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摘 要：为研究围堰在降雨及水位变动下的渗流特性及边坡稳定情况，以阿扎德帕坦水电站下游土石围堰为例，对比两种不同围堰剖面设计方案，考虑短历时强降雨工况，基于非饱和渗流原理，对两种围堰断面方案在渗流应力耦合状态下遭遇水位变动和短历时强降雨时的渗流和边坡稳定性情况进行了有限元模拟。方案1结构较为简单，围堰上游边坡（背水坡）为1∶1.50，下游边坡（迎水坡）为1∶1.75，迎水坡采用厚0.5 m的块石护坡，围堰堰身和下部基础采用高喷防渗墙。方案2结构较复杂，相比于方案1，防渗墙前移，围堰顶部采用厚40 cm、C20W6F100的混凝土板，防止在过流时对其造成严重冲刷。结果表明：方案2上下游边坡防渗效果均比方案1更具针对性，且围堰渗流特性及阻渗效果较好;在不同静水位条件下，方案2上下游边坡的安全系数整体上大于方案1的，且满足规范要求，其整体稳定性优于方案1的;水位变动时，无论是水位上升还是下降，降雨对围堰上游边坡的安全系数基本没有影响，但降雨会降低下游边坡的安全系数，降雨强度越大，安全系数就越小。
关键词：土石围堰;渗流特性;稳定分析;断面优选;降雨
中图分类号：TV551.3 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.025
引用格式：刁海鹏，侍克斌，白现军，等.考虑渗流应力耦合效应土石围堰断面方案研究[J].人民黄河，2021，43（7）：130-136.
Abstract： For studying the cofferdam under rainfall and water level changes of seepage characteristics and the slope stability， taking earth-rock cofferdam downstream of Azad PatanHydroelectric Power Station as an example， it compared two different cofferdam section designs and considered the actual conditions in dry season and flood season on the basic of principle of unsaturated seepage flow in two kinds of cofferdam seepage flow stress coupling conditions confronted with water level fluctuation and rainfall seepage and slope stability conditions for finite element simulation. The results show that a） the anti-seepage effect of the upstream and downstream slopes of the scheme 2 is more targeted than that of the scheme 1 and the seepage characteristics and seepage prevention effect of the cofferdam are better; b） under different static water levels， the overall safety factor of the upstream and downstream slopes of the scheme 2 is greater than that of the scheme 1 and meets the requirements of the specification; c） when the water level fluctuates， whether it is rising or falling， rainfall has basically no effect on the safety factor of the upstream slope of the cofferdam， while rainfall will reduce the safety factor of the downstream slope， the greater the rainfall intensity， the smaller the safety factor.
