水电站深厚覆盖层土石围堰堰坡的稳定分析

颜昊

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830091）

0 前言

深厚覆盖层通常是指堆积于河谷地带，厚度在30 m 以上的第四纪松散沉积物。这类土层的结构比较松散、岩层不连续，渗透性良好。同时，水分的渗透又会对原来的土石结构造成破坏，在上部岩土的重力挤压下，引起沉降等现象。因此，相比于一般的围堰，深厚覆盖层土石围堰因为具有渗透性强、渗流场变化复杂等特点，在长时间的水流冲击下更容易发生坍塌、失稳。为了确保土石围堰的结构安全，必须要针对围堰的整个施工过程展开受力分析，在此基础上确定维持围堰堰坡稳定的最佳参数，为下一步围堰施工提供必要的参考。

1 工程概况

某水电站的上游围堰处于两山之间的“V”型峡谷段，堰顶高程964.40 m，顶宽9.80 m，设计挡水位874.00 m。围堰最大高度81 m，河床覆盖层平均厚度74 m。根据岩土类型的不同，可以将深厚覆盖层分为3层，I层厚度4.08～11.28 m，以河流冲击堆积的卵石、砾石为主；II层厚度16.71～22.09 m，以碎石、块石为主，夹杂着部分细粒砂和粉土质砾；III 层厚度32.41～42.92 m，以砾石为主，有少量碎块石。本工程中围堰填筑方式有2种，其中高程822 m以上的部分，采用干地碾压填筑方式，围堰的迎水面坡比为1：1.8，背水面坡比为1：1.6；高程在822以上的部分，采用水下填筑，迎水面与背水面的坡比统一设置为1：1.5。围堰的防水部分为“塑性混凝土防渗墙+复合土工膜斜墙”。围堰基坑开挖前的断面剖面图如图1所示。

图1 围堰基坑开外前的断面剖面图

2 围堰渗流分析

2.1 计算网格模型与参数

本文使用GeoStudio软件中的SEEP/W模块，对围堰渗流场进行数字模拟分析。结合围堰的施工流程，分别创建了3个网格模型，模型1 为戗堤合拢环节，共有4 007 个单元，用于模拟围堰戗堤截流稳定时的渗流场；模型2 为基坑抽水环节，共有4 775个单元，用于模拟围堰抽水结束时的渗流场；模型3为基坑开挖环节，共有4 264 个单元，用于模拟围堰开挖结束时的渗流场。本次工程中覆盖层分为3层，各层的渗透系数以及不同材料的渗透系数统计见表1。

表1 围堰渗流场计算参数表

2.2 戗堤合拢渗流计算分析

围堰戗堤截流合龙后的渗流计算结果如图2所示。

图2 戗堤截留渗流计算等势线、单宽流量图

围堰截流完成后，上、下游水位水头差为4 m。因为此时尚未采取有效的防渗措施，因此单宽流量较大，达到了16.35 m3/d。同时，浸润线较高，溢出点比降为0.072。分析认为，围堰截流合龙后，其迎水面承受的水流冲击更为明显，因此在没有防渗措施的情况下会出现渗流量增加的情况，相应的堰坡稳定性也会出现不同程度的下降。

2.3 围堰基坑抽水过程渗流分析

围堰基坑抽水会导致上、下游水头的高差进一步变大，在重力等作用力的影响下，围堰同一断面的单宽流量也会随着水头高差的增加而变大，单宽流量增量与水头差增量的关系大概是1：2.4，即单宽流量每增加12 m3/d，则上、下游水头高差增加5 m。另外，抽水速度也是影响围堰渗流与稳定性的重要因素。这里以抽水速度为0.50 m/d和1.00 m/d作为对比，在不同时段下围堰基坑浸润线和防渗墙的比降统计结果见表2。

结合表2 数据可知，基坑抽水速度越快，则围堰浸润线溢出点比降越大，这种情况下围堰的稳定性较差。因此，适当降低抽水速度对提高围堰堰坡稳定性有一定帮助。

表2 围堰基坑抽水渗流计算结果表

2.4 围堰基坑开挖过程中渗流分析

随着围堰基坑开挖深度的增加，一方面是开挖作业破坏了原来的覆盖层岩土结构，可能会对堰坡渗流产生影响；另一方面，在重力作用下，会产生水流汇聚效应，也会对围堰堰坡的渗流产生影响。在围堰基坑开挖环节，分别统计了浸润线溢出点比降，以及防渗墙最大比降和底部比降，结果见表3。

