楊 礫

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001）

均質(zhì)土壩作為一種當?shù)夭牧蠅?，在水利工程中得到了非常廣泛的應用。本文結(jié)合亭口水庫工程，在均質(zhì)土壩設(shè)計中，針對其特殊的運行方式——汛期低水位排沙（水庫水位驟降），提出了一種新型設(shè)計方案：壓坡均質(zhì)壩，與均質(zhì)土壩進行設(shè)計比較，分析壓坡均質(zhì)壩的優(yōu)越性。

1 工程概況

亭口水庫工程位于咸陽市長武縣境內(nèi)的涇河一級支流黑河干流下游，是陜西省在建的重點水庫工程之一，為大（二）型Ⅱ等工程，水庫正常蓄水位893.0m，校核洪水位896.67m，總庫容2.47億m3，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。本工程河流為多泥沙河流，多年平均流量為7.37m3/s，平均含沙量為49.7kg/m3，年平均懸移質(zhì)輸沙量為1378萬t。流域具有水沙關(guān)系協(xié)調(diào)、年際變化大、年內(nèi)分配不均、河流泥沙主要為懸移質(zhì)的特點。根據(jù)水沙調(diào)節(jié)數(shù)模分析計算成果，為保證水庫長期運用的調(diào)節(jié)庫容，水庫確定的運用方式為汛期降低水位或敞泄排沙，汛期庫水位驟降范圍為正常蓄水位893m至排沙最低水位859m。

2 壩型設(shè)計

由于本水庫沖沙運行特點，運行期間經(jīng)常出現(xiàn)較大幅度水位變化或水位快速降落，很容易引起上游壩坡失穩(wěn)。為滿足驟降期的穩(wěn)定性要求，上游壩坡需設(shè)計很緩，但上游壩坡越緩，壩體排水條件越不利，形成的飽和土體范圍就越大，將引起對壩坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響的更大的滲透水壓力。因為均質(zhì)土壩上游壩坡很緩，導致壩體斷面增大很多，大幅度增加工程投資，且施工工期延長。根據(jù)以上情況，設(shè)計經(jīng)過分析，在壩體上游采用透水性好的壩殼材料，水位變幅對滑坡穩(wěn)定的影響較小，以適應大幅驟降的庫水位。結(jié)合地質(zhì)勘查結(jié)果，當?shù)赜羞m宜做壩殼料的砂礫石，故對均質(zhì)土壩上游坡進行砂礫料壓坡處理，為壓坡均質(zhì)壩。

大壩設(shè)計壩頂高程897.0m，壩頂寬7m，最大壩高49.0m，壩頂長476.2m，壩底寬度258.5m；上游壩坡分為4級，坡比分別為1∶2.5、1∶3.0、1∶3.5 和 1∶2.0，在高程885m、873m處各設(shè)寬2m的馬道，在高程861m處設(shè)置寬5m的馬道，下游壩坡自排水棱體以上坡比均為1∶2.2，在高程885.0m和872.5m處設(shè)寬2.0m的馬道，排水棱體頂高程860.5m，頂寬3m，下游坡比為1∶1.5。

大壩上游區(qū)為砂礫石區(qū)，中部為土料填筑區(qū)，下游區(qū)為石渣填筑區(qū)。砂礫石區(qū)由861m高程分為兩部分，861m高程以上的砂礫石料要求較強的透水性，設(shè)計要求的壓實后的相對密度為 0.7＜Dr＜0.75，861m 高程以下不受庫水位變化影響，要求提高壩料的強度，設(shè)計要求的壓實后的相對密度為Dr＞0.80 ；土料填筑區(qū)上游坡比為 1∶1.35，下游坡比為1∶1.8，頂部厚度3m；土料填筑區(qū)與上游砂礫石區(qū)之間設(shè)置兩層反濾，砂反濾層水平厚度0.5m，礫石反濾層水平厚度1m；土料填筑區(qū)與下游石渣填筑區(qū)之間設(shè)置一層水平寬度3m的過渡層，采用壩基開挖的砂礫石料填筑；下游壩基設(shè)兩層反濾層，砂反濾層厚度0.4m，礫石反濾層厚度0.6m。壩體典型斷面見圖1所示。

