考慮滲流應(yīng)力耦合效應(yīng)土石圍堰斷面方案研究

刁海鵬 侍克斌 白現(xiàn)軍 董正宇

摘 要：為研究圍堰在降雨及水位變動下的滲流特性及邊坡穩(wěn)定情況，以阿扎德帕坦水電站下游土石圍堰為例，對比兩種不同圍堰剖面設(shè)計方案，考慮短歷時強(qiáng)降雨工況，基于非飽和滲流原理，對兩種圍堰斷面方案在滲流應(yīng)力耦合狀態(tài)下遭遇水位變動和短歷時強(qiáng)降雨時的滲流和邊坡穩(wěn)定性情況進(jìn)行了有限元模擬。方案1結(jié)構(gòu)較為簡單，圍堰上游邊坡（背水坡）為1∶1.50，下游邊坡（迎水坡）為1∶1.75，迎水坡采用厚0.5 m的塊石護(hù)坡，圍堰堰身和下部基礎(chǔ)采用高噴防滲墻。方案2結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，相比于方案1，防滲墻前移，圍堰頂部采用厚40 cm、C20W6F100的混凝土板，防止在過流時對其造成嚴(yán)重沖刷。結(jié)果表明：方案2上下游邊坡防滲效果均比方案1更具針對性，且圍堰滲流特性及阻滲效果較好;在不同靜水位條件下，方案2上下游邊坡的安全系數(shù)整體上大于方案1的，且滿足規(guī)范要求，其整體穩(wěn)定性優(yōu)于方案1的;水位變動時，無論是水位上升還是下降，降雨對圍堰上游邊坡的安全系數(shù)基本沒有影響，但降雨會降低下游邊坡的安全系數(shù)，降雨強(qiáng)度越大，安全系數(shù)就越小。

關(guān)鍵詞：土石圍堰;滲流特性;穩(wěn)定分析;斷面優(yōu)選;降雨

中圖分類號：TV551.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.025

引用格式：刁海鵬，侍克斌，白現(xiàn)軍，等.考慮滲流應(yīng)力耦合效應(yīng)土石圍堰斷面方案研究[J].人民黃河，2021，43（7）：130-136.

Abstract： For studying the cofferdam under rainfall and water level changes of seepage characteristics and the slope stability， taking earth-rock cofferdam downstream of Azad PatanHydroelectric Power Station as an example， it compared two different cofferdam section designs and considered the actual conditions in dry season and flood season on the basic of principle of unsaturated seepage flow in two kinds of cofferdam seepage flow stress coupling conditions confronted with water level fluctuation and rainfall seepage and slope stability conditions for finite element simulation. The results show that a） the anti-seepage effect of the upstream and downstream slopes of the scheme 2 is more targeted than that of the scheme 1 and the seepage characteristics and seepage prevention effect of the cofferdam are better; b） under different static water levels， the overall safety factor of the upstream and downstream slopes of the scheme 2 is greater than that of the scheme 1 and meets the requirements of the specification; c） when the water level fluctuates， whether it is rising or falling， rainfall has basically no effect on the safety factor of the upstream slope of the cofferdam， while rainfall will reduce the safety factor of the downstream slope， the greater the rainfall intensity， the smaller the safety factor.

Key words： earth and stone cofferdam; seepage characteristic; stability analysis; optimum selection of section; rainfall

1 引 言

水利水電工程中施工導(dǎo)流圍堰一般可分為土石圍堰和混凝土（漿砌石）圍堰，其中土石圍堰作為施工導(dǎo)流時的一種臨時性擋水建筑物，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，在工程設(shè)計和施工中其滲流及邊坡穩(wěn)定問題一直受到重點(diǎn)關(guān)注[1-2]。在水利工程施工過程中，圍堰往往要遭遇汛期及枯水期兩個階段，此時圍堰臨水坡在水庫泄水或基坑排水等情況下會面臨水位急速升降的情況，而影響圍堰滲流及穩(wěn)定安全的因素十分復(fù)雜[3-4]，研究表明水位變動與降雨是導(dǎo)致土石邊坡失穩(wěn)的重要誘因[5-6]，水位的變動及極端天氣[7-8]如強(qiáng)降雨可能會導(dǎo)致堰身產(chǎn)生一些病險問題，如邊坡失穩(wěn)[9-10]、滲透破壞[11-12]等，進(jìn)而使圍堰失事，威脅永久建筑物安全，影響施工進(jìn)度[13-14]。因此，有必要對土石圍堰的滲流及穩(wěn)定特性進(jìn)行研究。