表3 基坑开挖渗流计算结果表

由上表数据可知，随着围堰基坑开挖深度的增加，浸润线溢出点比降，以及防渗墙最大比降均出现了增大的趋势。基坑开挖深度和开挖速度都会对围堰渗流产生影响。

3 围堰堰坡稳定计算结果与分析

3.1 不同施工阶段围堰堰坡稳定性计算结果

文章结合围堰施工流程，分别从围堰填筑、基坑抽水、基坑开挖等环节对围堰堰坡的稳定性展开计算、分析。将围堰堰坡孔隙水压力作为评价指标，使用SEEP/W 渗流计算方法，分析围堰堰坡的稳定性；堰体自重、水荷载等引起的应力，使用ABAQUS 进行非线性有限元计算。不同工况下的围堰稳定性计算结果如下：

一是戗堤截流阶段。围堰坡体的整体抗滑稳定安全系数为1.83，在整个围堰施工流程中最低，说明围堰填筑环节，特别是戗堤合拢施工时容易失稳。

二是围堰抽水阶段。围堰坡体的整体抗滑稳定安全系数为2.44，在整个围堰施工流程中最高。该计算结果是以抽水速度为4 m/d 计算得来的。理论上来说，抽水速度越慢，对围堰造成的影响越小，因此实际施工中可以通过降低抽水速度，使围堰结构的稳定安全系数进一步提高［3］。

三是围岩开挖阶段。围堰坡体的整体抗滑稳定安全系数为2.30。在围堰内部抽水结束后，土体逐渐失水、干燥，因此堰坡稳定性较高。但是随着开挖深度的增加，又会对堰坡土体产生一定的扰动，因此整体抗滑稳定安全系数比围堰抽水阶段略低。

3.2 不同抽水速度下围堰堰坡稳定性分析

为了进一步验证不同抽水速度对围堰堰坡稳定性产生的影响，现场分别使用了0.50 m/d、1.00 m/d、2.00 m/d三个挡位的抽水速度，并按照上文所述方法分别结算不同抽水速度下的围堰堰坡稳定安全系数。在不同水位高程下，3种抽水速度的抗滑稳定安全系数（Fs）如图3所示。

图3 基坑不同抽水速度对应高程下游堰坡安全系数曲线图

结合上图可以发现，随着围堰基坑抽水速度的加快，围堰堰坡的抗滑稳定安全系数也呈现出下降趋势。当抽水速度为0.50 m/d 时，在水位高程865 m 时稳定性最好，此时的抗滑稳定安全系数为2.24；在水位高程855 m 时稳定性最差，此时的抗滑稳定安全系数为2.18。将抽水速度提升至2 m/d 后，在水位高程865 m 时围堰堰坡的稳定性最好，此时的抗滑稳定安全系数为1.96；在水位高程855 m 时堰坡稳定性最差，抗滑稳定安全系数仅为1.85。对比可知，围堰抽水速度越慢，对围堰堰坡产生的破坏影响越小，此时围堰整体结构的稳定性越好。

3.3 深厚覆盖层渗透特性对堰坡稳定性的影响分析

为了验证深厚覆盖层渗透特性对围堰堰坡稳定性的影响，选择围堰开挖阶段的边坡安全系数作为对照，另外设计了4种方案展开对比探究，各方案对应的围堰堰坡安全系数如表4所示。

结合表4 数据，当覆盖层Ⅲ为不透水层时，基坑边坡抗滑稳定安全系数为3.03，要高于基础工况下的2.75。说明在覆盖层Ⅲ处采取塑性混凝土防渗墙措施，对提高围堰堰坡稳定性有良好效果；覆盖层Ⅱ的渗透特性对围堰堰坡抗滑稳定安全系数的影响不大，在变为不透水层后，其抗滑稳定安全系数有一定升高，但是并不明显；覆盖层Ⅰ变为不透水层后，其抗滑稳定安全系数为2.54，反而低于未做任何处理的基础工况（2.75），说明在覆盖层Ⅰ处不适合进行防渗施工。综合来看，当整个深厚覆盖层全部进行防渗处理、变成不透水层后，堰坡稳定安全系数达到最大（3.26），此时围堰堰坡的稳定性最好。

表4 覆盖层不同渗透特性对围堰堰坡稳定性计算结果表

4 结语

在水利水电工程的围堰施工中，围堰防渗处理对保障围岩结构安全和现场施工安全起到了重要作用。而深厚覆盖层由于自身结构组成、岩土特性等因素的影响，容易发生渗漏现象，进而出现沉降、失稳。通过本文的研究论证，认为在围堰施工过程中降低抽水速度，可以降低施工期间对围堰堰坡的扰动和破坏，有利于提升围堰堰坡的稳定性。同时，采用塑性混凝土防渗墙等措施，对深厚覆盖层进行整体的防渗处理，通过显著提升其防渗效果，也可以让围堰堰坡的稳定性得到显著提升。