陸彥平

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 工程概況

在建造堤壩之前，大壩高程設(shè)計對整個水庫大壩后期運(yùn)行的穩(wěn)定性和抵抗自然災(zāi)害的能力至關(guān)重要[1-4]。不合理的水庫大壩高程設(shè)計嚴(yán)重威脅人民生命財產(chǎn)安全，因此確定合理大壩高程設(shè)計方法具有重要意義[5-9]。

本次研究的營盤水庫位于長江流域烏江水系六沖河右岸一級支流引底河源頭段下馬田河上、貴州省水城縣金盆鄉(xiāng)營盤村境內(nèi)，距六盤水市中心城區(qū)約64 km，距金盆鄉(xiāng)政府約4 km；自中心城區(qū)起沿232 縣道行至63 km 處接新建0.984 km 上壩公路即可通達(dá)壩址區(qū)。水庫集雨區(qū)分水嶺最高高程2400.5 m，壩址河谷最低高程1797.80 m，相對高差599.2 m，枯期基流11.8 L/s（2014年3月1日三角堰實測值），主河道長2.678 km。本文以該水庫為例，研究了壩頂高程和建基面確定方法，同時探討了大壩應(yīng)力分析及穩(wěn)定計算方法和結(jié)果，研究方法可為相關(guān)大壩工程提供參考。

2 大壩建筑物設(shè)計

2.1 壩頂高程和建基面確定

大壩為復(fù)合土工膜防滲碾壓風(fēng)化料壩，最大壩高18.23 m，壩頂高程1814.00 m，根據(jù)地質(zhì)情況，壩軸線處建基面高程1798.90 m。經(jīng)綜合考慮，壩頂寬度定為4.5 m，采用C20 混凝土路面，壩頂長度89.06 m。大壩采用復(fù)合土工膜防滲，壩基采用沿上游趾墻布設(shè)單排灌漿帷幕孔防滲，上游壩坡為1∶2.2，下游壩坡為1∶1.8，下游壩坡采用干砌石護(hù)坡并在高程1803.10 m 處設(shè)置排水棱體，壩坡與兩岸連接處設(shè)置排水溝。

2.2 壩頂高程計算

2.2.1 壩頂超高確定

壩頂在水庫靜水位以上的超高由三部分組成，即波浪爬高、風(fēng)壅水面高度和安全加高，計算公式如下：

式中：y為壩頂超高（m）；R為最大波浪在壩坡上的爬高（m）；e為風(fēng)浪引起的壩前水位壅高（m）；A為安全加高（m），取值詳見表1。本工程大壩級別為5級，處于山區(qū)、丘陵區(qū)，設(shè)計洪水位時A取0.5 m，校核洪水位時A取0.3 m。

表1 安全加高值

2.2.2 波浪爬高計算

風(fēng)浪要素采用《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）附錄A.1.5莆田試驗站公式計算：

式中：hm為平均波高（m）；Lm為平均波長（m），需試算確定；Tm為平均波周期（s）；W為風(fēng)速（m/s）；D為風(fēng)區(qū)長度（m）；Hm為水域平均水深（m）；g為重力加速度（m/s2），取9.81m/s2；H為壩前水深（m）。

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001），波浪高度計算所用的設(shè)計風(fēng)速在設(shè)計洪水情況下采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍、校核洪水情況下采用多年平均最大風(fēng)速，水城縣氣象站實測多年平均年最大風(fēng)速為15.7 m/s，即W設(shè)計=1.5Wm=1.5×15.7=23.55（m/s）、W校核=Wm=15.7 m/s。

本工程風(fēng)區(qū)長度采用庫區(qū)等效風(fēng)區(qū)長度值，庫區(qū)等效風(fēng)區(qū)長度De依據(jù)庫區(qū)1/2000 水庫水域平面圖計算。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001），等效風(fēng)區(qū)長度De按下式計算：

式中：De為等效風(fēng)區(qū)長度（m）；Di為計算點(diǎn)至水域邊界的距離（m），i取0、±1、±2、±3、±4、±5、±6；αi為第i條射線與主射線的夾角（°），等于i×7.5°。

根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計洪水位時，等效風(fēng)區(qū)長度De=307.4 m。等效風(fēng)區(qū)長度計算如圖1所示，計算成果詳見表2。

圖1 風(fēng)區(qū)長度計算簡圖

表2 風(fēng)浪要素計算成果

設(shè)計波浪爬高根據(jù)工程等級確定，5 級壩采用累積頻率為5%的爬高值R5%。R5%/Rm可以由表3 查得。大壩上游壩坡系數(shù)m為2.2，當(dāng)m=1.5～5.0 時，平均波浪爬高Rm采用下式計算：

表3 波浪爬高計算成果

式中：K△為斜坡的糙率滲透性系數(shù)（m/s），上游采用六角形混凝土板護(hù)坡，查表得K△=0.9；KW為經(jīng)驗系數(shù)（m/s），經(jīng)驗系數(shù)由即風(fēng)速和壩前水深確定，本工程中設(shè)計洪水位時== 2.02、查表并用插值法求得KW=1.08，校核洪水位時1.32、查表求得KW=1.013；m為壩坡系數(shù)，取2.2，無量綱；hm為平均波高（m）；Lm為平均波長（m）。

風(fēng)壅水面高度e可按下式計算：

式中：K為綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6，無量綱；b為計算風(fēng)向與壩軸線法線方向的夾角（°），取0；其余變量含義同上。

