宋丹青

（蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院甘肅蘭州730000）

兔里坪水庫(kù)加高壩型選擇

宋丹青

（蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院甘肅蘭州730000）

水利樞紐中由于地質(zhì)、施工條件等因素限制，選擇適宜的壩型會(huì)節(jié)省投資，使大壩更加穩(wěn)定安全。由于兔里坪水庫(kù)受到特殊的地質(zhì)條件影響，通過(guò)對(duì)壩體穩(wěn)定性、防滲效果、壩體邊坡穩(wěn)定性分析，結(jié)合工程布置、施工條件及工程投資等相關(guān)影響因素尋找最優(yōu)壩型，可用于相似工程借鑒。

大壩加高抗滑穩(wěn)定性滲流量邊坡

1　工程地質(zhì)

1.1區(qū)域地質(zhì)概況

水庫(kù)位于六盤山東麓涇河上游峽谷區(qū)，涇河由涇源縣流經(jīng)大陰山至崆峒山，出崆峒山以后轉(zhuǎn)向東、進(jìn)入寬闊的黃土塬、梁區(qū)流向下游的平?jīng)鍪?。工程及周圍出露地層巖性主要有二疊系、三疊系和白堊系沉積巖，以及各種稱印度第四系松散堆積物。本區(qū)位于祁呂賀蘭山字型構(gòu)造體系的脊柱——賀蘭褶帶的南段、隴西系旋卷構(gòu)造六盤山旋回褶帶的中部、伊陜盾地的西南部。水庫(kù)區(qū)位于古城～崆峒山～宋莊復(fù)向斜內(nèi)。地質(zhì)基本烈度為Ⅷ度，工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。工程區(qū)屬于侵蝕、博識(shí)褶皺石質(zhì)中山峽谷區(qū)，物理地質(zhì)現(xiàn)象表現(xiàn)為崩塌和滑坡。工程區(qū)地表水除達(dá)溪河及部分較大支溝支流有常年地表徑流外，其余多無(wú)常年地表徑流。地下水分為第四系孔隙性潛水和基巖裂隙水兩種類型。

1.2壩址區(qū)的基本工程地質(zhì)條件

1.2.1本工程地質(zhì)特征

壩址選擇時(shí)，必須了解各壩址地區(qū)的地質(zhì)情況，依據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)選擇壩址。在選擇壩址應(yīng)充分考慮地形條件，便于考慮樞紐布置及施工。壩址上游希望河谷開(kāi)闊，以便得到較大庫(kù)容，而河谷太窄可能給樞紐布置及導(dǎo)流和場(chǎng)地布置造成困難，反而不如較寬的河谷有利。

上游壩址河漫灘不發(fā)育，壩址區(qū)出露的地質(zhì)巖性有三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)群下亞群（T3yn1）陸相粗碎屑沉積巖和第四系沖洪積、坡積為主的松散堆積物。上游壩趾區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，僅表現(xiàn)為巖石的風(fēng)化、坡洪積，對(duì)工程影響很小。

下游壩址位于涇河前峽出口，河漫灘不發(fā)育，兩岸零星有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)階地呈不對(duì)稱發(fā)育，壩址區(qū)除左岸基巖裸露外，其余大部分被坡積、滑坡堆積及洪積物所覆蓋，地表植被發(fā)育。壩址區(qū)出露巖性為二疊系砂巖夾礫巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖；三疊系上統(tǒng)崆峒山群（T3yn1）的礫巖夾砂巖；第四系（Q）坡積、洪積、沖洪積等松散堆積物。壩址區(qū)巖層呈緩傾的單斜構(gòu)造，斷裂較發(fā)育，裂隙以高陡傾角的裂隙為主，緩傾角裂隙極為少見(jiàn)，各組裂隙膠結(jié)性較差。壩址區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象比較發(fā)育，主要表現(xiàn)為巖體的風(fēng)化、滑坡崩塌等。

1.2.2址工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)1

上壩址：左岸上部岸坡陡峻，基巖裸露，裂隙發(fā)育，壩肩巖體完整性較差，呈碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)。壩基基巖埋深13～23m，河床漫灘巖性為漂石、砂礫石，厚13～21m，呈灰色，漂卵礫石以礫巖為主、次為礫巖灰?guī)r，石質(zhì)堅(jiān)硬、抗風(fēng)化力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)中密。右岸坡上覆蓋坡積碎石土、厚3～10m，松散，局部基巖出露。

