羅 建

（重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶400020）

1 工程概況

卡因其水庫(kù)位于卡因其河中下游低山丘陵區(qū)，位于額敏縣城東北部50km處。 卡因其水庫(kù)是以防洪減災(zāi)、人畜供水為主兼顧灌溉的攔河式水庫(kù)，水庫(kù)主要由大壩、放水涵洞、溢洪道等主要建筑物組成。 水庫(kù)正常蓄水位909.87m，最大壩高22.5m，壩頂長(zhǎng)447m，總庫(kù)容252萬(wàn)m3。

該水庫(kù)可解決1136人和20574只標(biāo)準(zhǔn)畜的飲水問(wèn)題； 同時(shí)還可增加卡因其灌區(qū)773.33hm2耕地的灌溉用水量，大壩運(yùn)行將近一年，運(yùn)行初期對(duì)大壩進(jìn)行壩頂超高復(fù)核，檢測(cè)其運(yùn)行狀況有重要意義。在大壩右岸壩軸線上游150m范圍內(nèi)岸坡坡度較陡， 約15°，且?guī)焖蛔兎^大， 岸坡土層在飽水過(guò)程可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)滑塌，此地段有泉水出溢，距壩軸線較近，地下水與庫(kù)水存在水力聯(lián)系， 對(duì)右岸岸內(nèi)防滲體存在長(zhǎng)期滲流作用，可能造成壩體的滲透破壞，因此需對(duì)大壩進(jìn)行滲流計(jì)算及穩(wěn)定性分析［1］。

2 壩頂超高復(fù)核

對(duì)壩頂高程按照以下4種工況進(jìn)行復(fù)核：

工況①：正常蓄水位+水庫(kù)正常運(yùn)用條件下的壩頂超高。

工況②：設(shè)計(jì)洪水位+水庫(kù)正常運(yùn)用條件下的壩頂超高。

工況③：校核洪水位+水庫(kù)非正常運(yùn)用條件下的壩頂超高。

工況④：正常蓄水位+正常工況的超高+地震。

卡因其水庫(kù)正常蓄水位909.87m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容220.0萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)洪水位910.68m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容244萬(wàn)m3；校核洪水位910.97m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容252萬(wàn)m3。 水庫(kù)正常運(yùn)用條件， 指進(jìn)行波浪爬高計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)風(fēng)速采用水庫(kù)多年平均風(fēng)速的1.5倍；水庫(kù)非常運(yùn)用條件，指進(jìn)行波浪爬高計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)風(fēng)速采用多年的最大風(fēng)速。

2.1 壩頂超高計(jì)算

壩頂超高計(jì)算公式為：

式中 y為壩頂超高 （m）；R為最大波浪在壩坡上的爬高（m）；A為安全加高，本工程大壩級(jí)別為4級(jí)，正常運(yùn)用條件A=0.5m；非常運(yùn)用條件A=0.3m。

波浪的平均波高h(yuǎn)m、 平均周期Tm及平均波長(zhǎng)Lm、波浪爬高R按式（2）計(jì)算：

2.2 參數(shù)確定

按SL189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定查得，KW=1.05。 根據(jù)氣象資料，庫(kù)區(qū)多年平均年最大風(fēng)速17m/s，有效吹程495m，正常蓄水位下水域平均水深10.50m。 卡因其水庫(kù)多年平均最大風(fēng)速14m/s，吹程（風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度）D=500m。 波浪爬高R值可由平均波高h(yuǎn)m和壩前迎水面平均水深Hm的比值進(jìn)行判斷，hm/Hm＜0.1， 則換算系數(shù)取1.8，R=1.8 Rm；Ⅳ等工程的安全超高A為：正常情況0.5m，非常情況0.3m。 坡度系數(shù)m取2.5。

