防滲墻體與復合土工膜斜墻使用碎石填筑。

工程中覆蓋共分為四層：流域河床高程807～768 m為第Ⅲ1、Ⅲ2層，其開挖坡比為1∶2.0，在坡面處構建厚度為0.3 m的反濾層以及厚度為0.5 m的石砌塊坡，在高程768 m處設置15 m寬的平臺，此平臺距離第Ⅱ層覆蓋層頂點處2 m；第Ⅰ、Ⅱ層覆蓋層的開挖坡比為1∶2.5，并在坡面相隔15 m處建造一級寬度為5 m的工程馬道，并且馬道的坡面坡腳使用膠結材料的塊石砌體構建建筑的基座；施工至基巖處時需在高程768 m以下的坡面設置兩層厚度為0.5 m的反濾層，并鋪設塊石保護層。通過在坡腳基巖處設置混凝土擋墻及排水渠，將覆蓋層內滲水進行有效的排除。為了降低覆蓋層的浸潤線、滲流比以及出口水力坡降、保障工程中的邊坡滲透的穩(wěn)定性，須在圍堰坡腳及基坑覆蓋層構建寬度為65 m的作業(yè)平臺以及降水管井，以此在基坑開挖時通過管井抽取滲透水[1-2]。

2 研究方法

2.1 滲流模型的建立

為了分析本工程土石圍堰所使用的防滲方案的滲流及邊坡的穩(wěn)定性，以及工程中防滲系統(tǒng)沿軸線的連貫性，根據(jù)本工程上游土石堰所采用的不同填筑以及施工場地地質條件，建立有限元模型。模型中上游設置為圍堰上游坡腳300 m、下游設置為圍堰下游坡腳300 m、底部設置為基巖面以下100 m；本工程流域上游水位為取值為流域調蓄后水位873.5 m、下游流域水位取值為開挖基層后的高程722.0 m；本工程的有限元模型共構建1900個節(jié)點，單元數(shù)共1850。工程中材料分區(qū)及有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 工程中材料分區(qū)及有限元網(wǎng)格劃分示意圖

在有限元的模型構建中，土石圍堰所構建的模型兩側及底面為不透水二類邊界、上下游水位坡面則為定水頭一類邊界，并且圍堰下游水位以上的表面為溢流面。

2.2 計算參數(shù)及工況

圍堰土工膜的施工厚度較薄，因此，為了能夠建立有效的有限元模型，本研究中將其按照滲流等效的形式進行構建，即

k1(h/L1)A=k2(h/L2)A

(1)

式中過流面積A與水頭損失h參數(shù)相一致，因此，公式簡化為：

k1L2=k2L1

(2)

土石圍堰填筑材料與各覆蓋層滲透系數(shù)如表1所示[3-5]。

表1 土石圍堰填筑材料與各覆蓋層滲透系數(shù) cm/s

由于防滲墻涉及水下填筑以及反循環(huán)鉆機鉆孔施工，若出現(xiàn)造成垂直度不足、地質中出現(xiàn)異性塊體等未滿足施工條件將造成施工問題。在進行防滲墻澆筑時，不同齡期的混凝土將會在鉆孔搭接處形成一定程度的接縫。在實際操作中防滲墻上接土工膜施工較為復雜，并且圍堰頂部常作為施工通道，施工條件較差，因此極有可能產(chǎn)生裂縫及施工缺陷。

此外對施工中具有局部破損因素的滲流特性分析，對于局部的破損主要是由施工所產(chǎn)生的防滲墻底部開裂、土工膜與防滲墻接縫處的破裂、建筑在運行期間防滲墻的自然變形導致的開裂等。防滲墻與土工膜滲流分析工況如表2所示。

表2 防滲墻與土工膜滲流分析工況

上述防滲墻與土工膜滲流分析工況2～5的有限元模型構建可使用通過改變防滲系數(shù)的方式實現(xiàn)，即將工況中所使用的防滲系數(shù)更換為防滲體系周圍覆蓋層或是所使用填筑材料的滲透系數(shù)。

3 圍堰體滲流計算結果分析

滲流計算結果分析主要因素為防滲墻浸潤線、溢出點高程、溢出點滲透坡降及滲透流量，如表3所示。正常使用中防滲墻等值線分布情況如圖2所示。防滲墻局部破損情況下的等值線分布情況如圖3所示[6-9]。