Key words： earth and stone cofferdam; seepage characteristic; stability analysis; optimum selection of section; rainfall
1 引 言
水利水电工程中施工导流围堰一般可分为土石围堰和混凝土（浆砌石）围堰，其中土石围堰作为施工导流时的一种临时性挡水建筑物，通过临时性拦挡河水为永久建筑物的施工创造干地条件，在工程设计和施工中其渗流及邊坡稳定问题一直受到重点关注[1-2]。在水利工程施工过程中，围堰往往要遭遇汛期及枯水期两个阶段，此时围堰临水坡在水库泄水或基坑排水等情况下会面临水位急速升降的情况，而影响围堰渗流及稳定安全的因素十分复杂[3-4]，研究表明水位变动与降雨是导致土石边坡失稳的重要诱因[5-6]，水位的变动及极端天气[7-8]如强降雨可能会导致堰身产生一些病险问题，如边坡失稳[9-10]、渗透破坏[11-12]等，进而使围堰失事，威胁永久建筑物安全，影响施工进度[13-14]。因此，有必要对土石围堰的渗流及稳定特性进行研究。
对于库水位变动、降雨及相应的渗流稳定分析，国内外学者开展了大量的研究工作。史尧等[15]通过建立围堰渗流及边坡稳定分析模型，探讨了深井降水对围堰渗流及边坡稳定的影响，但其未考虑流固耦合影响。刘聪聪等[16]运用波浪数学模型分析了强浪环境下围堰工程附近波浪、水流作用对排水龙口泄水能力及结构稳定的影响。齐强等[11]针对某过水围堰设计进行了渗流和边坡稳定安全性分析，但其分析主要针对稳态工况。赵欢等[17]选择不同的基坑抽水速度对某围堰渗流场进行有限元模拟，采用非线性强度参数分析了围堰边坡的稳定性，但其未考虑降雨的影响。目前，既有研究对土石围堰的分析较少考虑水位变动和降雨的共同影响，且较少考虑渗流场和应力场的耦合作用。Li等[18]对风暴潮冲击下软土地基围堰的渗流应力耦合特性进行了研究，建立了潮汐变化、涌浪、土体强度退化、渗流影响等多因素耦合的数值模型。郁舒阳等[19]基于Fredlund & Xing参数分析了不同降雨类型对边坡渗透稳定性的影响。目前关于水位变动（包括上升和下降）、不同库水位变动速率、不同强度降雨等多因素影响下围堰渗流和边坡稳定耦合的分析研究较少，且对于围堰渗流场和应力场的耦合作用仍然有待进一步研究，同时围堰安全性对于确保施工进度及工程安全十分重要，因此有必要对水位变动与不同强度降雨共同作用下土石围堰堰身渗流特性及稳定性问题进行研究。 本研究以阿扎德帕坦水电站下游土石围堰为例，对比两种不同围堰剖面设计方案，考虑枯水期及汛期实际工况，对围堰在渗流应力耦合状态下遭遇水位变动和短历时强降雨时的渗流和边坡稳定性进行有限元分析，针对不同水位变动速率+不同降雨强度下的围堰渗流特性及稳定特性进行分析，以期揭示水位变动+不同强度降雨对土石围堰上下游边坡稳定性的影响规律，为土石围堰在复杂工况下的运行管理提供参考依据。
2 计算理论
2.1 饱和-非饱和渗流理论
基于非饱和土达西定律及多孔介质渗流连续方程，可以得到以压力水头表示的饱和-非饱和微分方程[20]为
式中：ksij为饱和渗透张量，m/s;kr为相对透水率，Lu;hc为压力水头，m;Q为源汇项;C（hc）为容水度;n为孔隙率;θ为体积含水量，在非饱和区为0，在饱和区为1;Ss为单位贮水量，kg·m-2·s-2;xi、xj为坐标分量;t为时间。
2.2 边坡稳定理论
土石坝边坡稳定分析采用极限平衡法中的Morgenstern-price方法[21]，使用Morgenstern-price方法可以很好地反映土条间的相互作用力，而不需要进行任何简化。
式中：c′为有效黏聚力，Pa;φ′为有效摩擦角，（°）;μ为孔隙水压力，Pa;N为条块底部法向力，N;W为单位宽度下条块的自重，kN/m;D为线荷载，kN/m;α为土体底部倾斜角;β、R、x、f、d、ω均为几何参数。
