米市水库上游全年围堰稳定与渗流分析计算

魏 巍，纪杰杰

(四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072)

围堰是水利水电工程施工导流中的临时挡水建筑物，用来围护永久水工建筑物的基坑，保证施工期的干地施工条件。导流任务完成后，没有考虑作为永久水工建筑物的一部分或者是妨碍水工建筑物的运行时，应予以拆除。围堰施工期间的安全稳定直接关系到永久水工建筑物的施工安全、施工工期和工程投资等。对于工程施工安全来说是极其重要的。在大型水库建设过程中，由于基坑开挖范围通常较广，围堰的稳定安全和防渗能力是工程设计研究中的重点[1-2]。

1 工程概况与围堰地质条件

1.1 工程概况

拟建米市水库位于四川省凉山州喜德县米市镇境内，安宁河上游左岸一级支流孙水河上游河段，为安宁河上两座控制性大型骨干工程之一，该工程是以防洪为主，兼有供水、灌溉、生态供水、发电等综合利用的水利工程。米市水库主要建筑包括挡水大坝、泄洪消能建筑物、放空洞和引水发电供水建筑物等。挡水大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程2208.70m，最大坝高117.2m，电站总装机容量15MW[3]。

1.2 上游围堰地质条件

上游围堰轴线位于大坝上游约300m处。根据地质资料，围堰基础的覆盖层深约8m～10m，河床覆盖层为漂块卵石夹砂土，漂块卵砾石成分主要为长石砂岩、粉砂岩、钙质泥岩，块径6cm～50cm居多，大者达1m～2m，含量约占74%～83%，渗透系数K=4.7×10-2cm/s，属强透水层。

河床覆盖层厚度较大，以粗颗粒为主，并构成骨架，承载力较高，堰基稳定性较好，不均匀沉降问题不突出。河床覆盖层为漂块卵石夹砂土，且漂块卵石夹砂土含量高，堰基混凝土防渗墙施工难度较大[3]。

2 围堰布置

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2017)关于导流建筑物级别划分表中的规定，上游围堰建筑物级别为4级，导流标准选择20年洪水重现期，导流设计流量Q=520m3/s，堰前水位2135.4m，考虑风雍高度0.017m、波浪爬高0.94m和安全加高后，确定的设计上游顶高程取值为2137.0m。

2.1 围堰防渗设计

截流戗堤采用上游全年围堰临时断面，同时将截流戗堤作为围堰防渗墙施工起始平台，平台挡水标准为枯期10年重现期洪水，高程为2121.0m。

上游围堰2121.0m高程以下堰身和堰基防渗选择了黏土斜墙、高压旋喷防渗墙、塑性混凝土防渗墙三种方案进行比选。若采用高喷方案，其最大防渗深度将达到25m左右，同时考虑到工程位于河道上游地区，河床覆盖层为漂块卵砾石夹砂土，且漂块卵石含量高，将在很大程度上影响高喷效果；若采用黏土斜墙，砂卵石地基透水性强，截流后堰前水深达9m～10m，水平铺盖较长，施工困难；因此，上游围堰基础防渗选用全封闭塑性混凝土防渗墙[4]。

上游围堰2121.0m高程以上堰身高度16m，挡水水头不高，结合类似工程成功应用复合土工膜防渗成果的实例，以及复合土工膜具有防渗效果好、施工方便快捷、经济性较好等优势，因此采用复合土工膜作为上部堰身防渗方案。

2.2 围堰堰身设计

上游围堰堰顶高程2137.0m，考虑两岸交通和施工平台宽度要求，顶宽取12m，堰顶轴线全长557.49m，最大堰高约27.0m，迎、背水面边坡均为1∶2.5，戗堤平台以上堰身采用土工膜心墙防渗，戗堤以下堰体和堰基均采用塑性混凝土防渗墙防渗，防渗墙厚度60cm，深入基岩2.0m，最大深度约25m。上游围堰剖面见图1。

