張廣濤

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，太原030024）

1 工程概況

山西省萬家寨引黃工程聯(lián)接段備用水源呼延調(diào)蓄工程位于太原市呼延村西崛山圍山下的好李子溝內(nèi)，北臨呼延村通往崛山圍山旅游區(qū)的公路，南連7號隧洞出口工程區(qū)，東接呼延村至7號隧洞出口引黃專用公路，距7號隧洞出口輸水箱涵不足200m。

呼延調(diào)蓄工程是萬家寨引黃工程的配套工程，其任務(wù)是當(dāng)引黃連接段輸水系統(tǒng)因故障或設(shè)備檢修不能正常供水時(shí)，作為近期備用水源向太原市呼延水廠供水。呼延調(diào)蓄工程的主要建筑物包括調(diào)蓄池、連接7 號隧洞出口疏水箱涵與調(diào)蓄池的進(jìn)水線路、從調(diào)蓄池至連接段尾部消力池的出水線路及進(jìn)場公路4 部分。聯(lián)接段備用水源呼延調(diào)蓄工程調(diào)蓄池大壩采用非土質(zhì)材料防滲體壩，最大壩高34m，總?cè)莘e200 萬m3。

山西省萬家寨引黃工程聯(lián)接段主體工程為Ⅱ等工程，呼延調(diào)蓄工程是其主要的配套工程，按照SL252—2000 《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，經(jīng)綜合考慮，確定呼延調(diào)蓄工程為Ⅲ等，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。

2 壩軸線、壩型的選擇

2.1 壩軸線

調(diào)蓄池位于太原市呼延村西與聯(lián)接段7號隧洞出口之間好李子溝內(nèi)，地貌上屬于山前黃土丘陵區(qū)，東鄰沖洪積黃土坡。地面高程878～935m，整體上西高東低。好李子溝由兩條沖溝交匯而成，在平面上呈“Y”字型展布，交匯后走向?yàn)镋，兩條沖溝均呈不對稱“V”字型，南部溝的南岸和北部溝的北岸岸坡較陡，兩溝之間黃土梁坡度較緩。壩址地段即兩溝交匯處下游50m處為引黃聯(lián)接段7號隧洞開挖時(shí)的棄渣場，為一大平臺。

要實(shí)現(xiàn)已建7號隧洞出口箱涵自流入池和池內(nèi)蓄水自流入呼延水廠，其相對高程關(guān)系及好李子溝地形決定了調(diào)蓄池的工程位置。

呼延調(diào)蓄池工程區(qū)地勢西高東低，東邊筑壩西邊開挖，池盆系挖填而成?？邕^調(diào)蓄池北岸坡后為呼延村通往崛山圍山旅游區(qū)的公路，東接呼延村至7號隧洞出口引黃專用公路，公路以東地形高程急劇下降，所以其地形條件和這兩條公路的位置使得壩軸線的選擇具有唯一性。

2.2 壩型比較

呼延調(diào)蓄池位于邊山黃土沖溝區(qū)，壩址區(qū)為深厚的第四系松散沉積物覆蓋，地質(zhì)勘察結(jié)果表明，調(diào)蓄池工程區(qū)覆蓋層土料可作為壩體填筑土料，因此選擇當(dāng)?shù)夭牧蠅屋^為適宜。

若修筑堆石壩或其他壩型，一方面需開辟新的石料場；另一方面，本工程池盆開挖出的大量土方又要棄掉，無形中加大了棄渣量，使工程投資增大；若修筑土壩，從壩基工程地質(zhì)條件看，工程區(qū)土料豐富，且經(jīng)地質(zhì)勘察、巖土實(shí)驗(yàn)證明，西部岸坡開挖出的低液限黏土可以直接上壩，加之本工程為調(diào)蓄水池，不存在溢洪、施工導(dǎo)流等建筑物布置問題，而且土壩具有壩基地質(zhì)條件要求較低、便于組織機(jī)械化快速施工、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)，無論從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上均有明顯優(yōu)勢，故不再對其他壩型進(jìn)行比較。

