葉巴灘水電站上游圍堰穩(wěn)定與滲流分析

楊 玉 川， 周 順 文， 張 永 清， 孔 科， 王 小 波

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

圍堰作為河道中修建的臨時(shí)建筑物，主要用來(lái)維護(hù)永久水工建筑物的干地施工，其自身安全直接關(guān)系到主體建筑物的施工安全、工期及造價(jià)等。因此，圍堰自身穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)工程及其重要[1]。在眾多水電站修建過(guò)程中，大多數(shù)工程由于基坑開(kāi)挖工程量大，對(duì)圍堰防滲要求高，所以，圍堰的穩(wěn)定性及其防滲能力是工程設(shè)計(jì)研究中的重點(diǎn)與難點(diǎn)[2]。

1 工程概況及地質(zhì)情況

1.1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川白玉縣與西藏貢覺(jué)縣交界的金沙江干流降曲河口以下約350 m河段上，多年平均流量839 m3/s。電站樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電建筑物組成。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩高217.00 m，壩頂高程2 894.00 m。大壩混凝土方量約232萬(wàn)m3。地下引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群規(guī)模巨大，采用右岸首部式廠房+長(zhǎng)尾水的布置方案。

1.2 上游圍堰地質(zhì)情況

上游圍堰軸線位于大壩上游約225 m處，上圍堰基礎(chǔ)河床覆蓋層較薄，以粗顆粒為主。據(jù)上游圍堰軸線附近的鉆孔揭示，河床覆蓋層為漂(塊)砂卵(碎)礫石及含漂砂卵礫石層，其余為砂礫石；沖積層層次簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，厚度20.77～27.32 m。

河床覆蓋層總體上以粗顆粒為主，并構(gòu)成骨架，無(wú)集中成帶的砂層等細(xì)顆粒分布，承載力較高，堰基不均勻沉陷和抗滑穩(wěn)定問(wèn)題不突出。此外，由于覆蓋層中以粗顆粒為主，漂(塊)砂卵(碎)含量較高，河床覆蓋層可見(jiàn)較大的孤漂石，防滲墻施工難度較大。

2 上游圍堰布置

2.1 堰頂高程

上游圍堰為4級(jí)臨時(shí)建筑物，按20年一遇流量Qp=5 670 m3/s時(shí)，上游水位2 763.21 m，考慮波浪爬高和安全超高后，確定圍堰頂高程為2 766.00 m，最大堰高約58.0 m。

2.2 堰體及堰基防滲

土工膜防滲技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和推廣，在水電水利工程中得到廣泛應(yīng)用，具有一定的物理力學(xué)強(qiáng)度和防滲、反濾、排水、加筋等功能，施工方便，速度快，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較優(yōu)?？紤]到圍堰工程為臨時(shí)擋水建筑物，擋水水頭(35.21 m)不高，類似工程成功應(yīng)用的實(shí)例較多，采用土工膜心墻作為上游圍堰堰體防滲方案。

由于河床覆蓋層為漂砂卵礫石，含孤石較多，大壩基坑開(kāi)挖較深，控制性灌漿或高噴的可靠性較差。所以，覆蓋層防滲采用全封閉的混凝土防滲墻。另外，由于河床及兩岸強(qiáng)卸荷地基巖土體透水性強(qiáng)，需采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理，帷幕灌漿深度應(yīng)深入相對(duì)不透水層(透水率<10 Lu)5.0 m。

2.3 圍堰堰體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍堰頂寬10.0 m，堰頂軸線長(zhǎng)146.68 m，設(shè)置0.5 m厚的泥結(jié)碎石土路面。防滲墻施工平臺(tái)高程2 728.00 m。堰體迎水面在2 728.00 m高程以上的坡比為1∶2.0，堰面采用0.5 m厚的干砌石保護(hù)；2 728.00 m高程以下的坡比為1∶1.5，并采用大塊石護(hù)腳；背水面2 728.00 m高程以上堰坡的設(shè)計(jì)坡比為1∶1.75，2 728.00 m高程以下沿用截流戧堤的設(shè)計(jì)坡比1∶1.5。堰體2 728.00 m高程以上采用復(fù)合土工膜心墻防滲，最大防滲高度35.21 m，具體圍堰剖面見(jiàn)圖1。

圖1 上游圍堰剖面布置圖

如圖1所示，截流戧堤上游側(cè)填筑過(guò)渡料和閉氣料，混凝土防滲墻兩側(cè)填筑砂礫石料，方便防滲墻施工。復(fù)合土工膜兩側(cè)采用過(guò)渡料和墊層料保護(hù)。

3 圍堰滲流及穩(wěn)定分析

3.1 計(jì)算方法與參數(shù)