下壩址：崆峒水庫(kù)大壩修建運(yùn)行多年，未發(fā)生大的變形，壩基地質(zhì)條件較好，能滿足當(dāng)?shù)夭牧蠅螌?duì)壩基的要求，也適宜對(duì)大壩的培厚加高。壩基帷幕灌漿質(zhì)量較好，水庫(kù)運(yùn)行多年未見(jiàn)壩基滲漏現(xiàn)象，防滲效果比較明顯。

下壩址壩址區(qū)左岸及左壩肩巖體中斷裂發(fā)育，巖體較破碎，但為反傾向緩傾層狀巖體，邊坡整體穩(wěn)定性較好，并且水庫(kù)運(yùn)行多年未發(fā)現(xiàn)左岸岸坡不穩(wěn)定狀況，因此就左岸工程地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性分析來(lái)看，壩址左岸以及左壩肩具備加高15m的工程地質(zhì)條件，但需要結(jié)合左岸整治，采取必要的防護(hù)措施和對(duì)泄洪洞采取防滲處理。壩址右岸及右壩肩，巖體較破碎，完整性較差，特別是近地表15～30m范圍內(nèi)巖體穩(wěn)定性較差，并且局部有失穩(wěn)現(xiàn)象;壩址右岸及右壩肩具備大壩加高15m的工程地質(zhì)條件，但需要結(jié)合右岸整治，對(duì)右岸及右壩肩上部15～30m厚的巖體進(jìn)行必要的清除，對(duì)Ⅵ#滑坡體的下部進(jìn)行必要的整治，且進(jìn)行固結(jié)灌漿。

2　壩型對(duì)比和選擇

2.1壩型對(duì)比

壩型選擇是水利水電工程設(shè)計(jì)中首先需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題，其涉及到許多重要影響因素,如庫(kù)區(qū)壩址條件、工程造價(jià)、施工工期、地形條件、水利生態(tài)環(huán)境問(wèn)題、地質(zhì)條件等[1]。

下壩址方案須將現(xiàn)崆峒水庫(kù)大壩加高15m，改擴(kuò)建后興利庫(kù)容3700萬(wàn)m3，對(duì)應(yīng)正常蓄水位1537.80m，死庫(kù)容1224萬(wàn)m3，對(duì)應(yīng)死水位1501.00m。經(jīng)調(diào)洪演算后確定設(shè)計(jì)洪水位1537.90m，校核洪水位1539.50m。壩頂高程1541.00m。根據(jù)壩址處地形地質(zhì)條件及筑壩材料料源條件，初步擬定壤土心墻砂礫石壩（方案一）及混凝土面板砂礫石壩（方案二）兩個(gè)大壩加高方案進(jìn)行壩型比選。

2.1.1土心墻砂礫石壩方案（方案一）：

大壩加高采用從下游壩坡培厚加高的方式，加高部分的壩型為壤土心墻砂礫石壩，斜墻底部與原壩體心墻緊密相連。

上游加高段壩坡為1:3.0，下游壩坡培厚加高后，壩坡自上而下分別為1:2.0、1:2.0、1:2.5、1:2.8、1:2.8，各級(jí)壩坡銜接處均設(shè)有2m寬的馬道，馬道之間高差為15m。大壩上有壩坡在高程1520m以上采用漿砌石護(hù)坡，厚0.4m，高程1520m以下采用塊石護(hù)坡，厚0.4m。下游壩坡在一級(jí)馬道以上采用漿砌石護(hù)坡，厚0.4m，一級(jí)馬道以下均采用卵碎石護(hù)坡，厚0.15m。大壩加高后壩軸線向下游偏移，加高部分防滲體有心墻變?yōu)樾眽?。上、下游壩殼料仍采用砂礫石。

原壩體1516.00m以上全部挖除，心墻部分開(kāi)挖至1496.00m開(kāi)始填筑壤土斜墻。斜墻上游面邊坡1:3.0，下游面邊坡1:1.5，頂高程1539.5m，頂寬5.0m，最大寬度54m，最大高度43.5m。

在原心墻軸線下游側(cè)設(shè)置塑性混凝土防滲墻，墻厚1.0m，底部深入基巖1.0m。斜心墻上游反濾層與斜墻間設(shè)土工膜防滲，斜墻下游設(shè)置水平寬度3m的礫卵石排水體，底部與原壩體排水暗管相連，同時(shí)在壩體下游開(kāi)挖至建基面后，順延原壩體排水暗管。

