探讨深厚覆盖层上土石围堰渗流及边坡稳定性

冯裕疆

(新疆三河建设工程有限责任公司,新疆 阿克苏 843000)

1 工程概况

某水电站工程为中型水电站，坝址河床覆盖层厚度在50～65 m之间，构建的围堰高度为70 m，在距离堰脚65 m处进行基坑施工，对各覆盖层进行揭示后最终达到高约85 m的边坡。围堰顶部高程876 m，其中高程830 m以上是由干地进行施工而成、高程830 m以下则是通过水下填筑构建、在830 m处宽度为25 m的防渗墙作业平台；围堰顶部最宽处10 m；工程迎水坡面比值为1∶2.00、背水坡面比值为1∶1.75。项目的围堰与地基防渗采用防渗墙上接土工膜形式，防渗墙的材料采用塑性混凝土，防渗墙厚度设置为1.2 m，复合土工膜斜墙施工采用两布一膜的方式。防渗墙体与复合土工膜斜墙使用碎石填筑。

工程中覆盖共分为四层：流域河床高程807～768 m为第Ⅲ1、Ⅲ2层，其开挖坡比为1∶2.0，在坡面处构建厚度为0.3 m的反滤层以及厚度为0.5 m的石砌块坡，在高程768 m处设置15 m宽的平台，此平台距离第Ⅱ层覆盖层顶点处2 m；第Ⅰ、Ⅱ层覆盖层的开挖坡比为1∶2.5，并在坡面相隔15 m处建造一级宽度为5 m的工程马道，并且马道的坡面坡脚使用胶结材料的块石砌体构建建筑的基座；施工至基岩处时需在高程768 m以下的坡面设置两层厚度为0.5 m的反滤层，并铺设块石保护层。通过在坡脚基岩处设置混凝土挡墙及排水渠，将覆盖层内渗水进行有效的排除。为了降低覆盖层的浸润线、渗流比以及出口水力坡降、保障工程中的边坡渗透的稳定性，须在围堰坡脚及基坑覆盖层构建宽度为65 m的作业平台以及降水管井，以此在基坑开挖时通过管井抽取渗透水[1-2]。

2 研究方法

2.1 渗流模型的建立

为了分析本工程土石围堰所使用的防渗方案的渗流及边坡的稳定性，以及工程中防渗系统沿轴线的连贯性，根据本工程上游土石堰所采用的不同填筑以及施工场地地质条件，建立有限元模型。模型中上游设置为围堰上游坡脚300 m、下游设置为围堰下游坡脚300 m、底部设置为基岩面以下100 m；本工程流域上游水位为取值为流域调蓄后水位873.5 m、下游流域水位取值为开挖基层后的高程722.0 m；本工程的有限元模型共构建1900个节点，单元数共1850。工程中材料分区及有限元网格划分如图1所示。

图1 工程中材料分区及有限元网格划分示意图

在有限元的模型构建中，土石围堰所构建的模型两侧及底面为不透水二类边界、上下游水位坡面则为定水头一类边界，并且围堰下游水位以上的表面为溢流面。

2.2 计算参数及工况

围堰土工膜的施工厚度较薄，因此，为了能够建立有效的有限元模型，本研究中将其按照渗流等效的形式进行构建，即

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

(1)

式中过流面积A与水头损失h参数相一致，因此，公式简化为：

k1L2=k2L1

(2)

土石围堰填筑材料与各覆盖层渗透系数如表1所示[3-5]。

表1 土石围堰填筑材料与各覆盖层渗透系数 cm/s

由于防渗墙涉及水下填筑以及反循环钻机钻孔施工，若出现造成垂直度不足、地质中出现异性块体等未满足施工条件将造成施工问题。在进行防渗墙浇筑时，不同龄期的混凝土将会在钻孔搭接处形成一定程度的接缝。在实际操作中防渗墙上接土工膜施工较为复杂，并且围堰顶部常作为施工通道，施工条件较差，因此极有可能产生裂缝及施工缺陷。

此外对施工中具有局部破损因素的渗流特性分析，对于局部的破损主要是由施工所产生的防渗墙底部开裂、土工膜与防渗墙接缝处的破裂、建筑在运行期间防渗墙的自然变形导致的开裂等。防渗墙与土工膜渗流分析工况如表2所示。