表3 各工況計算結果統(tǒng)計表

圖2 正常使用中防滲墻等值線分布情況

圖3 防滲墻局部破損情況下的等值線分布情況

根據(jù)上面的分析結果顯示，當防滲墻后浸潤線高程為722.00 m時，流域下游溢出高程725.46 m，此時的溢出點處于第Ⅰ層覆蓋層，溢出點滲透坡降為0.34，單寬流量為3.16 m3/(d·m)。在正常使用中設施中多數(shù)水頭是通過防滲墻與復合土工膜負責，但依據(jù)浸潤線的降低勢頭分析后發(fā)現(xiàn)，覆蓋層對于浸潤線的下降具有一定的影響。但根據(jù)綜合情況來看，流域下游溢出點所處位置較低，并且產(chǎn)生的滲透流量較小，不過滲出點的滲透坡降較大，但在施工中將對下游的坡面構建0.5 m厚度的兩層反濾層，并在其上方加設1.0 m厚的石料保護層以確保其滲透的安全性。

根據(jù)防滲墻底部開叉的工況發(fā)現(xiàn)，在防滲墻未進入第Ⅰ層覆蓋層的情況下，浸潤線與邊坡的出逸點高程得到了較大的提升，而滲流量也得到增加，因此，需要對第Ⅰ層覆蓋層進行防滲施工處理。當防滲墻底部出現(xiàn)了施工缺陷時將對覆蓋層的浸潤線產(chǎn)生影響，而邊坡出逸點高程及其比降值卻沒有顯著的影響。當防滲墻與土工膜出現(xiàn)完全的開裂后，浸潤線以及滲流量將得到升高。根據(jù)以上的分析，防滲墻和復合土工膜結合是水利工程中防滲問題的關鍵，在實際的施工中應注重對此方面施工進行控制。

4 圍堰的邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 非線性強度參數(shù)

由于堆石料在較高的應力條件將發(fā)生破裂，這個過程中將會造成堆石料的摩擦角降低，使其抗剪強度產(chǎn)生非線性的特性。由于在混凝土面板堆石壩的抗滑穩(wěn)定性的計算中需要符合非線性抗剪強度指標，由式(1)表示：

(1)

式中：φ為滑動面的摩擦角,(°)；φ0為在標準大氣壓下的摩擦角,(°)；σ3為滑動面的小主應力,Pa；Δφ為σ3增加對數(shù)周期下的縮減值,(°)；pα為標準大氣壓,Pa。

4.2 計算工況及參數(shù)

結合圍堰的實際使用狀況進行壩坡穩(wěn)定性分析工況的選擇：工況1為圍堰填筑完成且基坑未進行開挖狀態(tài)，參數(shù)為上游水位830.56 m，下游水位824.83 m；工況2為圍堰使用階段且基坑已開挖狀態(tài)，參數(shù)為上游水位872.42 m，下游水位722.45 m；工況3為圍堰運行期上游水位大幅下降狀態(tài)，參數(shù)為上游水位872.18～830.47 m，下游水位722.48 m。圍堰填料及覆蓋層物理力學參數(shù)如表4所示。

表4 圍堰填料及覆蓋層物理力學參數(shù)

4.3 圍堰的邊坡穩(wěn)定性計算結果分析

根據(jù)非線性強度參數(shù)進行水利工程施工工期以及正常運行狀態(tài)下的圍堰壩坡及基坑邊坡的穩(wěn)定性分析。圍堰及基坑邊坡穩(wěn)定計算成果如表5所示。

表5 圍堰及基坑邊坡穩(wěn)定計算成果

依據(jù)相關規(guī)范標準規(guī)定本工程中的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應不小于1.2，根據(jù)上表中各工況的計算結果可以發(fā)現(xiàn)，使用非線性抗剪強度參數(shù)進行圍堰及基坑邊坡的穩(wěn)定性計算結果能夠有效地達到相關規(guī)范要求。

5 結 語

本工程水電站上游土石圍堰防滲策略采用混凝土防滲墻上接復合土工膜，經(jīng)過驗證可知，在防滲施工中具有顯著的效果；當防滲墻與土工膜出現(xiàn)完全的開裂后，浸潤線以及滲流量將得到升高，可見，防滲墻和復合土工膜結合是水利工程中防滲問題的關鍵；在圍堰投入使用過程中，應設置有效的觀測點，以進行圍堰滲透水頭和滲流量的監(jiān)測；對于堰體-堰基的復合邊坡進行穩(wěn)定的分析，可以更好地滿足不同工況下的圍堰及基坑的邊坡的穩(wěn)定性。