2.3 耦合计算理论
耦合渗流场影响下的应力场与应力场影响下的渗流场计算方程[22]为
式中：K为土体整体刚度矩阵;Δδ为位移增量;ΔF为自重等外荷引起的节点荷载增量;ΔFs为渗流场重分布引起的渗流体积力的节点荷载增量;k为土体渗透系数，与应力场σij重分布导致的孔隙比变化有关;H为水头分布函数;h为渗流场的水头分布函数。
渗流场对应力场的影响主要是渗流场的重分布引起渗流体积力变化，进而影响应力场，应力场对渗流场的影响主要是应力场重分布导致孔隙比变化，进而影响渗流场。
3 工程概况
3.1 电站基本概况
阿扎德帕坦（Azad Pattan）水电站位于巴基斯坦巴控克什米爾地区的吉拉姆（Jhelum）河上阿扎德帕坦大桥上游附近，距离首都伊斯兰堡约90 km。电站主体工程拦河坝是碾压混凝土重力坝，为2级建筑物，轴线采用曲线布置，坝顶长264 m，坝顶高程为536 m，最大坝高103 m。电站为坝后式水电站，水库总库容1.47亿m3，工程主要建筑物有碾压混凝土挡水坝、进水口、引水压力钢管隧洞、地下厂房、尾水隧洞及地面开关站等。
下游围堰采用土石围堰，布置在主坝轴线下游约350 m处。坝址处10 a一遇洪峰流量为1 616 m3/s，相应下游围堰处水位462.18 m。波浪爬高和安全超高合计为1.32 m，下游围堰顶高程463.50 m。
3.2 导流方式及导流程序
考虑该水电站工程的施工工期、发电任务并综合比较基坑清理、围堰工程的差异及导流建筑物工程造价，该工程采用围堰拦断河床、隧洞导流。前期导流阶段采用枯水期围堰挡水，导流洞过水，汛期基坑过水，大坝枯水期施工导流方案;后期坝体施工高度超过围堰时，临时度汛利用坝体缺口+导流洞或者坝体永久底孔+表孔+导流洞过水，大坝可在汛期继续施工。导流程序分为8个阶段，施工程序及进度安排见图1。
3.3 围堰方案
水电站主体工程下游围堰级别为4级，为过水土石围堰，堰顶长65 m。现对两种剖面方案进行优选：方案1结构较为简单，围堰上游边坡（背水坡）为1∶1.50，下游边坡（迎水坡）为1∶1.75，迎水坡采用厚0.5 m的块石护坡，围堰堰身和下部基础采用高喷防渗墙。方案2结构较复杂，相比于方案1剖面，防渗墙前移，围堰顶部采用厚40 cm、C20W6F100的混凝土板，防止在过流时对其造成严重冲刷;围堰迎水面上游坡采用500 mm×500 mm×1 500 mm的钢筋石笼叠压的方式，钢筋石笼具有良好的透水性，无论围堰挡水还是过水，都能很好地防止水流对围堰淘刷，而叠压的方式进一步增强了钢筋石笼的整体稳定性;下游边坡坡脚采用铅丝笼的防护方式，利用其自排水性，很好地防止坡脚内部细颗粒因被水流带走而造成围堰边坡失稳，内部增加了黏土防渗区。方案2防渗性能针对性强，且局部稳定加固措施均优于方案1，方案1与方案2的剖面见图2。在导流程序第三阶段，下游围堰可能会发生水毁，若水毁则需要在第3年10月—第4年2月对下游围堰进行重修。为了进一步验证选取土石围堰断面的合理性，确保围堰过流时的安全性，防止围堰在导流阶段水毁，同时保证施工导流正常进行，为大坝施工争取更多时间，现对方案1与方案2开展有限元模拟，进行方案比选。
4 数值模拟
4.1 模型及边界条件
为研究短历时强降雨及水位变动对土石围堰边坡渗流和稳定性的影响，考虑不同的降雨强度、不同水位及不同水位变动速率，根据工程设计图纸，对土石围堰方案1与方案2进行有限元模拟。假定堰体破坏服从摩尔-库仑准则，有限元模型及边界条件示意见图3，方案1模型网格一共剖分为6 500个节点、6 311个单元，方案2模型网格一共剖分为6 712个节点、6 535个单元。
4.2 计算参数及工况选取
根据该水库工程地层结构及其工程勘察报告，围堰材料土水特征曲线见图4，其边坡岩土体材料分区及主要物理力学指标参数值见表1。
根据坝址上游水文站气象资料，多年平均降水量1 404.1 mm，最大年降水量2 186.9 mm（2006年），最小年降水量924.3 mm（2009年）。降水量年内分配以7月、8月最大，分别为282.9、210.1 mm，基于现场水文气象及水位监测资料，有限元模拟中考虑短历时强降雨工况，降雨强度分别取0、30、50 mm/d，降雨持续时间为0～5 d，第5天后停止，有限元模型计算时间选为30 d。鉴于汛期下游土石围堰过流，为对比方案1与方案2，简化其汛期最高水位为463.50 m即围堰顶高程，上游基坑截流后对应的下游水位为456.41 m且保持不变，枯水期上游基坑无水，有限元模拟计算工况见表2。 5 结果分析
