中图分类号: 文献标识码: A 文章编号: 1007-2284(2010) 11-0126-03
Research on 2-D Seepage of Dam Foundation Pit and Cofferdam on a Certain Hydropower Station and Stability of Cofferdam Slope on Land Side
WANG Jian-qiang
Abstract: The dambase of a hydropower station is excavated which affects stability of cofferdam slope. The computing model is done according to geological data. Four types of foundation pit seepage calculated schemes with different digging depth, four kinds of doubly conductivity of diaphragm covering layer and bedrock schemes, three types of local failure of composite geomembrane schemes are designed to know stability of coffer dam slope affected by excavation, failure of seepage control and stratum leakage. Based on an analysis of seep field of different conditions, found that flow net and seepage velocity contour concentrates at the bottom of diaphragm, where hydr aulic gradient is big , the hydraulic gradient at the toe of the foundation pit is max under local failure of compo site geomembrane conditions, which results in failure of piping or soil flow and cofferdam slo pe failure.
Key words: cofferdam; slope; seepage; stability
0 引言
近年来国家对于江河湖海的整治和综合利用开发工作方兴未艾, 这对于水利水电工程行业的发展是个极大机遇与挑战。很多水利单位任务多时间紧, 很难有充分的时间对某些具体的问题进行仔细斟酌, 所以不得不借助外脑, 委托科研单位和高校进行某些专项的研究, 用于对设计方案的优化和比选。众多水利工程在修建多年后, 很少出现由于结构破损引起的稳定问题, 相反由于渗流稳定引发的次生灾害却层出不穷。因此, 渗流问题值得研究[1- 4]。
随着计算机技术的发展, 数值实验和仿真分析可以部分替代和补充模型试验的研究[5-10]。本文就是利用数值实验, 分析大坝基坑开挖和围堰修建后引起的渗流场的变化, 分析其对岩土体的渗透稳定性的影响, 同时分析其对围堰边坡稳定的影响。目的是为工程建设的顺利实施保驾护航, 为科学的工程组织设计提供参考。
1 计算模型及计算方案设计
1. 1 计算模型
二维渗流与堰坡稳定计算中坐标采用笛卡儿直角坐标系,以垂直向为y 轴, 垂直向上为正, 计算坐标原点选在0标高处;以顺河向为z 轴, 指向下游为正向。上游边界为上游围堰防渗帷幕向上游至少200m, 下游边界自上游围堰坡脚向下游延165 m, 达到坝轴线处。垂直向自弱风化下线向下延50m。基坑深度按渗流计算的最不利工况考虑, 取到二期大坝基坑开挖线上。计算模型见图1。
图1 计算模型
水电站渗流计算区域内共涉及到9 种材料, 在模型中分别用不同的颜色表示, 计算区域内共涉及到9 种材料, 它们分别为: 堰体堆石料、土工膜复合防渗体、混凝土防渗墙、覆盖层2(alQ4) 、覆盖层1(fg lQ3) 、基岩IV, 基岩Ⅲ1, 基岩Ⅲ2, 基岩Ⅱ。材料分区见图1。计算用土力学参数见表1。