图1 上游围堰剖面

如图1所示，复合土工膜布置于堰身中部，上下游设置各1m宽粘土过渡层，土工膜基础采用粘土填筑，粘土基础填筑厚度1.5m，底宽2.0m，边坡1∶1。围堰河床段水面开阔，流速较小，导流洞进口距离围堰上游面较远，因此围堰上游面不单独设置抗冲措施。

3 围堰渗流及稳定分析

3.1 计算方法及参数

围堰边坡及渗流稳定分析采用河海大学工程力学研究所开发的AUTOBANK7.07，该程序可自动搜索最危险滑弧面。由于围堰填筑施工时间较短，围堰边坡的稳定计算时选用规范推荐的总应力法。围堰堰身材料及堰基材料基本物理力学参数见表1。

表1 堰身材料及堰基材料基本物理力学参数

3.2 计算工况

根据上游围堰的运行情况，影响围堰安全的主要工况有：①正常运行工况，围堰上游水位为20年一遇调洪高水位2135.40m，下游水位为围堰下游堰脚河床高程；②水位骤降工况，围堰上游水位2135.4m，基坑水位按照基坑底部高程计，围堰上游水位按照2.0m/t计算，降落至河床高程附近。

3.3 边坡稳定计算

3.3.1 计算方法

根据《水利水电工程围堰设计规范》(SL 645-2013)，土石坝的抗滑稳定计算采用计及条块间作用力的简化毕肖普法。计算公式如下：

其中：b——条块宽度，m；

W——条块重力，kN；

Q、V——水平和垂直地震惯性力(向上为负，向下为正)；

u——作用于土条底面的孔隙压力，kPa；

α——条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，(°)；

c′、φ′——土条底面的有效应力抗剪强度指标；

Mc——水平地震惯性力对圆心的力矩；

R——圆弧半径。

3.3.2 计算结果

围堰稳定计算，两种工况下的围堰整体稳定结果见图2。根据计算结果，统计的上游围堰稳定安全系数见表2。

米市围堰，正常运行期，总应力法，(浸润线)设计水位，无降雨，毕肖普法，0g，Fs=1.32906

米市围堰，正常运行期，总应力法，(浸润线)设计水位，无降雨，毕肖普法，0g，Fs=1.24607

米市围堰，正常运行期，总应力法，(浸润线)设计水位，无降雨，毕肖普法，0g，Fs=1.29005

由表2可知，围堰在运行期和水位降落期间的安全系数满足规范要求，围堰设计是合适的。

表2 上游围堰边坡稳定计算成果

3.4 渗流稳定计算

渗透稳定计算工况同样选择了正常运行期和水位降落期两种工况，渗流稳定计算成果见图3所示。

渗流0，H=2135.4(m)，水力坡降等值线

根据图3计算成果可知，运行期和水位降落期围堰堰身填筑层、堰基砂卵石层渗透坡降极小，堰身及堰基渗流稳定性较好。围堰下游基坑边坡基岩覆盖层分界线附近为渗流溢出点，该位置的最大渗透坡降为0.5左右，超过了河床漂块卵石夹砂土的允许坡降0.1，建议基坑开挖期间，对基覆分界线位置采用反滤压坡措施进行保护。

4 结语

(1)通过对拟建米市水库上游全年围堰进行两种工况下的边坡稳定分析可知，围堰上下游边坡安全系数均满足规范要求。

(2)运行期和水位降落期围堰堰身填筑层、堰基砂卵石层渗透坡降极小，堰身及堰基渗流稳定性较好。围堰下游基坑边坡基岩覆盖层分界线附近为渗流溢出点，该位置的最大渗透坡降为0.5左右，超过了河床漂块卵石夹砂土的允许坡降0.1，建议基坑开挖期间，对基覆分界线位置采用反滤压坡措施进行保护。

(3)根据上述计算表明，米市水库上游围堰的设计是相对合理的，对于后续类似地质条件下的相似土石围堰设计和施工具有一定的参考价值。