米市水庫上游全年圍堰穩(wěn)定與滲流分析計算

魏 巍，紀(jì)杰杰

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，成都，610072)

圍堰是水利水電工程施工導(dǎo)流中的臨時擋水建筑物，用來圍護永久水工建筑物的基坑，保證施工期的干地施工條件。導(dǎo)流任務(wù)完成后，沒有考慮作為永久水工建筑物的一部分或者是妨礙水工建筑物的運行時，應(yīng)予以拆除。圍堰施工期間的安全穩(wěn)定直接關(guān)系到永久水工建筑物的施工安全、施工工期和工程投資等。對于工程施工安全來說是極其重要的。在大型水庫建設(shè)過程中，由于基坑開挖范圍通常較廣，圍堰的穩(wěn)定安全和防滲能力是工程設(shè)計研究中的重點[1-2]。

1 工程概況與圍堰地質(zhì)條件

1.1 工程概況

擬建米市水庫位于四川省涼山州喜德縣米市鎮(zhèn)境內(nèi)，安寧河上游左岸一級支流孫水河上游河段，為安寧河上兩座控制性大型骨干工程之一，該工程是以防洪為主，兼有供水、灌溉、生態(tài)供水、發(fā)電等綜合利用的水利工程。米市水庫主要建筑包括擋水大壩、泄洪消能建筑物、放空洞和引水發(fā)電供水建筑物等。擋水大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程2208.70m，最大壩高117.2m，電站總裝機容量15MW[3]。

1.2 上游圍堰地質(zhì)條件

上游圍堰軸線位于大壩上游約300m處。根據(jù)地質(zhì)資料，圍堰基礎(chǔ)的覆蓋層深約8m～10m，河床覆蓋層為漂塊卵石夾砂土，漂塊卵礫石成分主要為長石砂巖、粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖，塊徑6cm～50cm居多，大者達1m～2m，含量約占74%～83%，滲透系數(shù)K=4.7×10-2cm/s，屬強透水層。

河床覆蓋層厚度較大，以粗顆粒為主，并構(gòu)成骨架，承載力較高，堰基穩(wěn)定性較好，不均勻沉降問題不突出。河床覆蓋層為漂塊卵石夾砂土，且漂塊卵石夾砂土含量高，堰基混凝土防滲墻施工難度較大[3]。

2 圍堰布置

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2017)關(guān)于導(dǎo)流建筑物級別劃分表中的規(guī)定，上游圍堰建筑物級別為4級，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇20年洪水重現(xiàn)期，導(dǎo)流設(shè)計流量Q=520m3/s，堰前水位2135.4m，考慮風(fēng)雍高度0.017m、波浪爬高0.94m和安全加高后，確定的設(shè)計上游頂高程取值為2137.0m。

2.1 圍堰防滲設(shè)計

截流戧堤采用上游全年圍堰臨時斷面，同時將截流戧堤作為圍堰防滲墻施工起始平臺，平臺擋水標(biāo)準(zhǔn)為枯期10年重現(xiàn)期洪水，高程為2121.0m。

上游圍堰2121.0m高程以下堰身和堰基防滲選擇了黏土斜墻、高壓旋噴防滲墻、塑性混凝土防滲墻三種方案進行比選。若采用高噴方案，其最大防滲深度將達到25m左右，同時考慮到工程位于河道上游地區(qū)，河床覆蓋層為漂塊卵礫石夾砂土，且漂塊卵石含量高，將在很大程度上影響高噴效果；若采用黏土斜墻，砂卵石地基透水性強，截流后堰前水深達9m～10m，水平鋪蓋較長，施工困難；因此，上游圍堰基礎(chǔ)防滲選用全封閉塑性混凝土防滲墻[4]。

上游圍堰2121.0m高程以上堰身高度16m，擋水水頭不高，結(jié)合類似工程成功應(yīng)用復(fù)合土工膜防滲成果的實例，以及復(fù)合土工膜具有防滲效果好、施工方便快捷、經(jīng)濟性較好等優(yōu)勢，因此采用復(fù)合土工膜作為上部堰身防滲方案。

2.2 圍堰堰身設(shè)計

上游圍堰堰頂高程2137.0m，考慮兩岸交通和施工平臺寬度要求，頂寬取12m，堰頂軸線全長557.49m，最大堰高約27.0m，迎、背水面邊坡均為1∶2.5，戧堤平臺以上堰身采用土工膜心墻防滲，戧堤以下堰體和堰基均采用塑性混凝土防滲墻防滲，防滲墻厚度60cm，深入基巖2.0m，最大深度約25m。上游圍堰剖面見圖1。