5.1 静水位稳态分析
不同上游静水位条件下围堰堰身孔压等值线分布如图5～图7所示。由图5可知，在枯水期即上游基坑无水时，围堰下游坡挡水，此时与方案1相比，方案2上游孔隙水压力整体上小于方案1的，且方案2下游存在黏土区，对坡外水头有降低作用，下游堰体孔压整体亦小于方案1的。图6、图7表明，当基坑内有水即围堰处于汛期工作状态时，方案2防渗墙位置前移，且下游存在黏土区。从围堰孔隙水压力云图可知，方案2的
土体孔隙水压力整体上小于方案1的，对于上游阻渗效果而言，由于方案2防渗墙前移，因此其阻渗效果优于方案1的;对于下游阻渗效果而言，由于黏土区起到了一定的阻渗效果，因此围堰下游整体孔压小于方案1的。整体比较说明，方案2对于上下游防渗比方案1更具针对性，且方案2阻渗效果更好，围堰非饱和区域比方案1的大，故土体的基质吸力大，有利于土体稳定，从侧面也表明在渗流特性方面，方案2的土体所处状态优于方案1的。
不同静水位下围堰上下游边坡安全系数见表3，对于围堰上下游坡，在不同水位条件下方案2边坡安全系数始终高于方案1的，这表明在不同静水位条件下，方案2上下游边坡的整体稳定性优于方案1的。
图8、图9分别给出了无降雨时方案1、方案2水位上升和水位下降时上下游边坡的安全系数变化情况。由于方案1与方案2安全系数变化规律较为相似，因此仅针对方案1安全系数变化进行分析。水位上升时，上游坡安全系数先快速上升后趋于稳定;下游坡安全系数整体变化较小，局部先减小后缓慢增大较小幅度，最终趋于稳定。水位下降时，上游坡安全系数先快速减小后趋于稳定;下游坡安全系数整体变化较小，局部先增大后缓慢趋于稳定。无论是水位上升还是水位下降工况，水位变动速率越大，则上下游坡安全系数趋于稳定的时间越提前。
5.2 水位变动与降雨共同作用分析
考虑当下游水位处于较高状态时，降雨对下游边坡安全系数的影响规律不明显，故仅针对方案2在下游水位处于456.41 m时进行降雨及水位波动共同作用下的围堰边坡稳定分析。图10和图11分别给出了方案2水位上升和下降与降雨共同作用下上下游边坡的安全系数变化情况。图10 优化后水位上升（下游水位456.41 m）与降雨作用下安全系数变化情况
降雨持续时间为5 d时，图10（a）和图11（a）表明无论是在水位上升阶段还是在水位下降阶段，降雨对围堰上游边坡的安全系数基本没有影响。对比图10（b）和图11（b）可知，无论是在水位上升阶段还是在水位下降阶段，降雨都会降低下游边坡的安全系数，且降雨强度越大，安全系数越小，这表明在施工过程中，当下游水位处于较低状态时，要重视降雨对围堰下游边坡稳定性的影响。
6 结 论
（1）方案2按土石过水围堰剖面设计后，整体上可显著节省基坑排水、开挖和填筑时间，也为后期围堰运行和基坑施工节省投资和时间。
（2）方案2较方案1防渗墙前移，圍堰下部存在高于下游水位的黏土区，整体而言，方案2上下游防渗效果均比方案1的更具针对性，且阻渗效果更好。
（3）在不同静水位条件下，方案2上下游边坡的安全系数整体上大于方案1的，且满足规范要求，其整体稳定性优于方案1的。
（4）对于无降雨工况，在水位上升时，围堰上游坡安全系数先快速增大后趋于稳定;下游坡安全系数整体变化较小，局部先减小后缓慢增大较小幅度，最终趋于稳定。水位下降时，上游坡安全系数先快速减小后趋于稳定;下游坡安全系数整体变化也较小，局部先增大后缓慢趋于稳定。无论是水位上升还是水位下降，水位变动速率越大，则上下游坡安全系数趋于稳定的时间越提前。
（5）无论水位上升还是下降，降雨对围堰上游边坡安全系数基本没有影响，但降雨会减小下游边坡安全系数，且降雨强度越大，安全系数越小，这表明在施工过程中，要十分重视降雨对下游边坡稳定性的影响，做好围堰日常风险管理。
参考文献：
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[22] 陶桂兰，陈洁.考虑流固耦合的水位降雨共同作用下荆江岸坡应力位移场分析[J].水电能源科学，2019，37（4）：122-126.