對于庫水位變動、降雨及相應(yīng)的滲流穩(wěn)定分析，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。史堯等[15]通過建立圍堰滲流及邊坡穩(wěn)定分析模型，探討了深井降水對圍堰滲流及邊坡穩(wěn)定的影響，但其未考慮流固耦合影響。劉聰聰?shù)萚16]運(yùn)用波浪數(shù)學(xué)模型分析了強(qiáng)浪環(huán)境下圍堰工程附近波浪、水流作用對排水龍口泄水能力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。齊強(qiáng)等[11]針對某過水圍堰設(shè)計進(jìn)行了滲流和邊坡穩(wěn)定安全性分析，但其分析主要針對穩(wěn)態(tài)工況。趙歡等[17]選擇不同的基坑抽水速度對某圍堰滲流場進(jìn)行有限元模擬，采用非線性強(qiáng)度參數(shù)分析了圍堰邊坡的穩(wěn)定性，但其未考慮降雨的影響。目前，既有研究對土石圍堰的分析較少考慮水位變動和降雨的共同影響，且較少考慮滲流場和應(yīng)力場的耦合作用。Li等[18]對風(fēng)暴潮沖擊下軟土地基圍堰的滲流應(yīng)力耦合特性進(jìn)行了研究，建立了潮汐變化、涌浪、土體強(qiáng)度退化、滲流影響等多因素耦合的數(shù)值模型。郁舒陽等[19]基于Fredlund & Xing參數(shù)分析了不同降雨類型對邊坡滲透穩(wěn)定性的影響。目前關(guān)于水位變動（包括上升和下降）、不同庫水位變動速率、不同強(qiáng)度降雨等多因素影響下圍堰滲流和邊坡穩(wěn)定耦合的分析研究較少，且對于圍堰滲流場和應(yīng)力場的耦合作用仍然有待進(jìn)一步研究，同時圍堰安全性對于確保施工進(jìn)度及工程安全十分重要，因此有必要對水位變動與不同強(qiáng)度降雨共同作用下土石圍堰堰身滲流特性及穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究。

本研究以阿扎德帕坦水電站下游土石圍堰為例，對比兩種不同圍堰剖面設(shè)計方案，考慮枯水期及汛期實際工況，對圍堰在滲流應(yīng)力耦合狀態(tài)下遭遇水位變動和短歷時強(qiáng)降雨時的滲流和邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析，針對不同水位變動速率+不同降雨強(qiáng)度下的圍堰滲流特性及穩(wěn)定特性進(jìn)行分析，以期揭示水位變動+不同強(qiáng)度降雨對土石圍堰上下游邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為土石圍堰在復(fù)雜工況下的運(yùn)行管理提供參考依據(jù)。

2 計算理論

2.1 飽和-非飽和滲流理論

基于非飽和土達(dá)西定律及多孔介質(zhì)滲流連續(xù)方程，可以得到以壓力水頭表示的飽和-非飽和微分方程[20]為

式中：ksij為飽和滲透張量，m/s;kr為相對透水率，Lu;hc為壓力水頭，m;Q為源匯項;C（hc）為容水度;n為孔隙率;θ為體積含水量，在非飽和區(qū)為0，在飽和區(qū)為1;Ss為單位貯水量，kg·m-2·s-2;xi、xj為坐標(biāo)分量;t為時間。

2.2 邊坡穩(wěn)定理論

土石壩邊坡穩(wěn)定分析采用極限平衡法中的Morgenstern-price方法[21]，使用Morgenstern-price方法可以很好地反映土條間的相互作用力，而不需要進(jìn)行任何簡化。