2.1.2凝土面板砂礫石壩方案（方案二）

大壩加高后也采用從下游壩坡培厚加高的方式。加高部分的壩型為混凝土面板砂礫石壩。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，同時(shí)參考其他類似工程確定加高壩體上游壩坡為1:1.5,下游壩坡培厚加高后，全部為1:1.6，共六級(jí)，各級(jí)壩坡銜接處均設(shè)有寬2.0m的馬道。下游壩坡在一級(jí)馬道以上采用漿砌石護(hù)坡，厚0.4m，一級(jí)馬道以下均采用卵碎石護(hù)坡，厚0.15m。大壩加高后壩軸線向下游偏移，加高部分防滲體為混凝土面板。下游壩殼料仍采用砂礫石。

現(xiàn)將壩體1516.0m以上全部挖除，同時(shí)清除下游表層2m厚范圍內(nèi)的砂礫石壩殼料及清除壩體下游壓重平臺(tái)，在壩體心墻軸線下游側(cè)設(shè)混凝土防滲墻厚1m，防滲墻底部深入基巖1m，基巖進(jìn)行帷幕灌漿，帷幕灌漿深入弱透水(下帶)（1≦q≦3Lu）2m，防滲墻頂部與面板壩趾板相連，趾板厚0.3m，寬3m，趾板下游與壩體表面鋼筋混凝土面板相連，面板厚0.3m，從而形成整體不透水的壩體防滲體系。面板下部依次為厚0.1m的Mu10碾壓砂漿，水平寬3m的墊層料及新填筑砂礫巖石壩殼料，水平寬9m～84m。壩頂設(shè)砂礫石防凍層及混凝土路面，總厚1.5m。

2.2壩型選取分析

壩型選取對(duì)水庫(kù)安全運(yùn)行非常重要，這關(guān)系著工程投資，以及以后對(duì)下游是否存在安全隱患的一個(gè)重要因素。

2.2.1體穩(wěn)定性分析

公式為：

式中：

m—計(jì)算點(diǎn)壩坡的水平坡率；

φ—砂礫石的摩察角，

KH—水平向地震系數(shù)；

Cz—為綜合影響系數(shù)；

ai—為地震加速度分布系數(shù)。

本工程設(shè)防烈度8度，水平地震加速度為0.2g，KH=0.2，CZ=0.25，分別根據(jù)方案一和方案二進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)果如下：

方案一：

方案二：

經(jīng)計(jì)算，方案二表面滑動(dòng)最小安全系數(shù)均大于1.15，符合規(guī)范要求。

2.2.2坡壩段抗滑穩(wěn)定分析

岸坡壩段抗滑穩(wěn)定系數(shù)：

式中：

U—壩基揚(yáng)壓力；

P—上游壩面水壓力；

S—切向合力與水壓力合力。

已知壤土心墻砂礫石壩（方案一）上游加高段壩坡為1:3.0，下游壩坡培厚加高后，壩坡自上而下分別為1:2.0、1:2.0、1:2.5、1:2.8、1:2.8，壩坡較陡?；炷撩姘迳暗[石壩方案（方案二）時(shí)，上游壩坡為1:1.5,下游壩坡培厚加高后，全部為1:1.6，壩坡較緩。利用有限元進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)論：混凝土面板砂礫石壩方案（方案二）上游壩面坡度較緩，壩體整體重量大，由上式可知，當(dāng)揚(yáng)壓力U與壩基面的抗剪斷參數(shù)f和c一樣時(shí)，垂直于岸坡的合力N與滑動(dòng)面面積A越大，則岸坡壩段抗滑穩(wěn)定系數(shù)KS’越大，也即混凝土面板砂礫石壩方案（方案二）的岸坡壩段抗滑穩(wěn)定系數(shù)Ks/大于壤土心墻砂礫石壩（方案一）。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)方案二較好。

