叶巴滩水电站上游围堰稳定与渗流分析

杨 玉 川， 周 顺 文， 张 永 清， 孔 科， 王 小 波

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

围堰作为河道中修建的临时建筑物，主要用来维护永久水工建筑物的干地施工，其自身安全直接关系到主体建筑物的施工安全、工期及造价等。因此，围堰自身稳定性对于整个工程及其重要[1]。在众多水电站修建过程中，大多数工程由于基坑开挖工程量大，对围堰防渗要求高，所以，围堰的稳定性及其防渗能力是工程设计研究中的重点与难点[2]。

1 工程概况及地质情况

1.1 工程概况

叶巴滩水电站位于四川白玉县与西藏贡觉县交界的金沙江干流降曲河口以下约350 m河段上，多年平均流量839 m3/s。电站枢纽建筑物由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物及引水发电建筑物组成。挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，坝高217.00 m，坝顶高程2 894.00 m。大坝混凝土方量约232万m3。地下引水发电系统洞室群规模巨大，采用右岸首部式厂房+长尾水的布置方案。

1.2 上游围堰地质情况

上游围堰轴线位于大坝上游约225 m处，上围堰基础河床覆盖层较薄，以粗颗粒为主。据上游围堰轴线附近的钻孔揭示，河床覆盖层为漂(块)砂卵(碎)砾石及含漂砂卵砾石层，其余为砂砾石；冲积层层次简单，结构较密实，厚度20.77～27.32 m。

河床覆盖层总体上以粗颗粒为主，并构成骨架，无集中成带的砂层等细颗粒分布，承载力较高，堰基不均匀沉陷和抗滑稳定问题不突出。此外，由于覆盖层中以粗颗粒为主，漂(块)砂卵(碎)含量较高，河床覆盖层可见较大的孤漂石，防渗墙施工难度较大。

2 上游围堰布置

2.1 堰顶高程

上游围堰为4级临时建筑物，按20年一遇流量Qp=5 670 m3/s时，上游水位2 763.21 m，考虑波浪爬高和安全超高后，确定围堰顶高程为2 766.00 m，最大堰高约58.0 m。

2.2 堰体及堰基防渗

土工膜防渗技术经过多年的发展和推广，在水电水利工程中得到广泛应用，具有一定的物理力学强度和防渗、反滤、排水、加筋等功能，施工方便，速度快，经济指标较优。考虑到围堰工程为临时挡水建筑物，挡水水头(35.21 m)不高，类似工程成功应用的实例较多，采用土工膜心墙作为上游围堰堰体防渗方案。

由于河床覆盖层为漂砂卵砾石，含孤石较多，大坝基坑开挖较深，控制性灌浆或高喷的可靠性较差。所以，覆盖层防渗采用全封闭的混凝土防渗墙。另外，由于河床及两岸强卸荷地基岩土体透水性强，需采用帷幕灌浆进行防渗处理，帷幕灌浆深度应深入相对不透水层(透水率<10 Lu)5.0 m。

2.3 围堰堰体结构设计

围堰顶宽10.0 m，堰顶轴线长146.68 m，设置0.5 m厚的泥结碎石土路面。防渗墙施工平台高程2 728.00 m。堰体迎水面在2 728.00 m高程以上的坡比为1∶2.0，堰面采用0.5 m厚的干砌石保护；2 728.00 m高程以下的坡比为1∶1.5，并采用大块石护脚；背水面2 728.00 m高程以上堰坡的设计坡比为1∶1.75，2 728.00 m高程以下沿用截流戗堤的设计坡比1∶1.5。堰体2 728.00 m高程以上采用复合土工膜心墙防渗，最大防渗高度35.21 m，具体围堰剖面见图1。