表1 围堰渗流与稳定计算参数表
1. 2 边界条件及计算工况
1. 2. 1 边界条件
上游围堰前以及大坝基坑底面全部为指定水头边界条件,其中上游围堰前水头高度为河床多年平均洪水位3277.90m,开挖后基坑无水, 基坑水位与坑底等高程, 最低水位高程为3205.00 m。模型底部为不透水边界。
1. 2. 2 计算工况
根据二维围堰渗流与堰坡稳定分析的特点, 设计了5个基坑开挖深度的渗流计算工况; 7 个不同部位防渗措施失效的渗流计算工况, 以分析其渗流场的变化及其对堰坡稳定的影响。
所有计算均在Geo-slope下进行, 利用seep模块计算渗流场, 再通过slope 模块调用渗流计算结果, 分析其对堰坡稳定的影响。
主要部位流量统计见表2。
表2 主要部位流量统计表
注: 防渗失效工况的其他参数和情况同基坑深度工况5。
2 计算结果分析
2. 1 基坑尚未开挖时, 工况1渗流场分析
工况1: 防渗墙底部延伸至IV岩组, 上游围堰前水头高度为河床多年平均洪水位3 277.90m, 堰后水位与原地面等高程即3246.00 m, 计算结果整理成图2。由于各工况结果类似, 此处仅以该工况为例展示渗流场计算结果。
图2 工况1 渗流场计算结果图
设计防渗方案但基坑未开挖前的计算结果如下。图2(a) 、(b) 可以看出, 本工况堰体防渗墙前后的水头差最小, 堰体中的浸润线基本与堰后坡脚等高且呈水平分布, 防渗体后堰体内的水头差最小。等势线为以防渗墙底部为扇柄的扇形分布, 防渗墙两侧的等势线基本均匀对称。流线为绕防渗墙底部包线分布, 方向水平, 在底层参数变化处发生折射。
从图2(c) 可知, 由于本工况上下游的水头差最小, 上游围堰背水面基坑坡高最低, 因此, 围堰背水面渗流出口处的渗透坡降很小, 透过堰体的最大渗流速度很小, 单宽总渗流量(防渗墙及其以下地层渗流量) 为0. 213 L/s, 渗流量相对很小。用Ordinary 法、Bishop 法和Janbu 计算的堰后边坡安全系数最小值为1.689, 堰体边坡是安全的。
2. 2 坝内水头高度分析
根据对不同工况堰体不同部位的计算结果的分析, 流网、流速、渗透坡降图大同小异, 所以需要对比不同部位计算结果的具体差异。因此对防渗墙、防渗墙以下、堰后坡脚、失效缺口部位的渗流量, 防渗墙和上游基坑坡脚的渗透比降的最大值进行了统计, 结果列于表3。
表3 主要部位渗流场计算结果统计表
从表3 可知, 防渗墙没有失效的时候, 墙体渗漏量要小于绕墙渗漏量, 堰后坡脚的渗漏量也比较有限。但是随着基坑开挖深度的增加各部位渗漏量有增加的趋势, 但单日渗漏量仍比较有限。其后随着防渗措施的失效渗漏逐步增加, 其中复合土工膜部分失效的渗流损失要小于地层的渗透性增加所造成的渗漏。因此要重视地层中渗漏路径, 对于发现的要实施封堵。防渗墙的渗透比降要小于允许值, 但是基坑坡脚的比降在土工膜局部失效时较大, 基坑坡脚容易发生潜蚀或者管涌, 应注意基坑坡脚的渗流稳定。必要时, 须采取一定防渗措施。
根据图3 可知, 安全系数整体趋势是随着基坑开挖深度的增加逐步降低; 在防渗措施失效或者复合土工膜局部失效工况下安全系数逐步降低到最小。这印证了复合土工膜局部失效工况下, 基坑坡脚渗透比降增加, 坡体稳定必然降低的结论。复合土工膜失效有可能会造成围堰或者基坑失稳, 在设计中要充分考虑这一点, 同时在施工组织中也要据此考虑最不利的情况, 设计预备抢险方案。
图3 不同工况安全系数演化曲线
3 结语
根据设计工况的计算, 在基坑开挖过程中、防渗墙和岩土体渗透系数突然成倍增加的基础上, 围堰和基坑均是稳定的。但是复合土工膜局部失效时, 围堰后边坡存在失稳的可能, 同时基坑坡脚存在渗流稳定问题。
建议在防渗设计中, 要充分考虑土工膜局部失效的可能,尽量减小可能产生局部破坏的因素; 在基坑开挖过程中, 应针对次设定抢险预案, 防止基坑坡脚的渗透破坏和围堰的失稳。
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作者简介:王建强(1969-),男,博士,高级工程师,从事工程地质、地质环境方面的研究和设计工作。