式中：c′為有效黏聚力，Pa;φ′為有效摩擦角，（°）;μ為孔隙水壓力，Pa;N為條塊底部法向力，N;W為單位寬度下條塊的自重，kN/m;D為線荷載，kN/m;α為土體底部傾斜角;β、R、x、f、d、ω均為幾何參數(shù)。

2.3 耦合計算理論

耦合滲流場影響下的應(yīng)力場與應(yīng)力場影響下的滲流場計算方程[22]為

式中：K為土體整體剛度矩陣;Δδ為位移增量;ΔF為自重等外荷引起的節(jié)點(diǎn)荷載增量;ΔFs為滲流場重分布引起的滲流體積力的節(jié)點(diǎn)荷載增量;k為土體滲透系數(shù)，與應(yīng)力場σij重分布導(dǎo)致的孔隙比變化有關(guān);H為水頭分布函數(shù);h為滲流場的水頭分布函數(shù)。

滲流場對應(yīng)力場的影響主要是滲流場的重分布引起滲流體積力變化，進(jìn)而影響應(yīng)力場，應(yīng)力場對滲流場的影響主要是應(yīng)力場重分布導(dǎo)致孔隙比變化，進(jìn)而影響滲流場。

3 工程概況

3.1 電站基本概況

阿扎德帕坦（Azad Pattan）水電站位于巴基斯坦巴控克什米爾地區(qū)的吉拉姆（Jhelum）河上阿扎德帕坦大橋上游附近，距離首都伊斯蘭堡約90 km。電站主體工程攔河壩是碾壓混凝土重力壩，為2級建筑物，軸線采用曲線布置，壩頂長264 m，壩頂高程為536 m，最大壩高103 m。電站為壩后式水電站，水庫總庫容1.47億m3，工程主要建筑物有碾壓混凝土擋水壩、進(jìn)水口、引水壓力鋼管隧洞、地下廠房、尾水隧洞及地面開關(guān)站等。

下游圍堰采用土石圍堰，布置在主壩軸線下游約350 m處。壩址處10 a一遇洪峰流量為1 616 m3/s，相應(yīng)下游圍堰處水位462.18 m。波浪爬高和安全超高合計為1.32 m，下游圍堰頂高程463.50 m。

3.2 導(dǎo)流方式及導(dǎo)流程序

考慮該水電站工程的施工工期、發(fā)電任務(wù)并綜合比較基坑清理、圍堰工程的差異及導(dǎo)流建筑物工程造價，該工程采用圍堰攔斷河床、隧洞導(dǎo)流。前期導(dǎo)流階段采用枯水期圍堰擋水，導(dǎo)流洞過水，汛期基坑過水，大壩枯水期施工導(dǎo)流方案;后期壩體施工高度超過圍堰時，臨時度汛利用壩體缺口+導(dǎo)流洞或者壩體永久底孔+表孔+導(dǎo)流洞過水，大壩可在汛期繼續(xù)施工。導(dǎo)流程序分為8個階段，施工程序及進(jìn)度安排見圖1。

3.3 圍堰方案

水電站主體工程下游圍堰級別為4級，為過水土石圍堰，堰頂長65 m?，F(xiàn)對兩種剖面方案進(jìn)行優(yōu)選：方案1結(jié)構(gòu)較為簡單，圍堰上游邊坡（背水坡）為1∶1.50，下游邊坡（迎水坡）為1∶1.75，迎水坡采用厚0.5 m的塊石護(hù)坡，圍堰堰身和下部基礎(chǔ)采用高噴防滲墻。方案2結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，相比于方案1剖面，防滲墻前移，圍堰頂部采用厚40 cm、C20W6F100的混凝土板，防止在過流時對其造成嚴(yán)重沖刷;圍堰迎水面上游坡采用500 mm×500 mm×1 500 mm的鋼筋石籠疊壓的方式，鋼筋石籠具有良好的透水性，無論圍堰擋水還是過水，都能很好地防止水流對圍堰淘刷，而疊壓的方式進(jìn)一步增強(qiáng)了鋼筋石籠的整體穩(wěn)定性;下游邊坡坡腳采用鉛絲籠的防護(hù)方式，利用其自排水性，很好地防止坡腳內(nèi)部細(xì)顆粒因被水流帶走而造成圍堰邊坡失穩(wěn)，內(nèi)部增加了黏土防滲區(qū)。方案2防滲性能針對性強(qiáng)，且局部穩(wěn)定加固措施均優(yōu)于方案1，方案1與方案2的剖面見圖2。在導(dǎo)流程序第三階段，下游圍堰可能會發(fā)生水毀，若水毀則需要在第3年10月—第4年2月對下游圍堰進(jìn)行重修。為了進(jìn)一步驗證選取土石圍堰斷面的合理性，確保圍堰過流時的安全性，防止圍堰在導(dǎo)流階段水毀，同時保證施工導(dǎo)流正常進(jìn)行，為大壩施工爭取更多時間，現(xiàn)對方案1與方案2開展有限元模擬，進(jìn)行方案比選。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型及邊界條件