2.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算壩體超高值及相應(yīng)的壩頂高程如表1。

表1 壩頂超高計(jì)算

由以上計(jì)算可看出，壩頂高程以工況②控制，本階段均質(zhì)土壩方案取防浪墻頂高程912.2m， 防浪墻高出壩頂1.0m，因而最終確定壩頂高程911.2m；防浪墻頂高程912.2m，最大壩高22.5m。

3 滲流計(jì)算

滲流計(jì)算是為了確定壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線、 等勢(shì)線及下游浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)位置，計(jì)算滲漏量，滲透坡降，判斷滲透穩(wěn)定性［2-3］。

3.1 滲漏量的計(jì)算

壩址區(qū)兩岸地層為上部粉土、 下部砂礫石的二元結(jié)構(gòu)，下伏基巖為第三系上新統(tǒng)獨(dú)山子組泥巖，兩岸粉土屬弱透水層，泥巖屬弱透水-微透水層，砂礫石屬中等透水層。 兩岸砂礫石連續(xù)分布，連通庫(kù)外，形成壩基滲漏通道，該通道為水庫(kù)滲漏的主要通道。

壩基滲漏量可采用RH卡斯基公式計(jì)算，如式（6）：

式 中 q 為 單 寬 壩 基 的 滲 漏 量m3/（d·m）；T 為 滲透層平均厚度，取4.7m；K為透水層滲透系數(shù)，取4.7×10-3cm/s（4.06m/d）；H為壩上下游水位差，取20m；a為壩基寬度之半，取值55m。

式中 Q為壩基滲漏量（m3/d）；B為壩軸線方向滲漏帶的寬度（m），取810m。

根據(jù)以上公式計(jì)算，壩基滲漏量Q=2695m3/d，按每年120d正常蓄水位計(jì)算年滲漏量為32.34萬(wàn)m3，該滲漏量占水庫(kù)庫(kù)容252萬(wàn)m3的12.8%， 需對(duì)該層進(jìn)行防滲處理。

3.2 浸潤(rùn)線的確定

本次對(duì)3種水位組合工況進(jìn)行計(jì)算：

（1）上游為正常蓄水位909.87m，下游最低水位888.7m。

（2）上游為設(shè)計(jì)洪水位910.68 m，下游最低水位888.7m。

（3）上游為校核洪水位910.97 m，下游最低水位888.7m。

3.2.1 計(jì)算公式

根據(jù)《中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)》計(jì)算公式為：

式中 h1為浸潤(rùn)線在下游坡逸出點(diǎn)的高度 （m）；L為滲透起始點(diǎn)垂直斷面到排水設(shè)備內(nèi)坡腳的距離（m）；H為壩前水頭（m）；t為水面距壩頂?shù)母叨龋╩）；ε為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.30；b為土條寬度；m1，m2分別為迎水面坡度系數(shù)和背水面坡度系數(shù)；l為浸潤(rùn)線進(jìn)入排水設(shè)備的深度（m）。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

工況①計(jì)算：水庫(kù)正常水位909.87m，下游無(wú)水時(shí)水位888.70m，因此H為21.17m，水面距壩頂高程為1.33m，土條寬度為5m，m1，m2分別為2.5和2.25，則：

L=0.3×2.5×21.17+1.33×2.5+5+（21.17+1.33）2.25-7.5=67.3m

工況②計(jì)算：水庫(kù)正常水位910.68m，降落到淤積面高程888.70m，因此H為21.98m，水面距壩頂高程0.52m，土條寬度5m，m1，m2分別為2.5和2.25，則：

L=0.3×2.5×21.98+0.52×2.5+5+（21.98+0.52）2.25-7.5=65.91m

工況③計(jì)算：水庫(kù)正常水位910.97m，降落到淤積面高程888.70m，因此H為22.27m，水面距壩頂高程0.23m，土條寬度5m，m1，m2分別為2.5和2.25，則：