【责任编辑 张华岩】
关键词：土石围堰;渗流特性;稳定分析;断面优选;降雨
中图分类号：TV551.3 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.025
引用格式：刁海鹏，侍克斌，白现军，等.考虑渗流应力耦合效应土石围堰断面方案研究[J].人民黄河，2021，43（7）：130-136.
Abstract： For studying the cofferdam under rainfall and water level changes of seepage characteristics and the slope stability， taking earth-rock cofferdam downstream of Azad PatanHydroelectric Power Station as an example， it compared two different cofferdam section designs and considered the actual conditions in dry season and flood season on the basic of principle of unsaturated seepage flow in two kinds of cofferdam seepage flow stress coupling conditions confronted with water level fluctuation and rainfall seepage and slope stability conditions for finite element simulation. The results show that a） the anti-seepage effect of the upstream and downstream slopes of the scheme 2 is more targeted than that of the scheme 1 and the seepage characteristics and seepage prevention effect of the cofferdam are better; b） under different static water levels， the overall safety factor of the upstream and downstream slopes of the scheme 2 is greater than that of the scheme 1 and meets the requirements of the specification; c） when the water level fluctuates， whether it is rising or falling， rainfall has basically no effect on the safety factor of the upstream slope of the cofferdam， while rainfall will reduce the safety factor of the downstream slope， the greater the rainfall intensity， the smaller the safety factor.
Key words： earth and stone cofferdam; seepage characteristic; stability analysis; optimum selection of section; rainfall
1 引 言
