兔里坪水庫加高壩型選擇

宋丹青

（蘭州大學土木工程與力學學院甘肅蘭州730000）

兔里坪水庫加高壩型選擇

宋丹青

（蘭州大學土木工程與力學學院甘肅蘭州730000）

水利樞紐中由于地質、施工條件等因素限制，選擇適宜的壩型會節省投資，使大壩更加穩定安全。由于兔里坪水庫受到特殊的地質條件影響，通過對壩體穩定性、防滲效果、壩體邊坡穩定性分析，結合工程布置、施工條件及工程投資等相關影響因素尋找最優壩型，可用于相似工程借鑒。

大壩加高抗滑穩定性滲流量邊坡

1　工程地質

1.1區域地質概況

水庫位于六盤山東麓涇河上游峽谷區，涇河由涇源縣流經大陰山至崆峒山，出崆峒山以后轉向東、進入寬闊的黃土塬、梁區流向下游的平涼市。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。本區位于祁呂賀蘭山字型構造體系的脊柱——賀蘭褶帶的南段、隴西系旋卷構造六盤山旋回褶帶的中部、伊陜盾地的西南部。水庫區位于古城～崆峒山～宋莊復向斜內。地質基本烈度為Ⅷ度，工程區域構造穩定性較差。工程區屬于侵蝕、博識褶皺石質中山峽谷區，物理地質現象表現為崩塌和滑坡。工程區地表水除達溪河及部分較大支溝支流有常年地表徑流外，其余多無常年地表徑流。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壩址區的基本工程地質條件

1.2.1本工程地質特征

壩址選擇時，必須了解各壩址地區的地質情況，依據其優缺點選擇壩址。在選擇壩址應充分考慮地形條件，便于考慮樞紐布置及施工。壩址上游希望河谷開闊，以便得到較大庫容，而河谷太窄可能給樞紐布置及導流和場地布置造成困難，反而不如較寬的河谷有利。

上游壩址河漫灘不發育，壩址區出露的地質巖性有三疊系上統延長群下亞群（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。上游壩趾區物理地質現象不發育，僅表現為巖石的風化、坡洪積，對工程影響很小。

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

1.2.2址工程地質條件及評價1

上壩址：左岸上部岸坡陡峻，基巖裸露，裂隙發育，壩肩巖體完整性較差，呈碎裂鑲嵌結構。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、次為礫巖灰巖，石質堅硬、抗風化力較強，結構中密。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：崆峒水庫大壩修建運行多年，未發生大的變形，壩基地質條件較好，能滿足當地材料壩對壩基的要求，也適宜對大壩的培厚加高。壩基帷幕灌漿質量較好，水庫運行多年未見壩基滲漏現象，防滲效果比較明顯。

下壩址壩址區左岸及左壩肩巖體中斷裂發育，巖體較破碎，但為反傾向緩傾層狀巖體，邊坡整體穩定性較好，并且水庫運行多年未發現左岸岸坡不穩定狀況，因此就左岸工程地質條件、巖體結構和穩定性分析來看，壩址左岸以及左壩肩具備加高15m的工程地質條件，但需要結合左岸整治，采取必要的防護措施和對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范圍內巖體穩定性較差，并且局部有失穩現象;壩址右岸及右壩肩具備大壩加高15m的工程地質條件，但需要結合右岸整治，對右岸及右壩肩上部15～30m厚的巖體進行必要的清除，對Ⅵ#滑坡體的下部進行必要的整治，且進行固結灌漿。

2　壩型對比和選擇

2.1壩型對比

壩型選擇是水利水電工程設計中首先需要解決的一個重要問題，其涉及到許多重要影響因素,如庫區壩址條件、工程造價、施工工期、地形條件、水利生態環境問題、地質條件等[1]。

下壩址方案須將現崆峒水庫大壩加高15m，改擴建后興利庫容3700萬m3，對應正常蓄水位1537.80m，死庫容1224萬m3，對應死水位1501.00m。經調洪演算后確定設計洪水位1537.90m，校核洪水位1539.50m。壩頂高程1541.00m。根據壩址處地形地質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）兩個大壩加高方案進行壩型比選。

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，各級壩坡銜接處均設有2m寬的馬道，馬道之間高差為15m。大壩上有壩坡在高程1520m以上采用漿砌石護坡，厚0.4m，高程1520m以下采用塊石護坡，厚0.4m。下游壩坡在一級馬道以上采用漿砌石護坡，厚0.4m，一級馬道以下均采用卵碎石護坡，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為斜墻。上、下游壩殼料仍采用砂礫石。

原壩體1516.00m以上全部挖除，心墻部分開挖至1496.00m開始填筑壤土斜墻。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設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土工膜防滲，斜墻下游設置水平寬度3m的礫卵石排水體，底部與原壩體排水暗管相連，同時在壩體下游開挖至建基面后，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。

根據規范規定，同時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，各級壩坡銜接處均設有寬2.0m的馬道。下游壩坡在一級馬道以上采用漿砌石護坡，厚0.4m，一級馬道以下均采用卵碎石護坡，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。

