深覆盖层地基土石围堰渗流—应力耦合行为与复合土工膜心墙/斜墙防渗方案对比及快速降水位稳定性研究

《PLOS One》：Behavior of earth-rock cofferdam built on deep overburden foundation considering seepage effect

　　

在深覆盖层地基（deep overburden foundation）上建设的水利水电工程日益增多。深覆盖层地基对建于其上的土石围堰（earth-rock cofferdam）力学行为具有重要影响。研究人员建立了三维渗流—应力耦合有限元模型（three-dimensional coupled seepage–stress finite element model），以比较两种方案在不同截水墙（cutoff wall）嵌入深度和快速降水位（rapid drawdown）条件下的表现。本文对深覆盖层地基上采用两种渗控方案（seepage-control scheme）——复合土工膜心墙（composite geomembrane core-wall）方案与复合土工膜斜墙（composite geomembrane inclined-wall）方案——的土石围堰渗流与力学行为进行了对比分析。讨论了两种渗控方案下围堰的渗控性能、应力与变形特征及边坡稳定性。此外，比较了不同条件下深覆盖层中截水墙的行为。结果表明，当截水墙完全贯穿覆盖层时，可有效降低总水头（total head）并降低围堰内浸润线（phreatic line）。对于所有截水墙深度，心墙方案的渗流量均低于斜墙方案。心墙方案与斜墙方案下围堰及截水墙的应力分布规律基本一致。然而，心墙方案的拉应力略高。水位下降过程中，斜墙方案围堰的安全系数（factor of safety, FoS）总体高于心墙方案。

研究背景方面，随着水利水电工程向深覆盖层地区发展，土石围堰（earth-rock cofferdam，指以土石材料填筑的临时挡水建筑物）常需建于深厚、松散且级配不连续的覆盖层地基（overburden foundation）上。原文指出此类深覆盖层分布于金沙江中上游、怒江上游、大渡河干支流及西藏、新疆部分河流，具有力学物理性质不均匀、结构松散、级配不连续等特征，渗控、结构安全和稳定是主要挑战。既有研究利用有限元法分析基坑降水渗流—应力场、垫层与下游混凝土板耦合及渗流破坏、考虑渗透性空间变异的截水墙深度影响、不同渗控方案比较，以及围堰应力变形、加固措施、超顶风险和快速降水位边坡稳定等；但多聚焦具体渗流响应或单个构件，深覆盖层条件下不同防渗方案的系统比较不足，不同渗控方案的应力—变形与稳定响应比较亦不充分。为此，研究人员建立三维渗流—应力耦合有限元模型，以复合土工膜（composite geomembrane）心墙方案和斜墙方案为对象，考虑截水墙不同嵌入深度与快速降水位，比较渗控性能、围堰与截水墙应力变形及边坡稳定。研究得出，全贯穿截水墙最利于降低水头与浸润线；同深度心墙渗流量较小但拉应力略高；快速降水位下斜墙上游安全系数较高，体现渗控性能与降水位稳定的权衡。该研究为深覆盖层土石围堰渗控方案比选提供三维耦合分析依据。

关键技术方法（不超过250字）：案例来源为Yigong Zangbo River上Zhongyu Hydropower Station拟建上游土石围堰。建立三维渗流—应力耦合有限元模型，心墙和斜墙网格分别含136,575/752,519与136,762/752,789个节点/单元。以修正Kozeny-Carman关系由体积应变ε_v更新孔隙率和渗透系数，基于Biot固结框架与有效应力原理耦合；填筑料和覆盖层砂砾石用Duncan-Chang双曲线模型，土工膜、基岩和混凝土截水墙用线弹性模型；以零厚度摩擦接触模型模拟土—墙界面并用Zipingpu和Shuibuya直剪资料校核；边坡稳定用强度折减法（SRM）。计算含50%、70%、100%截水墙贯穿比稳态耦合及水位3,057.90降至3,036.90 m瞬态耦合。

5.1 渗流计算结果分析：通过不同截水墙深度的总水头场、渗流量、水力梯度及5 m/d降水位瞬态渗流分析得出，等势线在土工膜和截水墙内密集，二者承担主要水头差；心墙方案跨复合屏障水头损失为24.9、27.9、36.9 m，斜墙方案为21.9、25.9、30.9 m；全贯穿降低出逸点并消除悬墙下短绕渗路径。心墙方案总渗流量占长期平均河流流量0.068%、0.042%、0.011%，斜墙方案为0.073%、0.047%、0.015%；同深度心墙渗流量分别少28.92%、22.50%、28.89%。最大水力梯度出现在截水墙及墙趾、两坝肩墙岩接触和下游出逸区，均低于相应材料允许值。降水位时上游壳浸润线不瞬时跟随，保持较高凸形，峰值梯度在库水位3,036.9 m时心墙35.05、斜墙36.77，之后下降。差异源于心墙形成更连续中央屏障、集中水头损失并延长地基有效渗径，斜墙将渗径向上游重分布，同深度整体渗流降低较弱。

5.2 应力分析：通过有无渗流荷载的三维应力—变形分析得出，两方案围堰均以压应力为主，应力向地基分层增大，下部石渣区最大，围堰体未见有意义的拉应力区；心墙方案整体应力水平较高，相应压应力幅值达1.15 MPa和0.49 MPa。截水墙大部分受压，坝肩和墙岩界面局部受拉；蓄水后上游水压使墙向下游弯曲，嵌入段受基岩强约束而上部中央段在三维河谷中变形较自由，约束不协调使拉应力集中于端部。最大拉应力心墙1.05 MPa、斜墙0.91 MPa，均低于设计允许1.5 MPa。考虑渗流提高截水墙应力需求，心墙极值较大；压应力随深度增至中性点约10 MPa后向底部减小，因上部自重与向下界面摩擦同向，下部向上摩擦部分抵消竖向荷载。

5.3 稳定性分析：通过强度折减法评价水位由3,057.90 m降至3,036.90 m时河床断面安全系数得出，心墙方案上游坡安全系数由1.54降至最小1.446后恢复至约1.46，下游约1.492；斜墙方案上游由3.55降至1.70，下游约1.489。上游坡初期降低因外水位快速下降而孔压消散较慢，静水支撑移除且不利渗流力持续；随排水反向渗流减弱，安全系数部分恢复。斜墙方案在关键降水位期保持更高的上游安全裕度。

讨论与结论：原文讨论指出，两方案在渗控性能与快速降水位稳定性之间存在权衡：心墙方案同深度渗流量更小、下游水头降低更大，但拉应力和截水墙总体应力略高，上游坡安全系数较低；斜墙方案上游稳定性较好，但同深度渗流控制略弱。研究结论可译为：（1）截水墙贯穿全覆盖层最有效中断地基渗径，降低下游水头和浸润线，并将渗流量降至天然河流流量的很小比例；每个贯穿比下心墙方案渗流量均小于斜墙方案，表明渗控方案布置对总体渗控性能有重要影响。（2）两方案围堰和截水墙总体应力型式相当，均以受压为主；截水墙坝肩及墙岩接触因弯曲和变形约束出现局部拉应力区；心墙方案拉应力和截水墙总体应力略高，考虑渗流时尤甚。（3）快速降水位对下游坡安全系数影响较小，但因孔压消散慢于外水位下降而暂时降低上游坡稳定；心墙方案先降后部分恢复，斜墙方案在分析降水位期维持较高上游安全系数。原文同时指出，研究基于特定围堰工程和确定性材料参数，结论可能受场地地质与水力条件影响；未来需考虑地基性质空间变异、长期渗流演化及更广施工和降水位条件。