ZMT水电站施工期上游围堰渗流场及稳定性数值分析

陈元盛

大中型水利水电工程施工导流工程常可分为导流、截流和围堰三部分，它们是建成水利水电工程的必经环节和必要措施。其中，围堰的主要作用是通过临时性拦挡河水为永久建筑物的施工创造干地条件，其次在有些工程中也可以与永久建筑物相结合，作为永久建筑物的一部分，以节省工程投资[1]。围堰的渗流问题是错综复杂，随着该问题被广泛关注，研究方法也多种多样，目前，主要以差分法、有限元法和边界元法等数值模拟方法[2-3]。GeoStudio是一套功能强大、适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件，本文利用GeoStudio中的SLOPE/W模块和SEEP/W模块对研究对象某西部江河中游段的某水电站围堰渗流场及稳定性进行了数值模拟、分析和研究。

1 概述

ZMT水电站位于西部某江河的中游段，装机容量505MW。大坝为混凝土重力坝，正常蓄水位3310.00 m，坝顶高程3314.00 m，大坝基础高程3198.00 m，最大坝高106 m，坝顶长450 m，采用坝后式地面厂房。该水电站采用的是左岸明渠导流、主体工程分三期、基坑全年施工的导流方式。即一期基坑进行左岸导流明渠的修建，二期基坑进行河床溢流坝及厂房的修建，三期基坑完建明渠坝段。

二期大坝基坑上游围堰采用土工膜斜墙土石围堰，围堰堰顶高程3280.00m，最大堰高39.00m，最大挡水水头约为36.9m,堰基采用封闭式砼防渗墙，防渗墙最大深度52.00 m，厚0.8 m。

坝址区基岩岩性单一，岩质较坚硬，第四系松散堆积物主要分布于河床，漫滩及阶地部位，河床覆盖层厚16.1～45.1 m，由上至下可分为两层：冰水堆积的含漂砂卵（碎）砾石层（fglQ3）和冲击含含漂砂卵砾石层（alQ4），覆盖层由颗粒基本构成骨架，结构密实，具中等透水性；基岩为燕山晚期-喜山期二长花岗岩，岩质坚硬岩体较完整，岩体以弱风化为主。

拟建电站的上游围堰堰体填筑较大，基础防渗深度大，由于涉及按时发电以及安全度汛等重大问题，对围堰的施工提出一定的要求，工期紧，任务重，难度大。因此，本文中围堰渗流与堰坡稳定分析的重点有二：其一，研究二期大坝基坑随施工开挖过程的单宽渗流量；其二，研究堰后渗流出水口处的堰坡、基坑开挖过程中边坡的渗透稳定性，为施工过程提供一定的借鉴、指导。

2 数值计算条件和模型

围堰上游设计水位3277.90 m,堰后开挖后最低水位3198.00 m，上游围堰在设计工况下，对施工开挖过程不同高程的基坑进行二维渗流和堰体稳定计算。上游围堰计算区域内共涉及到10种材料，它们分别为：堰体堆石料、土工膜复合防渗体、混凝土防渗墙、帷幕灌浆体、覆盖层2（alQ4）、覆盖层1（fglQ3）、基岩 IV，基岩 III1，基岩 III2，基岩 II。建立模型如图 3。对模型网格剖分，结点数15701，单元数15414。

表1 上游围堰计算材料参数表

图3 上游围堰模型材料分布图

图4 上游围堰模型网格剖分结果

模型采用笛卡儿直角坐标系，以垂直向为y轴，垂直向上为正，计算坐标原点选在0标高处；以顺河向为z轴，指向下游为正向，计算坐标原点选取3～3与8～8剖面的交点处。计算区域：二维围堰渗流与堰坡稳定分析时，上游边界为上游围堰防渗帷幕向上游200 m，下游边界自上游围堰坡脚向下游延165 m，达到坝轴线处。垂直向自弱风化下线向下延50 m。本次计算中上游水位3277.90 m，分别计算堰后基坑未开挖，开挖至3234 m，3219 m，3210 m，3198.00 m等开挖过程模拟，以及基坑开挖过程堰后边坡安全性分别进行计算分析。