為研究短歷時強(qiáng)降雨及水位變動對土石圍堰邊坡滲流和穩(wěn)定性的影響，考慮不同的降雨強(qiáng)度、不同水位及不同水位變動速率，根據(jù)工程設(shè)計圖紙，對土石圍堰方案1與方案2進(jìn)行有限元模擬。假定堰體破壞服從摩爾-庫侖準(zhǔn)則，有限元模型及邊界條件示意見圖3，方案1模型網(wǎng)格一共剖分為6 500個節(jié)點(diǎn)、6 311個單元，方案2模型網(wǎng)格一共剖分為6 712個節(jié)點(diǎn)、6 535個單元。

4.2 計算參數(shù)及工況選取

根據(jù)該水庫工程地層結(jié)構(gòu)及其工程勘察報告，圍堰材料土水特征曲線見圖4，其邊坡巖土體材料分區(qū)及主要物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)值見表1。

根據(jù)壩址上游水文站氣象資料，多年平均降水量1 404.1 mm，最大年降水量2 186.9 mm（2006年），最小年降水量924.3 mm（2009年）。降水量年內(nèi)分配以7月、8月最大，分別為282.9、210.1 mm，基于現(xiàn)場水文氣象及水位監(jiān)測資料，有限元模擬中考慮短歷時強(qiáng)降雨工況，降雨強(qiáng)度分別取0、30、50 mm/d，降雨持續(xù)時間為0～5 d，第5天后停止，有限元模型計算時間選為30 d。鑒于汛期下游土石圍堰過流，為對比方案1與方案2，簡化其汛期最高水位為463.50 m即圍堰頂高程，上游基坑截流后對應(yīng)的下游水位為456.41 m且保持不變，枯水期上游基坑無水，有限元模擬計算工況見表2。

5 結(jié)果分析

5.1 靜水位穩(wěn)態(tài)分析

不同上游靜水位條件下圍堰堰身孔壓等值線分布如圖5～圖7所示。由圖5可知，在枯水期即上游基坑無水時，圍堰下游坡?lián)跛?，此時與方案1相比，方案2上游孔隙水壓力整體上小于方案1的，且方案2下游存在黏土區(qū)，對坡外水頭有降低作用，下游堰體孔壓整體亦小于方案1的。圖6、圖7表明，當(dāng)基坑內(nèi)有水即圍堰處于汛期工作狀態(tài)時，方案2防滲墻位置前移，且下游存在黏土區(qū)。從圍堰孔隙水壓力云圖可知，方案2的

土體孔隙水壓力整體上小于方案1的，對于上游阻滲效果而言，由于方案2防滲墻前移，因此其阻滲效果優(yōu)于方案1的;對于下游阻滲效果而言，由于黏土區(qū)起到了一定的阻滲效果，因此圍堰下游整體孔壓小于方案1的。整體比較說明，方案2對于上下游防滲比方案1更具針對性，且方案2阻滲效果更好，圍堰非飽和區(qū)域比方案1的大，故土體的基質(zhì)吸力大，有利于土體穩(wěn)定，從側(cè)面也表明在滲流特性方面，方案2的土體所處狀態(tài)優(yōu)于方案1的。