图1 上游围堰剖面布置图

如图1所示，截流戗堤上游侧填筑过渡料和闭气料，混凝土防渗墙两侧填筑砂砾石料，方便防渗墙施工。复合土工膜两侧采用过渡料和垫层料保护。

3 围堰渗流及稳定分析

3.1 计算方法与参数

本工程围堰及大坝基坑边坡的渗流和稳定采用GeoStudio分析软件计算，计算方法采用“计及条块间作用力”的Bishop法和Morgenstern-Price法。由于围堰填筑和基坑开挖历时较短，根据规范要求，围堰大坝基坑边坡的稳定性计算选用规范推荐的总应力法。围堰及大坝基坑边坡的渗流及稳定性计算中材料介质的基本物理力学参数见表1。

表1 围堰及大坝基坑边坡稳定计算参数表

3.2 计算工况

根据围堰的实际运行情况，影响围堰安全的主要工况如下：

3.2.1 完建工况

围堰上游水位2 728.94 m(按5月的20年一遇设计洪水计算)，下游水位按下游围堰堰脚高程计。

3.2.2 运行工况

围堰上游水位2 763.21m(按全年20年一遇设计洪水计算)，下游水位按大坝基坑底高程计。

3.2.3 水位骤降工况

围堰上游水位2 763.21 m，基坑水位按大坝基坑底高程计。围堰上游堰前水位按5.0 m/d的速度下降，围堰下游堰坡水位不变。

3.3 渗流计算

根据图1及表1即可在GeoStudio分析软件中建立相应计算模型，计算模型示意图如图2所示。

之后，对围堰水位最高的情况进行渗流计算，即只需模拟3.2节中围堰的运行工况，渗流计算成果见图3和图4。

图2 上游围堰计算模型示意图

图3 压力水头等值线图

图4 渗透坡降计算图

根据图3和图4计算成果可知，上游围堰最大单宽渗流量为10.72 m3/d。基坑上游边坡基覆界线附近为出溢点，该位置的渗透坡降最大达到0.4左右，超过了河床覆盖层——漂砂卵砾石层的允许坡降0.1～0.12，建议采用土工布压坡反滤措施进行保护。

3.4 稳定计算

对于围堰稳定计算，3.2节中三种工况均应进行稳定计算，各工况下围堰及基坑边坡的整体稳定计算结果见图5～图7。

根据上述计算结果，统计上游围堰(基坑)稳定安全系数见表2。

(a)上游边坡 (b)下游边坡图5 围堰完建期稳定性

(a)上游边坡 (b)下游边坡 (c)基坑边坡图6 围堰运行期期稳定性

图7 水位骤降5 m/d下围堰的稳定性

计算方案部 位稳定安全系数BishopMorgenstern-Price规范值[4]完建期上游堰坡下游堰坡1.6251.5531.6001.5231.151.15运行期上游堰坡下游堰坡基坑上游边坡1.6951.5531.4371.6641.5231.3241.151.151.15运行期骤降5 m/d上游堰坡1.2171.15

由表2可知，围堰上下游堰坡的安全系数均满足规范要求，设计是合适的；大坝基坑上游侧边坡坡比(覆盖层1∶1.75、基岩1∶0.5)的设计是合适的。

4 结 语

(1)对于围堰及基坑边坡渗流计算可知，上游围堰最大单宽渗流量为10.72 m3/d，且基坑上游边坡基覆界线附近为出溢点，该位置的渗透坡降最大达到0.4左右，超过了河床覆盖层(漂砂卵砾石层)的允许坡降0.1～0.12，须采用土工布压坡反滤措施进行保护。

(2)对围堰及基坑边坡考虑文中三种工况下的稳定性可知，围堰上下游堰坡的安全系数均满足规范要求，即可说明大坝基坑上游侧边坡坡比选择(覆盖层1∶1.75、基岩1∶0.5)是合理的。

根据上述计算，对叶巴滩水电站上游围堰进行设计是相对比较合理的，通过考虑渗流及边坡稳定性，对于今后类似围堰分析计算及设计具有一定的参考价值。