3 壩體及壩坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 大壩滲流計(jì)算及滲流穩(wěn)定性分析

大壩滲流計(jì)算的目的是為了進(jìn)行大壩滲透穩(wěn)定分析，并為壩坡穩(wěn)定計(jì)算提供滲流場?；诒竟こ滩捎脧?fù)合土工膜防滲體壩，如果施工質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求，復(fù)合土工膜以其優(yōu)良的防滲透性能，在膜后不能形成穩(wěn)定的滲流，故滲流計(jì)算僅對壩坡穩(wěn)定計(jì)算提供參考。

3.2 壩體抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

3.2.1 計(jì)算工況

依據(jù)SL274—2001 《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，結(jié)合本調(diào)蓄池工程的運(yùn)行特點(diǎn)，大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)考慮以下4種工況：

工況1：施工期，主要核算上、下游壩坡；

工況2：聯(lián)接段線路正常供水至呼延水廠，呼延調(diào)蓄池維持正常蓄水位897.7m的工況，主要核算上、下游壩坡；

工況3：聯(lián)接段線路處于事故檢修期，需利用呼延調(diào)蓄池的蓄水向呼延水廠不間斷供水的工況，主要核算水位降落時(shí)的上游壩坡；

工況4：調(diào)蓄池正常蓄水位（897.7m）遭遇地震時(shí)的上、下游壩坡。

3.2.2 計(jì)算公式

呼延調(diào)蓄池大壩為均質(zhì)壩，抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用北京理正軟件開發(fā)公司編制的《穩(wěn)定計(jì)算分析軟件》（3.4版），計(jì)算方法采用計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普（Simplified Bishop）法。

（1）斷面選擇具有代表性的斷面，采用主壩最大壩高斷面。

（2）參數(shù)采用土工實(shí)驗(yàn)成果并結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，具體數(shù)值如表1。

表1 壩體填土抗剪強(qiáng)度應(yīng)力指標(biāo)

（3）地震烈度取用8°。

（4）土體的抗剪強(qiáng)度，均采用有效應(yīng)力法。

工況1公式為：

工況2、工況3、工況4公式為：

式中 l為單個(gè)土條的滑動(dòng)面長度（m）；b為條塊寬度（m）；W為條塊實(shí)重（kN），W=W1+W2+γwZb；W1為在壩坡外水位以上的條塊實(shí)重（kN）；W2為在壩坡外水位以下的條塊浮重（kN）；Z為壩坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離（m）；u為穩(wěn)定滲流期或調(diào)蓄池水位降落期壩體或地基中的孔隙壓力（kPa）；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角（°）；γw為水的重度（kN/m3）；mθ為坡度。

3.2.3 抗剪強(qiáng)度及抗滑穩(wěn)定系數(shù)

壩體填土的抗剪強(qiáng)度應(yīng)力指標(biāo)如表1，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果

呼延調(diào)蓄池大壩為3級建筑物，依據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用簡化畢肖普法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，正常運(yùn)用條件即穩(wěn)定滲流期壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.30，非常運(yùn)用條件Ⅰ即施工期、檢修期水位下降的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.20，非常運(yùn)用條件Ⅱ即正常蓄水位與地震組合的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.15。計(jì)算結(jié)果表明，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到規(guī)范要求。另經(jīng)核算，當(dāng)土工膜失效，在調(diào)蓄池供水的水位降落期壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足要求，說明為達(dá)到壩體有效防滲的目的，確保土工膜施工質(zhì)量是至關(guān)重要的。

3.3 大壩沉降計(jì)算

大壩沉降計(jì)算采用SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄E分層總和法，計(jì)算斷面選取最大壩高斷面。

黏性土壩體和壩基竣工時(shí)的沉降量和最終沉降量按式（3）計(jì)算：

式中 St為竣工時(shí)或最終的壩體和壩基總沉降量；ei0為第i層的起始孔隙比；eit為第i層相應(yīng)于竣工時(shí)或最終的豎向有效應(yīng)力作用下的孔隙比；hi為第i層土層厚度；n為土層分層數(shù)。