图5 流网与浸润线分布图

图6 水力坡降等值线图

3 计算结果

3.1 基坑未开挖工况

现对上游围堰未开挖工况（上游洪水位3277.90 m,下游与基坑等高程）进行计算分析，并绘制关系曲线以及云图，其余工况均以汇总表给出。

图7 流速等值线图

图8 渗流量提取位置示意图

图9 围堰背水面边坡最不利滑动面安全系数图

图10 高程3244.7时渗流出口处坡降变化曲线

图11 高程3244.7 m时穿过防渗墙上点的点坡降变化曲线

图12 高程3203.1 m防渗墙底部的坡降变化曲线

设计防渗方案但基坑未开挖时，堰体防渗墙前后的水头差最小，堰体中的浸润线基本与堰后坡脚等高且呈水平分布，防渗体后堰体内的水头差最小。等势线为以防渗墙底部为扇柄的扇形分布，防渗墙两侧的等势线基本均匀对称。流线为绕防渗墙底部包线分布，方向水平，在地层参数变化处发生折射。由于本工况上游围堰背水面基坑坡高最低，因此，围堰背水面渗流出口处的水力坡降很小，透过堰体的最大渗流速度很小，单宽总渗流量（防渗墙及其以下地层渗流量）为0.213 L/s。用Ordinary法、Bishop法和Janpu计算的堰后边坡安全系数最小值为1.16，堰体边坡是安全的。

3.2 基坑开挖至3198 m高程工况

现对上游围堰开挖至3198.00 m高程工况（上游洪水位3277.90 m，下游3198.00 m）进行计算分析，并绘制关系曲线以及云图，其余工况均以汇总表给出。

图13 流网与浸润线分布图

图14 水力坡降等值线图

图15 流速等值线云图

图16 渗流量提取位置示意图

图18 高程3198.0m时渗流出口处坡降变化曲线

图20 高程3203.1 m防渗墙底部的点坡降变化曲线

图19 高程3219.0 m时穿过防渗墙上点的坡降变化曲线

基坑开挖至设计高程3198 m后，堰体防渗墙前后的水头差增加到最大，堰体中的浸润线明显下降且向下游倾斜分布，由于基坑底部岩体渗透系数较河床覆盖层小，渗流出口明显高于基坑底部。等势线为以防渗墙底部为扇柄的偏心扇形分布，防渗墙两侧的等势线进一步向下游倾斜。流线为绕防渗墙底部包线分布，流线较施工期的位置有较大降低，方向向下游倾斜，在地层参数变化处发生折射。由于本工况上下游的水头差最大，上游围堰背水面基坑坡高最大，因此，围堰背水面渗流出口处的水力坡降增加到最大0.36，最大水力坡降位于覆盖层1（fglQ3）中，最大水力坡降超出覆盖层1的允许坡降安全范围内，透过堰体的最大渗流速度和单宽总渗流量（防渗墙及其以下地层渗流量）也增加到最大，单宽总渗流量为0.244 L/s，渗流量相对较小。用Ordinary法、Bishop法和Janpu计算的堰后边坡安全系数最小值为1.02，堰体后基坑边坡安全系数较小，施工中应采取措施防护。

3.3 各工况计算结果汇总

表2 渗流与堰坡稳定计算结果汇总

通过各个工况的比较看以看出，坝址区基坑开挖过程中，流网图、流速图、流量图、水力坡降等势线图，以及边坡安全系数图都有一定程度的变化。

随着基坑开挖深度的增加，堰体防渗墙前后的水头差不断增加，堰体中的浸润线不断降低，始终与堰后坡脚等高且向下游倾斜。等势线不断向下游倾斜，流线位置降低。随着基坑开挖深度的增加，上游围堰背水面基坑坡高不断增加，因此，围堰背水面渗流出口处的水力坡降逐渐增加，透过堰体的最大渗流速度和单宽总渗流量连续增加，但渗流量相对较小；堰后边坡安全系数最小值逐渐降低，至基坑开挖深度最大值之前，堰体边坡及基坑边坡安全系数降低到1.08，基坑边坡安全系数很低。以上计算结果说明基坑防渗设计方案和施工开挖步序需要调整，可以在基坑边坡中强化排水设施解决。

4 结论

1）基坑开挖前上游围堰边坡是稳定的。随着基坑开挖深度的增加，基坑单宽渗流量、上游基坑坡脚处的水力坡降同步增加，基坑边坡安全系数不断降低。

2）基坑开挖至设计工况时，上游围堰单宽渗流量（防渗墙及其以下地层渗流量）为0.244L/s，渗流量较小；防渗墙处的水力坡降较小，上游基坑坡脚处的水力坡降较大，部分覆盖层超过允许坡降范围。围堰边坡和基坑边坡稳定系数较小。基坑防渗设计方案需要改进，建议在基坑上游边坡处增加排水孔，以降低堰体和覆盖层中的水力坡降。

[1]郑守仁等.导流截流及围堰工程[M].北京：中国水利水电出版社，2005,581-583.

[2]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京:水利电力出版社,1990.

[3]顾慰慈.渗流计算原理及应用[M].北京:中国建材工业出版社,2000.