水利水电工程中施工导流围堰一般可分为土石围堰和混凝土（浆砌石）围堰，其中土石围堰作为施工导流时的一种临时性挡水建筑物，通过临时性拦挡河水为永久建筑物的施工创造干地条件，在工程设计和施工中其渗流及邊坡稳定问题一直受到重点关注[1-2]。在水利工程施工过程中，围堰往往要遭遇汛期及枯水期两个阶段，此时围堰临水坡在水库泄水或基坑排水等情况下会面临水位急速升降的情况，而影响围堰渗流及稳定安全的因素十分复杂[3-4]，研究表明水位变动与降雨是导致土石边坡失稳的重要诱因[5-6]，水位的变动及极端天气[7-8]如强降雨可能会导致堰身产生一些病险问题，如边坡失稳[9-10]、渗透破坏[11-12]等，进而使围堰失事，威胁永久建筑物安全，影响施工进度[13-14]。因此，有必要对土石围堰的渗流及稳定特性进行研究。
对于库水位变动、降雨及相应的渗流稳定分析，国内外学者开展了大量的研究工作。史尧等[15]通过建立围堰渗流及边坡稳定分析模型，探讨了深井降水对围堰渗流及边坡稳定的影响，但其未考虑流固耦合影响。刘聪聪等[16]运用波浪数学模型分析了强浪环境下围堰工程附近波浪、水流作用对排水龙口泄水能力及结构稳定的影响。齐强等[11]针对某过水围堰设计进行了渗流和边坡稳定安全性分析，但其分析主要针对稳态工况。赵欢等[17]选择不同的基坑抽水速度对某围堰渗流场进行有限元模拟，采用非线性强度参数分析了围堰边坡的稳定性，但其未考虑降雨的影响。目前，既有研究对土石围堰的分析较少考虑水位变动和降雨的共同影响，且较少考虑渗流场和应力场的耦合作用。Li等[18]对风暴潮冲击下软土地基围堰的渗流应力耦合特性进行了研究，建立了潮汐变化、涌浪、土体强度退化、渗流影响等多因素耦合的数值模型。郁舒阳等[19]基于Fredlund & Xing参数分析了不同降雨类型对边坡渗透稳定性的影响。目前关于水位变动（包括上升和下降）、不同库水位变动速率、不同强度降雨等多因素影响下围堰渗流和边坡稳定耦合的分析研究较少，且对于围堰渗流场和应力场的耦合作用仍然有待进一步研究，同时围堰安全性对于确保施工进度及工程安全十分重要，因此有必要对水位变动与不同强度降雨共同作用下土石围堰堰身渗流特性及稳定性问题进行研究。 本研究以阿扎德帕坦水电站下游土石围堰为例，对比两种不同围堰剖面设计方案，考虑枯水期及汛期实际工况，对围堰在渗流应力耦合状态下遭遇水位变动和短历时强降雨时的渗流和边坡稳定性进行有限元分析，针对不同水位变动速率+不同降雨强度下的围堰渗流特性及稳定特性进行分析，以期揭示水位变动+不同强度降雨对土石围堰上下游边坡稳定性的影响规律，为土石围堰在复杂工况下的运行管理提供参考依据。
2 计算理论
2.1 饱和-非饱和渗流理论
基于非饱和土达西定律及多孔介质渗流连续方程，可以得到以压力水头表示的饱和-非饱和微分方程[20]为
式中：ksij为饱和渗透张量，m/s;kr为相对透水率，Lu;hc为压力水头，m;Q为源汇项;C（hc）为容水度;n为孔隙率;θ为体积含水量，在非饱和区为0，在饱和区为1;Ss为单位贮水量，kg·m-2·s-2;xi、xj为坐标分量;t为时间。
2.2 边坡稳定理论
土石坝边坡稳定分析采用极限平衡法中的Morgenstern-price方法[21]，使用Morgenstern-price方法可以很好地反映土条间的相互作用力，而不需要进行任何简化。
式中：c′为有效黏聚力，Pa;φ′为有效摩擦角，（°）;μ为孔隙水压力，Pa;N为条块底部法向力，N;W为单位宽度下条块的自重，kN/m;D为线荷载，kN/m;α为土体底部倾斜角;β、R、x、f、d、ω均为几何参数。
2.3 耦合计算理论
耦合渗流场影响下的应力场与应力场影响下的渗流场计算方程[22]为
式中：K为土体整体刚度矩阵;Δδ为位移增量;ΔF为自重等外荷引起的节点荷载增量;ΔFs为渗流场重分布引起的渗流体积力的节点荷载增量;k为土体渗透系数，与应力场σij重分布导致的孔隙比变化有关;H为水头分布函数;h为渗流场的水头分布函数。