不同靜水位下圍堰上下游邊坡安全系數(shù)見表3，對于圍堰上下游坡，在不同水位條件下方案2邊坡安全系數(shù)始終高于方案1的，這表明在不同靜水位條件下，方案2上下游邊坡的整體穩(wěn)定性優(yōu)于方案1的。

圖8、圖9分別給出了無降雨時方案1、方案2水位上升和水位下降時上下游邊坡的安全系數(shù)變化情況。由于方案1與方案2安全系數(shù)變化規(guī)律較為相似，因此僅針對方案1安全系數(shù)變化進(jìn)行分析。水位上升時，上游坡安全系數(shù)先快速上升后趨于穩(wěn)定;下游坡安全系數(shù)整體變化較小，局部先減小后緩慢增大較小幅度，最終趨于穩(wěn)定。水位下降時，上游坡安全系數(shù)先快速減小后趨于穩(wěn)定;下游坡安全系數(shù)整體變化較小，局部先增大后緩慢趨于穩(wěn)定。無論是水位上升還是水位下降工況，水位變動速率越大，則上下游坡安全系數(shù)趨于穩(wěn)定的時間越提前。

5.2 水位變動與降雨共同作用分析

考慮當(dāng)下游水位處于較高狀態(tài)時，降雨對下游邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律不明顯，故僅針對方案2在下游水位處于456.41 m時進(jìn)行降雨及水位波動共同作用下的圍堰邊坡穩(wěn)定分析。圖10和圖11分別給出了方案2水位上升和下降與降雨共同作用下上下游邊坡的安全系數(shù)變化情況。圖10 優(yōu)化后水位上升（下游水位456.41 m）與降雨作用下安全系數(shù)變化情況

降雨持續(xù)時間為5 d時，圖10（a）和圖11（a）表明無論是在水位上升階段還是在水位下降階段，降雨對圍堰上游邊坡的安全系數(shù)基本沒有影響。對比圖10（b）和圖11（b）可知，無論是在水位上升階段還是在水位下降階段，降雨都會降低下游邊坡的安全系數(shù)，且降雨強(qiáng)度越大，安全系數(shù)越小，這表明在施工過程中，當(dāng)下游水位處于較低狀態(tài)時，要重視降雨對圍堰下游邊坡穩(wěn)定性的影響。

6 結(jié) 論

（1）方案2按土石過水圍堰剖面設(shè)計后，整體上可顯著節(jié)省基坑排水、開挖和填筑時間，也為后期圍堰運(yùn)行和基坑施工節(jié)省投資和時間。

（2）方案2較方案1防滲墻前移，圍堰下部存在高于下游水位的黏土區(qū)，整體而言，方案2上下游防滲效果均比方案1的更具針對性，且阻滲效果更好。

（3）在不同靜水位條件下，方案2上下游邊坡的安全系數(shù)整體上大于方案1的，且滿足規(guī)范要求，其整體穩(wěn)定性優(yōu)于方案1的。

（4）對于無降雨工況，在水位上升時，圍堰上游坡安全系數(shù)先快速增大后趨于穩(wěn)定;下游坡安全系數(shù)整體變化較小，局部先減小后緩慢增大較小幅度，最終趨于穩(wěn)定。水位下降時，上游坡安全系數(shù)先快速減小后趨于穩(wěn)定;下游坡安全系數(shù)整體變化也較小，局部先增大后緩慢趨于穩(wěn)定。無論是水位上升還是水位下降，水位變動速率越大，則上下游坡安全系數(shù)趨于穩(wěn)定的時間越提前。

（5）無論水位上升還是下降，降雨對圍堰上游邊坡安全系數(shù)基本沒有影響，但降雨會減小下游邊坡安全系數(shù)，且降雨強(qiáng)度越大，安全系數(shù)越小，這表明在施工過程中，要十分重視降雨對下游邊坡穩(wěn)定性的影響，做好圍堰日常風(fēng)險管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳元盛.ZMT水電站施工期上游圍堰滲流場及穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].陜西水利，2018（1）：162-165.