L=0.3×2.5×22.27+0.23×2.5+5+（22.27+0.23）2.25-7.5=65.40m

浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果及計(jì)算簡(jiǎn)圖如表2和圖1～圖3。

表2 浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果匯總 單位：m

圖1 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期大壩浸潤(rùn)線

圖2 設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期大壩浸潤(rùn)線

圖3 校核洪水位穩(wěn)定滲流期大壩浸潤(rùn)線

3.3 滲透坡降計(jì)算

壩體滲透坡降：

壩體允許滲透坡降：

壩體破壞坡降：

式中 KB為流土安全系數(shù)， 取2；Δ為土粒比重，取2.70；n為土體孔隙率，取20%。

上述計(jì)算可知， 壩體土產(chǎn)生滲透變形的允許水力坡降0.68，壩體在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位3種工況時(shí)的最大水力坡降均為0.28，滿足設(shè)計(jì)要求，如表3。

表3 大壩壩體水力坡降計(jì)算結(jié)果

4 現(xiàn)狀大壩壩坡穩(wěn)定復(fù)核

4.1 計(jì)算工況

計(jì)算壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面以下4種工況控制壩體的穩(wěn)定。

（1）正常情況：正常蓄水位（909.87m）穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡。

（2）水庫(kù)水位降落期（910.97m降至894.46m）的上游壩坡。

（3）施工期的上、下游壩坡。

（4）正常運(yùn)用條件遇地震時(shí)的上下游壩坡。

4.2 計(jì)算方法

計(jì)算采用水利部推薦的水利水電工程土石壩設(shè)計(jì)軟件， 程序能用總應(yīng)力法或有效應(yīng)力法計(jì)算穩(wěn)定滲流期、庫(kù)水位降落期等工況的邊坡安全穩(wěn)定分析。本次對(duì)卡因其水庫(kù)大壩采用有效應(yīng)力法進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析?？ㄒ蚱渌畮?kù)大壩為均質(zhì)土壩，因此壩坡的安全穩(wěn)定分析采用簡(jiǎn)化畢肖普法，對(duì)穩(wěn)定滲流期、水位降落期等工況的邊坡進(jìn)行安全穩(wěn)定分析［4］。 簡(jiǎn)化畢肖普法理論公式如式（15）。

式中 Wi為單寬壩長(zhǎng)的土條重，Wi=bhiγ，其中b為土條寬度；hi為土條的平均高度；γ為土的容重， 按有滲透水壓力計(jì)算土的容重方法選用；αi為土條弧邊的弦與水平線的夾角， 即切線角；tanφi為土的內(nèi)摩擦角φ 的正切值，即摩擦系數(shù)；Ci為土的黏結(jié)力；Li為圓弧長(zhǎng)度。

4.3 計(jì)算參數(shù)選擇

計(jì)算參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)選取， 計(jì)算壩坡穩(wěn)定分析采用的計(jì)算參數(shù)如表4。

表4 水庫(kù)大壩穩(wěn)定分析計(jì)算參數(shù)

4.4 復(fù)核計(jì)算結(jié)果

對(duì)卡因其水庫(kù)大壩壩體以上4種工況條件下的邊坡進(jìn)行了整體安全穩(wěn)定復(fù)核， 壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算成果如表5。

表5 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)

經(jīng)計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，上、下游壩坡是穩(wěn)定的。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）卡因其水庫(kù)最大壩高為22.5m，相對(duì)應(yīng)高程為911.2m，對(duì)其進(jìn)行壩頂超高復(fù)合后可知工況②的壩頂高程要求為912.2m， 因此需在壩頂增加1m高的防浪墻。

（2）對(duì)大壩進(jìn)行滲流量計(jì)算可知，壩基滲漏量2695m3/d，每年（120d 正常蓄水位）滲漏量32.34萬(wàn)m3，占水庫(kù)庫(kù)容的12.8%，因此需對(duì)該層進(jìn)行防滲處理。

（3）在4種不同工況條件下，對(duì)卡因其水庫(kù)大壩穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算， 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，說(shuō)明現(xiàn)狀大壩整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。