输水工程取水首部围堰防渗及稳定性分析

秦增平

（辽宁西北供水有限责任公司，辽宁沈阳 110000）

1 工程概况

输水工程取水首部围堰位于桓仁水库库区内，围堰长81.7 m，堰顶高程307.6 m，顶宽13.0 m，最大堰高51.4 m（轴线处）。设计标准20年一遇，相应库水位304.89 m。根据工程重要性，施工防洪度汛标准50年一遇，相应设计库水位307.11 m。围堰防渗体顶高程305 m。上游边坡1∶1.5，下游边坡1∶1.75。

取水首部围堰和传统围堰基础差别很大，该围堰基础沉积层不充分且修建在厚度不足18 m的河床上，地质地形条件复杂；采用钻爆法洞挖石渣抛填修筑而成，缺乏良好的边界制约条件；围堰防渗体采用常规水泥灌浆很难形成有效防渗帷幕，经过研究，围堰堰体沿围堰中线设4排灌浆孔。上、下游两排采用膏浆灌浆，设计排距3.5 m，孔距1.0 m。中间2排采用帷幕灌浆，设计排距1.0 m，孔距2.0 m。

取水首部围堰挡水深度33.7 m，是整个输水工程的关键部位，其修建成功与否决定着整个输水工程的成败。围堰防渗和稳定性分析计算对后续工程安全具有重要意义，一旦出现事故将会产生难以估量的生命财产损失和社会影响。

2 计算原理

静力计算采用增量分析方法以模拟实际的施工过程，该结构模型采用邓肯张E-B模型，其平面应变条件下的增量应力～应变关系由下式表示：

式中：△σx，△σy和△τxy为应力增量；△εx，△εy和△γxy为应变增量；为邓肯张E-B模型的弹性矩阵，如式（2）所示：

式中：B为体积模量；E为弹性模量。

处于加载状态的土体单元，式（2）中的E为切线弹性模量，其表达式为：

研究表明，堆石体的摩尔库仑强度包线呈现非线性，故可用下式对其修正：

体积模量B与泊松比满足下式：

以上各式中：c为土体凝聚力，kPa；φ为土体内摩擦角；φ0和△φ为非线性摩擦角试验参数；K为弹性模量系数；n为弹性模量指数；Kup为回弹模量系数；Kb为体积模量系数；m为体积模量指数；Rf为破坏比；Pa为大气压。

3 围堰结构数模分析

3.1 计算内容

对取水首部围堰工程进行数值分析，检验围堰结构的安全性。计算内容包括：采用非线性增量有限元方法，计算模型采用邓肯EB模型，计算抛填完成后围堰结构在自重作用下的应力与变形，计算灌浆后围堰结构在水压力作用下的应力和变形，计算灌浆防渗体在基坑抽干无水时和基坑降水过程中的应力大小。

3.2 计算模型

取水首部围堰上游设计水位301.14 m，下游设计水位285 m。计算的围堰断面见图1，计算断面的有限元网格见图2。计算时，围堰底部位移约束。

图1 围堰断面

图2 围堰断面有限元网格图

3.3 计算参数

3.3.1 有限元静计算参数

抛石的材料参数参考抛填防波堤堆石参数的静三轴固结排水试验结果，见表1。灌浆防渗体材料参数参照文献中1990年现场取样实测（1989年4月开始灌浆）试验参数，见表2。

表1 邓肯E-B模型参数

表2 线弹性材料参数

3.3.2 稳定计算参数

堆石体稳定分析采用的强度指标见表3。

表3 稳定计算参数

3.4 计算结果

采用增量分析方法模拟了围堰结构以及灌浆防渗体的施工过程。主要分析围堰填筑完成后（上、下游水位均为301.14 m）围堰的应力与位移以及防渗体灌浆完成基坑降水过程（上游水位不变，下游水位降至285 m）中防渗体的应力，计算成果，见表4。

表4 静力计算极值表

3.4.1 围堰结构的应力分析

填筑完成后，围堰结构主应力最大值均出现在围堰底部轴线附近，大主应力和小主应力最大值分别为300 kPa和100 kPa，主应力等值线与围堰边坡基本平行。防渗体灌浆完成并将基坑水位降至285 m时，由于上游水压力和下游浮托力减小的作用，主应力有所增加，大主应力和小主应力最大值分别为342 kPa和126 kPa。可以看出，有限元静力计算的应力分布符合一般规律。