[2] 劉先珊，劉少煒，余永康.土石圍堰滲流場分析及穩(wěn)定性評價[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，28（增刊1）：212-215.

[3] 婁毅博.土石圍堰滲流及邊坡穩(wěn)定性研究進(jìn)展[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（15）：264-265.

[4] 張飛，盧曉春，田斌，等.基于深厚覆蓋層變化的土石圍堰堰基滲透特性[J].人民黃河，2014，36（8）：127-129.

[5] 王朝江，劉國強(qiáng)，楊炳炎.土石圍堰變飽和非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬分析[J].水利水電工程設(shè)計，2012，31（4）：16-18.

[6] 郁舒陽，張繼勛，任旭華，等.降雨類型對淺層深層滑坡滲流及穩(wěn)定性的影響[J].水電能源科學(xué)，2018，36（3）：123-127.

[7] 張建云，向衍.氣候變化對水利工程安全影響分析[J].中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2018，48（10）：1031-1039.

[8] 岑威鈞，李鄧軍，和浩楠.持續(xù)強(qiáng)降雨引發(fā)水位耦合變化條件下堤防滲流及穩(wěn)定性分析[J].河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，44（4）：364-369.

[9] 袁帥，何蘊(yùn)龍，曹學(xué)興.非穩(wěn)定滲流對托巴土石圍堰上游坡穩(wěn)定性影響[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2012，45（2）：193-199.

[10] 吳迪，熊堃，羅立哲.復(fù)合土工膜防滲高土石圍堰結(jié)構(gòu)特性分析[J].水電能源科學(xué)，2014，32（9）：98-102.

[11] 齊強(qiáng)，侍克斌.基于geostudio的混合結(jié)構(gòu)過水圍堰滲流穩(wěn)定研究[J].計算機(jī)仿真，2020，37（4）：451-455.

[12] 王睿星，王瑞駿，趙葉.深覆蓋層上高土石圍堰滲流場的敏感性分析[J].水資源與水工程學(xué)報，2017，28（6）：215-218，225.

[13] 涂小兵，吳棟，王永明，等.仙居抽蓄電站下庫圍堰設(shè)計優(yōu)化及施工難點(diǎn)[J].人民黃河，2017，39（11）：141-144，148.

[14] 朱旋，丁寧，常星.狹窄河道灌注樁結(jié)合鋼板樁圍堰布置與施工[J].人民黃河，2014，36（11）：119-122.

[15] 史堯，盧超，劉守花.深井降水條件下的高邊坡土石圍堰穩(wěn)定性分析[J].水運(yùn)工程，2021（1）：207-214.

[16] 劉聰聰，馮先導(dǎo)，朱博淵，等.強(qiáng)浪環(huán)境下圍堰龍口泄流與沖刷特性研究[J].水電能源科學(xué)，2021，39（1）：104-107.

[17] 趙歡，張飛，陳波，等.基坑抽水速度對圍堰滲流及邊坡穩(wěn)定性的影響[J].人民珠江，2016，37（4）：55-58.

[18] LI D， ZHOU N Q， WU X N， et al. Seepage-Stress Coupling Response of Cofferdam Under Storm Surge Attack in Yangtze Estuary[J]. Marine Georesources and Geotechnology， 2020（1）：1-12.

[19] 郁舒陽，張繼勛，王軍磊，等.基于Fredlund & Xing參數(shù)下不同雨型邊坡滲透穩(wěn)定性分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，39（6）：46-51.

[20] 達(dá)明昌，焦?jié)崳K正洋.庫水位變動及降雨共同作用下心墻壩壩坡穩(wěn)定性研究[J].水電能源科學(xué)，2020，38（12）：90-93.

[21] 陳凱強(qiáng).土坡穩(wěn)定分析Spencer法與Morgenstern-Price法的有效應(yīng)力形式[D].天津：天津大學(xué)，2018：41.

[22] 陶桂蘭，陳潔.考慮流固耦合的水位降雨共同作用下荊江岸坡應(yīng)力位移場分析[J].水電能源科學(xué)，2019，37（4）：122-126.

【責(zé)任編輯 張華巖】