圖1 上游圍堰剖面

如圖1所示，復(fù)合土工膜布置于堰身中部，上下游設(shè)置各1m寬粘土過渡層，土工膜基礎(chǔ)采用粘土填筑，粘土基礎(chǔ)填筑厚度1.5m，底寬2.0m，邊坡1∶1。圍堰河床段水面開闊，流速較小，導(dǎo)流洞進口距離圍堰上游面較遠(yuǎn)，因此圍堰上游面不單獨設(shè)置抗沖措施。

3 圍堰滲流及穩(wěn)定分析

3.1 計算方法及參數(shù)

圍堰邊坡及滲流穩(wěn)定分析采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所開發(fā)的AUTOBANK7.07，該程序可自動搜索最危險滑弧面。由于圍堰填筑施工時間較短，圍堰邊坡的穩(wěn)定計算時選用規(guī)范推薦的總應(yīng)力法。圍堰堰身材料及堰基材料基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 堰身材料及堰基材料基本物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計算工況

根據(jù)上游圍堰的運行情況，影響圍堰安全的主要工況有：①正常運行工況，圍堰上游水位為20年一遇調(diào)洪高水位2135.40m，下游水位為圍堰下游堰腳河床高程；②水位驟降工況，圍堰上游水位2135.4m，基坑水位按照基坑底部高程計，圍堰上游水位按照2.0m/t計算，降落至河床高程附近。

3.3 邊坡穩(wěn)定計算

3.3.1 計算方法

根據(jù)《水利水電工程圍堰設(shè)計規(guī)范》(SL 645-2013)，土石壩的抗滑穩(wěn)定計算采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法。計算公式如下：

其中：b——條塊寬度，m；

W——條塊重力，kN；

Q、V——水平和垂直地震慣性力(向上為負(fù)，向下為正)；

u——作用于土條底面的孔隙壓力，kPa；

α——條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，(°)；

c′、φ′——土條底面的有效應(yīng)力抗剪強度指標(biāo)；

Mc——水平地震慣性力對圓心的力矩；

R——圓弧半徑。

3.3.2 計算結(jié)果

圍堰穩(wěn)定計算，兩種工況下的圍堰整體穩(wěn)定結(jié)果見圖2。根據(jù)計算結(jié)果，統(tǒng)計的上游圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)見表2。

米市圍堰，正常運行期，總應(yīng)力法，(浸潤線)設(shè)計水位，無降雨，畢肖普法，0g，F(xiàn)s=1.32906

米市圍堰，正常運行期，總應(yīng)力法，(浸潤線)設(shè)計水位，無降雨，畢肖普法，0g，F(xiàn)s=1.24607

米市圍堰，正常運行期，總應(yīng)力法，(浸潤線)設(shè)計水位，無降雨，畢肖普法，0g，F(xiàn)s=1.29005

由表2可知，圍堰在運行期和水位降落期間的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，圍堰設(shè)計是合適的。

表2 上游圍堰邊坡穩(wěn)定計算成果

3.4 滲流穩(wěn)定計算

滲透穩(wěn)定計算工況同樣選擇了正常運行期和水位降落期兩種工況，滲流穩(wěn)定計算成果見圖3所示。

滲流0，H=2135.4(m)，水力坡降等值線

根據(jù)圖3計算成果可知，運行期和水位降落期圍堰堰身填筑層、堰基砂卵石層滲透坡降極小，堰身及堰基滲流穩(wěn)定性較好。圍堰下游基坑邊坡基巖覆蓋層分界線附近為滲流溢出點，該位置的最大滲透坡降為0.5左右，超過了河床漂塊卵石夾砂土的允許坡降0.1，建議基坑開挖期間，對基覆分界線位置采用反濾壓坡措施進行保護。

4 結(jié)語

(1)通過對擬建米市水庫上游全年圍堰進行兩種工況下的邊坡穩(wěn)定分析可知，圍堰上下游邊坡安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

(2)運行期和水位降落期圍堰堰身填筑層、堰基砂卵石層滲透坡降極小，堰身及堰基滲流穩(wěn)定性較好。圍堰下游基坑邊坡基巖覆蓋層分界線附近為滲流溢出點，該位置的最大滲透坡降為0.5左右，超過了河床漂塊卵石夾砂土的允許坡降0.1，建議基坑開挖期間，對基覆分界線位置采用反濾壓坡措施進行保護。

(3)根據(jù)上述計算表明，米市水庫上游圍堰的設(shè)計是相對合理的，對于后續(xù)類似地質(zhì)條件下的相似土石圍堰設(shè)計和施工具有一定的參考價值。