通過計算，設(shè)計洪水位時e為0.0045 m，校核洪水位時e為0.0019 m。超高計算成果，詳見表4。

表4 超高計算成果

壩頂高程按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定確定，為水庫靜水位與壩頂超高之和。根據(jù)本工程特征，按照以下3 種應(yīng)用條件計算，取其大者：①設(shè)計洪水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高；②正常蓄水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高；③校核洪水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高。根據(jù)計算結(jié)果，大壩計算最大高程為1814.56 m，設(shè)1.1 m高防浪墻，防浪墻頂高程取1815.10 m，壩頂高程為1814.00 m，壩高計算成果詳見表5。

表5 壩高計算成果

2.3 大壩應(yīng)力分析及穩(wěn)定分析

2.3.1 大壩應(yīng)力分析

由于本工程大壩基本坐落在強(qiáng)風(fēng)化基巖上，既使有小部分河床壩段坐落在沖洪積層和殘破積層上，在施工時也需碾壓夯實，且壩體填筑對壩基影響較小，本階段未進(jìn)行大壩沉降分析。

2.3.2 大壩穩(wěn)定分析

本工程屬Ⅴ等工程，水庫的大壩、溢洪道、取水放空等主要建筑物為5級建筑物。本工程為碾壓風(fēng)化料壩，地震基本烈度為Ⅵ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）、《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL189-2013）及《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（SL203-1997）相關(guān)規(guī)定，大壩結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行抗震計算。大壩穩(wěn)定分析的計算情況如下。

（1）計算條件。計算條件包括正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件。正常運(yùn)用條件為工況1、工況2和工況3，工況1：庫內(nèi)水位由正常蓄水位1811.80 m降至死水位1806.05 m，對應(yīng)庫外無水，計算上游壩坡；工況2：庫內(nèi)水位處于正常蓄水位1811.80 m，對應(yīng)庫外無水，計算穩(wěn)定滲流期的下游壩坡；工況3：庫內(nèi)水位處于設(shè)計洪水位1813.15 m，對應(yīng)庫外無水，計算穩(wěn)定滲流期的下游壩坡。非常運(yùn)用條件為工況4、工況5和工況6，工況4：庫內(nèi)水位處于校核洪水位1813.72 m，對應(yīng)庫外無水，計算穩(wěn)定滲流期的下游壩坡；工況5：施工期庫內(nèi)外均無水（取地面高程），計算上游壩坡；工況6：施工期庫內(nèi)外均無水（取地面高程），計算下游壩坡。

（2）計算方法。大壩為5 級建筑物，按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL189-2013）的規(guī)定，計算方法采用有效應(yīng)力-瑞典圓弧法，利用理正巖土6.0軟件進(jìn)行壩坡穩(wěn)定計算。計算參數(shù)包括：壩頂高程1814.00 m；正常蓄水位1811.80 m；設(shè)計洪水位1813.15 m；校核洪水位1813.72 m；死水位1806.05 m；強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度φ=18°，c=70 kPa，承載力300 kPa，容重γ=2.3 g/cm3；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r抗剪強(qiáng)度φ=28°，c=75 kPa，承載力1500 kPa，容重γ=2.7 g/cm3；強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)泥巖夾50%砂質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度φ=16°，c=20 kPa，承載力200 kPa，容重γ=2.3 g/cm3；含粉粗黏～粗黏土抗剪強(qiáng)度φ=11°，c=60 kPa，承載力130 kPa，容重γ=2.15 g/cm3；上游坡比為1∶2.2，下游坡比為1∶1.8。

（3）壩坡穩(wěn)定計算成果。各工況安全系數(shù)詳見表6，由于篇幅原因，只給出了工況1的臨界滑弧，如圖2所示。經(jīng)計算，各工況下大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，大壩安全可靠。

圖2 工況1：水位由正常蓄水位驟降至死水位上游壩坡（Fs=1.363）

表6 大壩邊坡穩(wěn)定計算成果

2.3.3 土工膜穩(wěn)定計算成果

水庫蓄水以后，水壓力使復(fù)合土工膜對整平層施加很大壓力，所以抗滑安全系數(shù)很大，不必計算，重點(diǎn)計算施工期的土工膜穩(wěn)定性。上游坡比為1∶2.2，屬于緩坡，計算公式如下：

式中：α為上游坡與水平面夾角（°）；f為復(fù)合土工膜與整平層間摩擦系數(shù)，無量綱，取0.48～0.62。

本工程中，α=24.444°，f=0.5，經(jīng)計算得k=1.1，滿足抗滑穩(wěn)定要求。同時，為了增加土工膜與支持層之間的穩(wěn)定系數(shù)，上游壩坡每隔8 m 設(shè)置1 道嵌固槽，采用C20混凝土作為嵌固槽的壓重。

3 結(jié)論

本文以水城縣營盤水庫為例，研究了壩頂高程和建基面確定方法，同時還探討了大壩應(yīng)力分析及穩(wěn)定計算方法和結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果，水庫校核水位為1813.725 m，壩頂超高值為0.835 m，則大壩計算最高水位為1814.56 m，大壩壩頂設(shè)1.1 m 高防浪墻，防浪墻頂高程取1815.10 m，壩頂高程為1814.00 m，則壩頂高程大于水庫校核水位，且防浪墻頂高程大于大壩計算最高水位，本工程大壩壩頂高程和防浪墻頂高程取值滿足規(guī)范要求；各工況下，大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，大壩安全可靠。