2.2.3體滲流量計(jì)算

按均勻滲流場(chǎng)分析

滲流基本方程：

壤土心墻砂礫石壩（方案一）：通過(guò)斜墻滲流分為兩部分：

所以總滲流量為：

混凝土面板砂礫石壩方案（方案二）通過(guò)壩體的滲流量：

經(jīng)過(guò)計(jì)算明顯混凝土面板砂礫石壩方案（方案二）的滲流量較小。

滲流對(duì)大壩邊坡的穩(wěn)定性有重要影響，滲流作用于介質(zhì)的力除了整體介質(zhì)周圍表面受壓力之外,還要研究骨架間孔隙水的作用。并且，因?yàn)榈乇硭?致使土的抗剪強(qiáng)度下降,影響土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。非飽和帶中,由于受到毛細(xì)管張力的影響,壓力值為負(fù),故此非飽和帶處于負(fù)壓,使顆粒間距壓密,對(duì)邊坡穩(wěn)定有利。但過(guò)大的滲流會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，特別兔里坪水庫(kù)位于黃土高原地區(qū)，土質(zhì)含有濕陷性黃土，尤其是大厚度自重濕陷性黃土，其濕陷量隨浸水時(shí)間的發(fā)展過(guò)程分為5個(gè)階段：初期平緩段、浸水陡降段、中期平緩段、停水后的陡降段和后期平緩段。在此期間若滲流量很大會(huì)在其中的某個(gè)階段發(fā)生大的塌陷，引起邊坡失穩(wěn)，導(dǎo)致潰壩。

2.2.4壩邊坡穩(wěn)定性分析

采用簡(jiǎn)化的畢肖普法評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性

簡(jiǎn)化的畢肖普法公式：

計(jì)算時(shí)，可先假定Fs=1，求出mα（或假定mα=1），再求Fs，用此Fs求新的mα及Fs，反復(fù)迭代，直至假定的Fs和算出的Fs接近為止，通常只要迭代3～4次可滿足精度要求，且迭代通?？偸鞘諗康摹?/p>

其中Qi是水平作用力也即壩體對(duì)邊坡的作用力，在其它條件不變的情況下，受到的水平推力越小，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)越大，即邊坡的穩(wěn)定性越好。所以選用混凝土面板砂礫石壩方案（方案二）時(shí)，上游壩坡為1:1.5,下游壩坡培厚加高后，全部為1:1.6，壩坡較緩，地基承載力較大，并且接觸面積較大，足以保證其穩(wěn)定性。而壤土心墻砂礫石壩（方案一）上游加高段壩坡為1:3.0，下游壩坡培厚加高后，壩坡自上而下分別為1:2.0、1:2.0、1:2.5、1:2.8、1:2.8，壩坡較陡，除地基保證一部分穩(wěn)定性外，還需要岸坡的作用力，所以方案一水平作用力較大，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較小?，F(xiàn)利用非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則的極限平衡法,滑動(dòng)弧地面的鉛直應(yīng)力利用實(shí)際的應(yīng)力與土柱重量差別較大。有限元法可以反映壩坡堆石的本構(gòu)關(guān)系,利用有限元法算出的應(yīng)力能反映壩坡堆石在非線性抗剪強(qiáng)度狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)。所以可將有限元計(jì)算的土柱重量與鉛直應(yīng)力比較,并且結(jié)合邊坡穩(wěn)定分析的特性判別非線性抗剪強(qiáng)度的極限平衡法的適應(yīng)性。又由于壩體的鉛直應(yīng)力不決定抗剪強(qiáng)度的線性與非線性,就像采用簡(jiǎn)化的畢肖普法與線性抗剪強(qiáng)度的瑞典圓弧法被應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)類似,采用簡(jiǎn)化的畢肖普法與非線性抗剪強(qiáng)度的瑞典圓弧法,但是非線性抗剪強(qiáng)度的極限平衡法容許安全系數(shù)取值還需要以后積累經(jīng)驗(yàn)。

3　小結(jié)

綜上所述，基于對(duì)兩種方案穩(wěn)定性、滲流量、壩體邊坡穩(wěn)定性三個(gè)方面的綜合分析，并且在工程布置、施工方案及工程投資等方面綜合考慮，選用混凝土面板砂礫石壩方案（方案二）。特別是在特殊地質(zhì)地區(qū)，要多提出幾套切實(shí)可行的方案，以便運(yùn)用各種方法去分析比較，從施工難易程度、工程成本、各個(gè)具體水工建筑物的具體設(shè)計(jì)必須結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件去選擇。在強(qiáng)地震區(qū)、深覆蓋層、深厚風(fēng)化層、巖溶等不良地質(zhì)條件和在高陡邊坡、河道拐彎等不良地形條件下建造高混凝土面板堆石壩，這些特殊地質(zhì)區(qū)域已經(jīng)有了較好的經(jīng)驗(yàn)和較成熟的技術(shù)，可以借鑒。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.022

TV64

B

1672-2469（2014）08-0069-04

宋丹青(1989年—)，男，在校研究生。