渗流场对应力场的影响主要是渗流场的重分布引起渗流体积力变化，进而影响应力场，应力场对渗流场的影响主要是应力场重分布导致孔隙比变化，进而影响渗流场。
3 工程概况
3.1 电站基本概况
阿扎德帕坦（Azad Pattan）水电站位于巴基斯坦巴控克什米爾地区的吉拉姆（Jhelum）河上阿扎德帕坦大桥上游附近，距离首都伊斯兰堡约90 km。电站主体工程拦河坝是碾压混凝土重力坝，为2级建筑物，轴线采用曲线布置，坝顶长264 m，坝顶高程为536 m，最大坝高103 m。电站为坝后式水电站，水库总库容1.47亿m3，工程主要建筑物有碾压混凝土挡水坝、进水口、引水压力钢管隧洞、地下厂房、尾水隧洞及地面开关站等。
下游围堰采用土石围堰，布置在主坝轴线下游约350 m处。坝址处10 a一遇洪峰流量为1 616 m3/s，相应下游围堰处水位462.18 m。波浪爬高和安全超高合计为1.32 m，下游围堰顶高程463.50 m。
3.2 导流方式及导流程序
考虑该水电站工程的施工工期、发电任务并综合比较基坑清理、围堰工程的差异及导流建筑物工程造价，该工程采用围堰拦断河床、隧洞导流。前期导流阶段采用枯水期围堰挡水，导流洞过水，汛期基坑过水，大坝枯水期施工导流方案;后期坝体施工高度超过围堰时，临时度汛利用坝体缺口+导流洞或者坝体永久底孔+表孔+导流洞过水，大坝可在汛期继续施工。导流程序分为8个阶段，施工程序及进度安排见图1。
3.3 围堰方案
水电站主体工程下游围堰级别为4级，为过水土石围堰，堰顶长65 m。现对两种剖面方案进行优选：方案1结构较为简单，围堰上游边坡（背水坡）为1∶1.50，下游边坡（迎水坡）为1∶1.75，迎水坡采用厚0.5 m的块石护坡，围堰堰身和下部基础采用高喷防渗墙。方案2结构较复杂，相比于方案1剖面，防渗墙前移，围堰顶部采用厚40 cm、C20W6F100的混凝土板，防止在过流时对其造成严重冲刷;围堰迎水面上游坡采用500 mm×500 mm×1 500 mm的钢筋石笼叠压的方式，钢筋石笼具有良好的透水性，无论围堰挡水还是过水，都能很好地防止水流对围堰淘刷，而叠压的方式进一步增强了钢筋石笼的整体稳定性;下游边坡坡脚采用铅丝笼的防护方式，利用其自排水性，很好地防止坡脚内部细颗粒因被水流带走而造成围堰边坡失稳，内部增加了黏土防渗区。方案2防渗性能针对性强，且局部稳定加固措施均优于方案1，方案1与方案2的剖面见图2。在导流程序第三阶段，下游围堰可能会发生水毁，若水毁则需要在第3年10月—第4年2月对下游围堰进行重修。为了进一步验证选取土石围堰断面的合理性，确保围堰过流时的安全性，防止围堰在导流阶段水毁，同时保证施工导流正常进行，为大坝施工争取更多时间，现对方案1与方案2开展有限元模拟，进行方案比选。
4 数值模拟
4.1 模型及边界条件
为研究短历时强降雨及水位变动对土石围堰边坡渗流和稳定性的影响，考虑不同的降雨强度、不同水位及不同水位变动速率，根据工程设计图纸，对土石围堰方案1与方案2进行有限元模拟。假定堰体破坏服从摩尔-库仑准则，有限元模型及边界条件示意见图3，方案1模型网格一共剖分为6 500个节点、6 311个单元，方案2模型网格一共剖分为6 712个节点、6 535个单元。
4.2 计算参数及工况选取
根据该水库工程地层结构及其工程勘察报告，围堰材料土水特征曲线见图4，其边坡岩土体材料分区及主要物理力学指标参数值见表1。
根据坝址上游水文站气象资料，多年平均降水量1 404.1 mm，最大年降水量2 186.9 mm（2006年），最小年降水量924.3 mm（2009年）。降水量年内分配以7月、8月最大，分别为282.9、210.1 mm，基于现场水文气象及水位监测资料，有限元模拟中考虑短历时强降雨工况，降雨强度分别取0、30、50 mm/d，降雨持续时间为0～5 d，第5天后停止，有限元模型计算时间选为30 d。鉴于汛期下游土石围堰过流，为对比方案1与方案2，简化其汛期最高水位为463.50 m即围堰顶高程，上游基坑截流后对应的下游水位为456.41 m且保持不变，枯水期上游基坑无水，有限元模拟计算工况见表2。 5 结果分析