表2 防渗墙与土工膜渗流分析工况

上述防渗墙与土工膜渗流分析工况2～5的有限元模型构建可使用通过改变防渗系数的方式实现，即将工况中所使用的防渗系数更换为防渗体系周围覆盖层或是所使用填筑材料的渗透系数。

3 围堰体渗流计算结果分析

渗流计算结果分析主要因素为防渗墙浸润线、溢出点高程、溢出点渗透坡降及渗透流量，如表3所示。正常使用中防渗墙等值线分布情况如图2所示。防渗墙局部破损情况下的等值线分布情况如图3所示[6-9]。

表3 各工况计算结果统计表

图2 正常使用中防渗墙等值线分布情况

图3 防渗墙局部破损情况下的等值线分布情况

根据上面的分析结果显示，当防渗墙后浸润线高程为722.00 m时，流域下游溢出高程725.46 m，此时的溢出点处于第Ⅰ层覆盖层，溢出点渗透坡降为0.34，单宽流量为3.16 m3/(d·m)。在正常使用中设施中多数水头是通过防渗墙与复合土工膜负责，但依据浸润线的降低势头分析后发现，覆盖层对于浸润线的下降具有一定的影响。但根据综合情况来看，流域下游溢出点所处位置较低，并且产生的渗透流量较小，不过渗出点的渗透坡降较大，但在施工中将对下游的坡面构建0.5 m厚度的两层反滤层，并在其上方加设1.0 m厚的石料保护层以确保其渗透的安全性。

根据防渗墙底部开叉的工况发现，在防渗墙未进入第Ⅰ层覆盖层的情况下，浸润线与边坡的出逸点高程得到了较大的提升，而渗流量也得到增加，因此，需要对第Ⅰ层覆盖层进行防渗施工处理。当防渗墙底部出现了施工缺陷时将对覆盖层的浸润线产生影响，而边坡出逸点高程及其比降值却没有显著的影响。当防渗墙与土工膜出现完全的开裂后，浸润线以及渗流量将得到升高。根据以上的分析，防渗墙和复合土工膜结合是水利工程中防渗问题的关键，在实际的施工中应注重对此方面施工进行控制。

4 围堰的边坡稳定性分析

4.1 非线性强度参数

由于堆石料在较高的应力条件将发生破裂，这个过程中将会造成堆石料的摩擦角降低，使其抗剪强度产生非线性的特性。由于在混凝土面板堆石坝的抗滑稳定性的计算中需要符合非线性抗剪强度指标，由式(1)表示：

(1)

式中：φ为滑动面的摩擦角,(°)；φ0为在标准大气压下的摩擦角,(°)；σ3为滑动面的小主应力,Pa；Δφ为σ3增加对数周期下的缩减值,(°)；pα为标准大气压,Pa。

4.2 计算工况及参数

结合围堰的实际使用状况进行坝坡稳定性分析工况的选择：工况1为围堰填筑完成且基坑未进行开挖状态，参数为上游水位830.56 m，下游水位824.83 m；工况2为围堰使用阶段且基坑已开挖状态，参数为上游水位872.42 m，下游水位722.45 m；工况3为围堰运行期上游水位大幅下降状态，参数为上游水位872.18～830.47 m，下游水位722.48 m。围堰填料及覆盖层物理力学参数如表4所示。

表4 围堰填料及覆盖层物理力学参数

4.3 围堰的边坡稳定性计算结果分析

根据非线性强度参数进行水利工程施工工期以及正常运行状态下的围堰坝坡及基坑边坡的稳定性分析。围堰及基坑边坡稳定计算成果如表5所示。

表5 围堰及基坑边坡稳定计算成果

依据相关规范标准规定本工程中的边坡稳定安全系数应不小于1.2，根据上表中各工况的计算结果可以发现，使用非线性抗剪强度参数进行围堰及基坑边坡的稳定性计算结果能够有效地达到相关规范要求。

5 结 语

本工程水电站上游土石围堰防渗策略采用混凝土防渗墙上接复合土工膜，经过验证可知，在防渗施工中具有显著的效果；当防渗墙与土工膜出现完全的开裂后，浸润线以及渗流量将得到升高，可见，防渗墙和复合土工膜结合是水利工程中防渗问题的关键；在围堰投入使用过程中，应设置有效的观测点，以进行围堰渗透水头和渗流量的监测；对于堰体-堰基的复合边坡进行稳定的分析，可以更好地满足不同工况下的围堰及基坑的边坡的稳定性。