圖1 壓坡均質(zhì)壩壩體典型斷面

表1 計算參數(shù)表

圖2 壓坡均質(zhì)壩方案庫浸潤線圖

圖3 壓坡壩方案水位驟降上游穩(wěn)定計算結(jié)果

3 壓坡均質(zhì)壩計算分析

3.1 滲流計算

3.1.1 計算工況與計算參數(shù)

本文采用的計算工況：①上游正常蓄水位與下游相應的最低水位；②庫水位降落時上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。

水庫大壩滲流計算按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）相關(guān)的計算原理和有關(guān)規(guī)定，采用南京水利水電科學研究院編制的《二維滲流有限元計算程序UNSST2》進行計算。滲流計算參數(shù)見表1。

庫存水位降落期由正常蓄水位降至859m高程進行計算，滲透系數(shù)取土料的小值平均值。

3.1.2 計算結(jié)果

由于洪水過程歷時較短，不能形成穩(wěn)定滲流，因此僅繪出正常蓄水位及庫水位驟降時的壩體等勢線圖，見圖2。

壓坡均質(zhì)壩滲透坡降計算成果表明：壓坡壩砂礫石區(qū)滲透性較好，浸潤線雖不與庫水位同步降落，其下降幅度較均質(zhì)土壩方案大得多，這對于減少壩體下滑力、降低孔隙水壓力有很好的作用，對壩坡穩(wěn)定明顯有利。

3.2 穩(wěn)定計算

3.2.1 計算工況與計算參數(shù)

本文穩(wěn)定計算工況：①穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡；②水庫水位降落期的上游壩坡。

計算程序采用中國水利科學院陳祖煜院士開發(fā)的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB》，壩坡穩(wěn)定計算采用的材料力學指標見表1。

穩(wěn)定滲流期計算方法采用畢肖普法的有效應力法，土料強度指標采用固結(jié)不排水剪有效應力指標。水庫水位降落期壩體土料填筑區(qū)浸潤線降落非常緩慢，由于計算過程中孔隙水壓力的消散過程很難確定，因此采用總應力法計算結(jié)果進行控制。

3.2.2 計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，正常蓄水位工況下上游坡最小安全系數(shù)為2.280；水位驟降工況下上游坡最小安全系數(shù)為1.358，均大于允許最小值，滿足規(guī)范要求。圖3為壓坡壩方案水位驟降上游穩(wěn)定計算結(jié)果圖。

4 結(jié)論

本文重點通過對壓坡均質(zhì)壩在水位驟降情況下的設(shè)計分析表明：水位驟降情況作為正常運用工況時，壓坡壩壩體內(nèi)浸潤線在水位驟降前后的變化情況與均質(zhì)土壩方案存在較大的差異，后者土體內(nèi)的浸潤線變化很小，但壓坡壩砂礫石區(qū)滲透性較好，浸潤線雖不與庫水位同步降落，其下降幅度較均質(zhì)土壩方案大得多，這對于減少壩體下滑力、降低孔隙水壓力有很好的作用，對壩坡穩(wěn)定明顯有利；另外，壓坡土石壩方案縮小壩體斷面，利于工程布置，同時節(jié)省工程投資，提高安全性，是一種合理的設(shè)計優(yōu)化壩型。陜西水利

[1]陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理·方法·程序[M]，北京：中國水利水電出版社，2003.

[2]朱百里，沈珠江.計算土力學[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1990

[3]鐘啟明，霍家平.庫水位驟降對非飽和壩坡穩(wěn)定性的影響 [J].水利水電科技進展，2012.12,32（6），84～86

[4]張大偉，嚴文群.庫水位驟降時土壩上游面滲流穩(wěn)定性研究 [J].長江科學院院報，2011,28（7）:62-66.

[5]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003

[6]Dawson E M，Roth W H，Drescher A.Slope stability analysisby strength reduction[J].Geotechnique,1999；49（6）：835-840