复杂地质条件下水电站厂房深基坑防渗优化方案分析

孙青

摘 要：通常河床式水电站厂房，由于其基础坐落于覆盖层深厚的河床上，都会面临地基渗透稳定问题，特别是深度越大的地方地质条件更为复杂，防渗问题更为突出。因此，如何制定科学有效的防渗措施来保证河床式水电站厂房的基坑渗透稳定问题成为了重点难题。该文以某水电站厂房为例，其河道近年来采砂频繁，地质条件较为复杂，通过研究其深基坑的防渗优化措施，选择最佳的防渗布置方案。

关键词：复杂地质条件 水电站厂房 深基坑防渗 优化方案

中图分类号：TV223.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0087-02

目前国内外学者对于基坑如何控制渗流进行过多方面的研究，如在饱和-非饱和的理论基础上计算临河基坑渗流场，从而得出最佳防渗优化方案；再如通过三维有限元得出渗流场势分布及土质条件对渗透稳定的影响等。因此，利用渗流有限元计算能够有效解决深基坑在复杂地质条件下的渗流安全问题。

1 工程概述

該文研究对象为某三等水利枢纽工程，主要建筑物为船闸、发电厂房（河床式）、泄洪闸、右岸防渗建筑物及左岸重力坝。该研究模拟计算右岸厂房基坑，开挖深度最大为25 m，在河床侧和上下游侧布置混凝土防渗围堰（纵向、横向），防渗墙的厚度为60 cm。河床上部覆盖有厚度为15～37 cm的砂砾卵石，K=0.000 228～0.578 cm/s；下部有厚度为6～23.5 cm的砂砾卵石，K=0.000 13～ 0.814 cm/s，透水性为中等。基岩为含砾晶屑凝灰岩，质地坚硬，强风化层厚度约0～5 m，弱风化层厚度约25～150 cm。沿线中无断层，节理发育迟缓，倾角幅度中等，内含充填物通常为细脉、钙质薄膜、矿物（黄色）和铁锰质。

2 计算参数

根据工程的地质情况制作三维有限元模型，围堰结构包括防渗墙、砂砾石堰体和土工膜等，地基包括下部基岩和上部覆盖层，基坑内部模拟遵循实际情况，模型底部截取范围为不透水层（相对）下50 m，高程约为-100 m。

2.1 边界条件

模型原点：大地坐标，X轴正方向：上游至下游方向；Y轴正方向：右岸至左岸；Z轴正方向：下至上。模型整体尺寸为510×401×112（单位：m），网格划分单元选取八节点六面体，共生成节点50 952个，单元46 613个。边界条件主要指不透水边界、出渗边界以及水头边界。水头边界涵盖上下游围堰水位以下至地下水位线以上，出渗边界涵盖水位以上的围堰以及基坑中接触大气的表面，不透水边界涵盖模型上下游侧及右岸侧，不包括地下水位线以外及模型底面的部分。

2.2 渗透参数

土工膜渗透系数K=0.1×10-11 cm/s；围堰堆石体K=5.0 cm/s；防渗墙K=0.1×10-8 cm/s，允许坡降为80；砂砾石层K=0.05 cm/s，允许坡降为0.3；砂砾石层（含泥）K=0.004 cm/s；基岩K=0.1×10-6 cm/s（详见表1）。

3 防渗方案

3.1 防渗布置

参考相关设计资料和工程地质条件，在计算基坑渗流时拟定七种防渗布置方案，即H1至H7，针对不同方案的基坑渗流场，分析其坡降变化规律和场势分布，拟定兼具合理性和经济性的防渗方案。方案H1底部高程为-35.5 m，H2为-38 m，H3为-41 m，H4为-44 m，H5为-47 m，H6为-50 m，H7为-52 m。基坑上下游以及河床的水位取值为十年一遇洪水位，P=10%，水位为10.94 m，岸坡地下水位取值为10 m。

3.2 渗流场势分布

通过计算可得到7种防渗方案的三维基坑渗流场，分析H1和H6方案的地下水位等值线可知，岸坡地下水和河道水流会经过山体和围堰渗入基坑内部，最低浸润面位置为基坑内最大开挖深度的位置。地下水位等值线的高密度区域为防渗墙，说明防渗墙的渗透坡降相对较大，且具有较强的阻渗作用。防渗墙的实际深度变化，会直接影响到基坑的地下水位整体分布，防渗墙底部高程的减小使其地下水等值线密度增加，说明其具有较好的防渗效果。

当典型基坑剖面Y=120 m时，H1和H6防渗墙的上下游地下水位有明显的降落，而防渗墙深度的改变也会使得下游位势出现显著的变化。分析数据可知，水头在防渗墙的作用下会有一定程度的削减，且随着防渗墙的深度数据升高，其削减作用也会有一定幅度的加强。当防渗墙的高程到达基岩后，也就是当底部高程数值为-50 m时，水头受到的防渗墙削减作用最强，这时继续加大防渗墙深度，其防渗效果也不会有较大的增幅，收益较小。

3.3 排水量

分析7种方案下基坑的总排水量变化规律，也就是渗透的总流量。当防渗墙高程的数值为-35.5 m时，基坑的总渗透流量为每天4.279×107 m3，到达-35.5 m后，基坑的总渗透流量会随着防渗墙深度加深而降低。分析数据可知，若防渗墙的高程未到达基岩，防渗收益会随着防渗墙深度增加而升高，若防渗墙的高程到达基岩，对于水向基坑内的渗透作用有着更好的阻碍作用。当防渗墙的高程到达基岩后，其不透水层的相对渗透系数较低，防渗墙深度的增加并不会对防渗效果产生较为明显的影响，对与渗透流量无较高收益。

3.4 渗透坡降

通过计算各部位的渗透坡降最大值可知，防渗墙的渗透坡降最大部位为上游围堰，阻渗作用与防渗墙深度成正比，渗透坡度也相应增大。混凝土防渗墙的渗透坡降允许值为80，各方案的坡降最大值均在允许范围内。出逸坡降数值最大处为基坑内的下游覆盖层，所以此处产生渗透破坏的概率最高，防渗墙深度加大，其覆盖层的坡降极值也显著降低。出于渗透稳定考虑，当底部高程为-47 m时，砂砾坡降极值应小于允许值0.3；当达到基岩时，防渗墙深度的增大对砂砾坡降的减小幅度并不显著。

4 结语

通过分析7种方案的渗流场数据，结合截断的采砂层，最佳方案为H5方案，也就是防渗墙底部高程数值-47 m，在此水位下的基坑总渗透流量为每天3.695 1×107 m3，防渗墙的渗透坡降最大值为14.47，砂砾石覆盖层出逸坡降最大值为0.27，坡降的最大值均未超过材料坡降的允许值，可以满足渗透的稳定性要求。

参考文献

[1] 岳金旗.官地水电站地下厂房尾水出口围堰方案优化[J].四川水力发电，2011（5）：20-23.

[2] 温定煜.沙湾水电站深基坑软基施工工艺优化[J].水运工程，2010（3）：133-138.

[3] 章强.水电站厂房深基坑汛期开挖排水方案的对比[J].工程技术：全文版，2017（2）：153.endprint