3.4.2 围堰结构的位移分析

填筑完成后，围堰结构沉降最大值为11 cm；防渗体灌浆完成并将基坑水位降至285 m时，由于下游浮托力减小引起的围堰结构沉降为3.1 m。围堰结构顺河向位移最大值为4.8 cm（向上游）和0.6 m（向下游）；防渗体灌浆完成并将基坑水位降至285 m时，由于水压力的作用引起的向下游的水平位移为4.3 cm。

3.4.3 灌浆防渗体应力分析

灌浆完成时，防渗体最大压应力是610 kPa，防渗体不承受拉应力；上游水位保持不变，将基坑水位降至285 m时，防渗体最大压应力是2 407 kPa，防渗体最大拉应力为710 kPa，拉应力范围位于防渗体底部上游侧区域。

上游水位保持不变且下游水位变化过程中，防渗体最大压应力和最大拉应力的变化。可以看出，随着下游水位的降低，防渗体的最大压应力和最大拉应力逐渐增大。

3.4.4 防渗体模量影响分析

为了研究防渗体模量对防渗体应力和竖向沉降的影响，将防渗体模量取为10 004 MPa（1991—1992年现场取样实测）。为分析防渗体模量的影响，将防渗体模量取为6 500 MPa。防渗体灌浆完成时，以及将基坑水位降至285 m时，灌浆防渗体的最大拉压应力，见表5。

表5 防渗体应力极值表（应力以压为正）

防渗体模量增大后（取为6 500 MPa和10 004 MPa），灌浆完成时，上下水位均为301.14 m，防渗体最大压应力差别不大（50 kPa以内），无拉应力出现。当保持上游水位不变，下游水位降至285 m时，防渗体最大压应力为3 095 kPa（防渗体模量取为6 500 MPa）和3 580 kPa（防渗体模量取为10 004 MPa）；最大拉应力为1 210 kPa（防渗体模量取为6 500MPa）和1 760 kPa（防渗体模量取为10 004 MPa），拉应力范围位于防渗体底部左侧区域。

4 主要结论

通过数模分析，对取水首部围堰工程进行了深入、细致的研究，其成果可作为围堰工程安全评价的依据，并可供工程设计参考。主要结论归纳如下：

1）围堰的位移与应力

填筑完成后，围堰结构主应力最大值均出现在围堰底部轴线附近，大主应力和小主应力最大值分别为300 kPa和100 kPa，主应力等值线与围堰边坡基本平行。

防渗体灌浆完成并将基坑水位降至285 m时，由于上游水压力和下游浮托力减小的作用，主应力有所增加，大主应力和小主应力最大值分别为342 kPa和126 kPa。由于水压力和下游浮托力减小引起的围堰结构沉降为3.1 cm，向下游的水平位移为4.3 cm。

2）防渗体应力

防渗体模量取为3 112 MPa，灌浆完成时，防渗体最大压应力是610 kPa，防渗体不承受拉应力；上游水位保持不变，随着下游水位的降低，防渗体的最大压应力和最大拉应力逐渐增大。将基坑水位降至285 m时，防渗体最大压应力是2 407 kPa，防渗体最大拉应力为710 kPa。

防渗体模量增大后（分别取为6 500 MPa和10 004 MPa），当保持上游水位不变，下游水位降至285 m时，防渗体最大压应力为3 095 kPa（防渗体模量取为6 500 MPa）和3 580 kPa（防渗体模量取为10 004 MPa）；最大拉应力为1 210 kPa（防渗体模量取为6 500 MPa）和1 760 kPa（防渗体模量取为10 004 MPa），拉应力范围位于防渗体底部上游侧区域。

［1］郎秀艳.调水隧洞废弃石渣填筑围堰防渗施工技术的应用［J］.陕西水利，2015（3）.

［2］李定忠，曾凡顺.控制性灌浆在土石围堰防渗中的应用［J］.水利水电施工,2007（3）.