現將壩體1516.0m以上全部挖除，同時清除下游表層2m厚范圍內的砂礫石壩殼料及清除壩體下游壓重平臺，在壩體心墻軸線下游側設混凝土防滲墻厚1m，防滲墻底部深入基巖1m，基巖進行帷幕灌漿，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

壩型選取對水庫安全運行非常重要，這關系著工程投資，以及以后對下游是否存在安全隱患的一個重要因素。

2.2.1體穩定性分析

公式為：

式中：

m—計算點壩坡的水平坡率；

φ—砂礫石的摩察角，

KH—水平向地震系數；

Cz—為綜合影響系數；

ai—為地震加速度分布系數。

本工程設防烈度8度，水平地震加速度為0.2g，KH=0.2，CZ=0.25，分別根據方案一和方案二進行抗滑穩定計算，結果如下：

方案一：

方案二：

經計算，方案二表面滑動最小安全系數均大于1.15，符合規范要求。

2.2.2坡壩段抗滑穩定分析

岸坡壩段抗滑穩定系數：

式中：

U—壩基揚壓力；

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。混凝土面板砂礫石壩方案（方案二）時，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。利用有限元進行計算，得出結論：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，當揚壓力U與壩基面的抗剪斷參數f和c一樣時，垂直于岸坡的合力N與滑動面面積A越大，則岸坡壩段抗滑穩定系數KS’越大，也即混凝土面板砂礫石壩方案（方案二）的岸坡壩段抗滑穩定系數Ks/大于壤土心墻砂礫石壩（方案一）。從這個角度來說方案二較好。

2.2.3體滲流量計算

按均勻滲流場分析

滲流基本方程：

壤土心墻砂礫石壩（方案一）：通過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）通過壩體的滲流量：

經過計算明顯混凝土面板砂礫石壩方案（方案二）的滲流量較小。

滲流對大壩邊坡的穩定性有重要影響，滲流作用于介質的力除了整體介質周圍表面受壓力之外,還要研究骨架間孔隙水的作用。并且，因為地表水浸入,致使土的抗剪強度下降,影響土質邊坡的穩定性。非飽和帶中,由于受到毛細管張力的影響,壓力值為負,故此非飽和帶處于負壓,使顆粒間距壓密,對邊坡穩定有利。但過大的滲流會導致邊坡失穩，特別兔里坪水庫位于黃土高原地區，土質含有濕陷性黃土，尤其是大厚度自重濕陷性黃土，其濕陷量隨浸水時間的發展過程分為5個階段：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在其中的某個階段發生大的塌陷，引起邊坡失穩，導致潰壩。

2.2.4壩邊坡穩定性分析

采用簡化的畢肖普法評價邊坡穩定性

簡化的畢肖普法公式：

計算時，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，且迭代通常總是收斂的。

其中Qi是水平作用力也即壩體對邊坡的作用力，在其它條件不變的情況下，受到的水平推力越小，抗滑穩定安全系數越大，即邊坡的穩定性越好。所以選用混凝土面板砂礫石壩方案（方案二）時，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，邊坡抗滑穩定安全系數較小。現利用非線性強度準則的極限平衡法,滑動弧地面的鉛直應力利用實際的應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關系,利用有限元法算出的應力能反映壩坡堆石在非線性抗剪強度狀態下的應力狀態。所以可將有限元計算的土柱重量與鉛直應力比較,并且結合邊坡穩定分析的特性判別非線性抗剪強度的極限平衡法的適應性。又由于壩體的鉛直應力不決定抗剪強度的線性與非線性,就像采用簡化的畢肖普法與線性抗剪強度的瑞典圓弧法被應用于工程設計類似,采用簡化的畢肖普法與非線性抗剪強度的瑞典圓弧法,但是非線性抗剪強度的極限平衡法容許安全系數取值還需要以后積累經驗。

3　小結

綜上所述，基于對兩種方案穩定性、滲流量、壩體邊坡穩定性三個方面的綜合分析，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）。特別是在特殊地質地區，要多提出幾套切實可行的方案，以便運用各種方法去分析比較，從施工難易程度、工程成本、各個具體水工建筑物的具體設計必須結合實際地質條件去選擇。在強地震區、深覆蓋層、深厚風化層、巖溶等不良地質條件和在高陡邊坡、河道拐彎等不良地形條件下建造高混凝土面板堆石壩，這些特殊地質區域已經有了較好的經驗和較成熟的技術，可以借鑒。

1.陳志強,侍克斌.水利樞紐工程壩型選擇影響因素的分析[J].中國農村水利水電,2007,8:62-69.

2.林繼鏞,王光綸.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

3.D.G弗雷德隆德,H.拉哈爾佐.非飽和土力學[M].北京：中國建筑工業出版社,1997.

4.黃雪峰，陳正漢.大厚度自重濕陷性黃土場地濕陷變形特征的大型現場試驗研究[J].巖土工程學報,2006,28(3):382-389.

5.遲世春.堆石壩壩坡的抗震穩定分析[J].世界地震工程,2002,18(4):11-17.

6.酈能惠，楊澤艷.中國混凝土面板堆石壩的技術進步[J].巖土工程學報,2012,34(8):1361-1368.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.022

TV64

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1672-2469（2014）08-0069-04

宋丹青(1989年—)，男，在校研究生。