5.1 静水位稳态分析
不同上游静水位条件下围堰堰身孔压等值线分布如图5～图7所示。由图5可知，在枯水期即上游基坑无水时，围堰下游坡挡水，此时与方案1相比，方案2上游孔隙水压力整体上小于方案1的，且方案2下游存在黏土区，对坡外水头有降低作用，下游堰体孔压整体亦小于方案1的。图6、图7表明，当基坑内有水即围堰处于汛期工作状态时，方案2防渗墙位置前移，且下游存在黏土区。从围堰孔隙水压力云图可知，方案2的
土体孔隙水压力整体上小于方案1的，对于上游阻渗效果而言，由于方案2防渗墙前移，因此其阻渗效果优于方案1的;对于下游阻渗效果而言，由于黏土区起到了一定的阻渗效果，因此围堰下游整体孔压小于方案1的。整体比较说明，方案2对于上下游防渗比方案1更具针对性，且方案2阻渗效果更好，围堰非饱和区域比方案1的大，故土体的基质吸力大，有利于土体稳定，从侧面也表明在渗流特性方面，方案2的土体所处状态优于方案1的。
不同静水位下围堰上下游边坡安全系数见表3，对于围堰上下游坡，在不同水位条件下方案2边坡安全系数始终高于方案1的，这表明在不同静水位条件下，方案2上下游边坡的整体稳定性优于方案1的。
图8、图9分别给出了无降雨时方案1、方案2水位上升和水位下降时上下游边坡的安全系数变化情况。由于方案1与方案2安全系数变化规律较为相似，因此仅针对方案1安全系数变化进行分析。水位上升时，上游坡安全系数先快速上升后趋于稳定;下游坡安全系数整体变化较小，局部先减小后缓慢增大较小幅度，最终趋于稳定。水位下降时，上游坡安全系数先快速减小后趋于稳定;下游坡安全系数整体变化较小，局部先增大后缓慢趋于稳定。无论是水位上升还是水位下降工况，水位变动速率越大，则上下游坡安全系数趋于稳定的时间越提前。
5.2 水位变动与降雨共同作用分析
考虑当下游水位处于较高状态时，降雨对下游边坡安全系数的影响规律不明显，故仅针对方案2在下游水位处于456.41 m时进行降雨及水位波动共同作用下的围堰边坡稳定分析。图10和图11分别给出了方案2水位上升和下降与降雨共同作用下上下游边坡的安全系数变化情况。图10 优化后水位上升（下游水位456.41 m）与降雨作用下安全系数变化情况
降雨持续时间为5 d时，图10（a）和图11（a）表明无论是在水位上升阶段还是在水位下降阶段，降雨对围堰上游边坡的安全系数基本没有影响。对比图10（b）和图11（b）可知，无论是在水位上升阶段还是在水位下降阶段，降雨都会降低下游边坡的安全系数，且降雨强度越大，安全系数越小，这表明在施工过程中，当下游水位处于较低状态时，要重视降雨对围堰下游边坡稳定性的影响。
6 结 论
（1）方案2按土石过水围堰剖面设计后，整体上可显著节省基坑排水、开挖和填筑时间，也为后期围堰运行和基坑施工节省投资和时间。
（2）方案2较方案1防渗墙前移，圍堰下部存在高于下游水位的黏土区，整体而言，方案2上下游防渗效果均比方案1的更具针对性，且阻渗效果更好。
（3）在不同静水位条件下，方案2上下游边坡的安全系数整体上大于方案1的，且满足规范要求，其整体稳定性优于方案1的。
（4）对于无降雨工况，在水位上升时，围堰上游坡安全系数先快速增大后趋于稳定;下游坡安全系数整体变化较小，局部先减小后缓慢增大较小幅度，最终趋于稳定。水位下降时，上游坡安全系数先快速减小后趋于稳定;下游坡安全系数整体变化也较小，局部先增大后缓慢趋于稳定。无论是水位上升还是水位下降，水位变动速率越大，则上下游坡安全系数趋于稳定的时间越提前。
（5）无论水位上升还是下降，降雨对围堰上游边坡安全系数基本没有影响，但降雨会减小下游边坡安全系数，且降雨强度越大，安全系数越小，这表明在施工过程中，要十分重视降雨对下游边坡稳定性的影响，做好围堰日常风险管理。
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