本工程圍堰及大壩基坑邊坡的滲流和穩(wěn)定采用GeoStudio分析軟件計(jì)算，計(jì)算方法采用“計(jì)及條塊間作用力”的Bishop法和Morgenstern-Price法。由于圍堰填筑和基坑開(kāi)挖歷時(shí)較短，根據(jù)規(guī)范要求，圍堰大壩基坑邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算選用規(guī)范推薦的總應(yīng)力法。圍堰及大壩基坑邊坡的滲流及穩(wěn)定性計(jì)算中材料介質(zhì)的基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍堰及大壩基坑邊坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)圍堰的實(shí)際運(yùn)行情況，影響圍堰安全的主要工況如下：

3.2.1 完建工況

圍堰上游水位2 728.94 m(按5月的20年一遇設(shè)計(jì)洪水計(jì)算)，下游水位按下游圍堰堰腳高程計(jì)。

3.2.2 運(yùn)行工況

圍堰上游水位2 763.21m(按全年20年一遇設(shè)計(jì)洪水計(jì)算)，下游水位按大壩基坑底高程計(jì)。

3.2.3 水位驟降工況

圍堰上游水位2 763.21 m，基坑水位按大壩基坑底高程計(jì)。圍堰上游堰前水位按5.0 m/d的速度下降，圍堰下游堰坡水位不變。

3.3 滲流計(jì)算

根據(jù)圖1及表1即可在GeoStudio分析軟件中建立相應(yīng)計(jì)算模型，計(jì)算模型示意圖如圖2所示。

之后，對(duì)圍堰水位最高的情況進(jìn)行滲流計(jì)算，即只需模擬3.2節(jié)中圍堰的運(yùn)行工況，滲流計(jì)算成果見(jiàn)圖3和圖4。

圖2 上游圍堰計(jì)算模型示意圖

圖3 壓力水頭等值線圖

圖4 滲透坡降計(jì)算圖

根據(jù)圖3和圖4計(jì)算成果可知，上游圍堰最大單寬滲流量為10.72 m3/d?；由嫌芜吰禄步缇€附近為出溢點(diǎn)，該位置的滲透坡降最大達(dá)到0.4左右，超過(guò)了河床覆蓋層——漂砂卵礫石層的允許坡降0.1～0.12，建議采用土工布?jí)浩路礊V措施進(jìn)行保護(hù)。

3.4 穩(wěn)定計(jì)算

對(duì)于圍堰穩(wěn)定計(jì)算，3.2節(jié)中三種工況均應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，各工況下圍堰及基坑邊坡的整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5～圖7。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)上游圍堰(基坑)穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表2。

(a)上游邊坡 (b)下游邊坡圖5 圍堰完建期穩(wěn)定性

(a)上游邊坡 (b)下游邊坡 (c)基坑邊坡圖6 圍堰運(yùn)行期期穩(wěn)定性

圖7 水位驟降5 m/d下圍堰的穩(wěn)定性

計(jì)算方案部 位穩(wěn)定安全系數(shù)BishopMorgenstern-Price規(guī)范值[4]完建期上游堰坡下游堰坡1.6251.5531.6001.5231.151.15運(yùn)行期上游堰坡下游堰坡基坑上游邊坡1.6951.5531.4371.6641.5231.3241.151.151.15運(yùn)行期驟降5 m/d上游堰坡1.2171.15

由表2可知，圍堰上下游堰坡的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)是合適的；大壩基坑上游側(cè)邊坡坡比(覆蓋層1∶1.75、基巖1∶0.5)的設(shè)計(jì)是合適的。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)于圍堰及基坑邊坡滲流計(jì)算可知，上游圍堰最大單寬滲流量為10.72 m3/d，且基坑上游邊坡基覆界線附近為出溢點(diǎn)，該位置的滲透坡降最大達(dá)到0.4左右，超過(guò)了河床覆蓋層(漂砂卵礫石層)的允許坡降0.1～0.12，須采用土工布?jí)浩路礊V措施進(jìn)行保護(hù)。

(2)對(duì)圍堰及基坑邊坡考慮文中三種工況下的穩(wěn)定性可知，圍堰上下游堰坡的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，即可說(shuō)明大壩基坑上游側(cè)邊坡坡比選擇(覆蓋層1∶1.75、基巖1∶0.5)是合理的。

根據(jù)上述計(jì)算，對(duì)葉巴灘水電站上游圍堰進(jìn)行設(shè)計(jì)是相對(duì)比較合理的，通過(guò)考慮滲流及邊坡穩(wěn)定性，對(duì)于今后類似圍堰分析計(jì)算及設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。