沉降計(jì)算中壩體土的壓縮特性指標(biāo)系土料場擊實(shí)后壓縮試驗(yàn)成果提供的。

經(jīng)計(jì)算，大壩壩頂最大沉降值41cm，約為壩高的1.2%，根據(jù)已建類似工程經(jīng)驗(yàn)，大部分均質(zhì)土壩的沉降率大于壩高的0.7%。綜合考慮上述因素和工程具體情況，確定壩頂最大預(yù)留超高為45cm，約為壩高的1.3%，即壩頂填筑高程為900.25m。

壩頂預(yù)留超高沿壩軸線分布，大致隨壩高變化而變化。在主壩0+370壩段壩頂填筑高程為900.1m，向左右壩頭逐漸降低到設(shè)計(jì)高程899.8m。

副壩可預(yù)留超高10cm，即壩頂填筑高程為899.9m，向左右壩頭逐漸降低到設(shè)計(jì)高程899.8m。

3.4 土工膜防滲體的穩(wěn)定性分析

壩坡上游面護(hù)坡由上至下分為護(hù)坡干砌石、碎石、砂墊層、土工膜（兩布一膜）、砂墊層。穩(wěn)定性驗(yàn)算，僅針對防護(hù)層與上墊層與土工膜之間的抗滑穩(wěn)定，驗(yàn)算的最不利工況為調(diào)蓄池水位正常下降。

計(jì)算方法采用極限平衡法，土工膜上保護(hù)層透水性良好，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：

式中 δ為上墊層土料與土工膜之間的摩擦角；α為壩坡與水平面的夾角，壩坡1∶3，故α為18.4°。

上墊層土料與土工膜之間的摩擦角δ可采用上墊層土料內(nèi)摩擦角的2/3，上墊層土料內(nèi)摩擦角為37°，則取δ為25°。

計(jì)算結(jié)果F=1.40>1.20，故滿足抗滑穩(wěn)定。

4 結(jié)語

（1）抗滑穩(wěn)定性分析目的是核算壩體沿壩基面或沿地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定的安全度。當(dāng)岸坡壩段地形陡峻時(shí)，還需核算這些壩段在三向載荷作用下的抗滑穩(wěn)定性。

（2）壩體滑動(dòng)失穩(wěn)3種模式為沿壩基平面滑動(dòng)和沿地在中緩傾角斷層或軟弱夾層滑動(dòng)，本工程采用單一的安全系數(shù)法計(jì)算抗剪強(qiáng)度，不考慮凝聚力，偏于安全，凝聚力作為安全儲備，所以規(guī)定的安全系數(shù)較低。正確選定抗剪斷參數(shù)是抗剪斷公式計(jì)算精度的關(guān)鍵因素。

（3）依據(jù)工程實(shí)踐提高壩體抗滑穩(wěn)定性可采取以下措施：①選好壩基，以微風(fēng)化、新鮮，產(chǎn)狀以傾向上游為佳，若壩基巖石質(zhì)量不理想，要進(jìn)行地基處理，使其承載力及應(yīng)變滿足規(guī)范要求；②壩體橫截面抗滑穩(wěn)定計(jì)算，安全系數(shù)要滿足規(guī)范要求，如僅為提高壩體的抗滑穩(wěn)定性，可把截面做大一些，這樣壩體就重，相應(yīng)的抗滑力就大，抗滑力由壩體自重和壩體混凝土與壩基的摩阻力、黏結(jié)力構(gòu)成；③要確保壩基處理、混凝土的施工質(zhì)量。

［1］山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.山西省萬家寨引黃工程聯(lián)接段備用水源呼延調(diào)蓄工程可行性研究報(bào)告［R］.

［2］山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.山西省萬家寨引黃工程聯(lián)接段備用水源呼延調(diào)蓄工程初步設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察專題報(bào)告［R］.

［3］梁桂萍.呼延調(diào)蓄工程的工程選址與方案比選［J］.山西水利科技，2006（3）.

［4］劉文濤.連接段備用水源呼延調(diào)蓄工程調(diào)蓄池的防滲設(shè)計(jì)［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007（17）.

［5］SL252—2000，水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］SL274—2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.