水庫壩體護坡的計算與比選

□張進寶 □武 斌 □楊冬冬

（1虞城縣水務局灌溉服務站；2商丘市水利建筑勘測設計院）

1 工程概述

豫東某水庫位于平原黃河故道上，是一座以灌溉、防洪、養殖等綜合利用的中型水庫。該水庫控制流域面積1155.00 km2，于1958年建成蓄水，1961年大水時，大壩被迫扒口放水，水庫同時停止運用。1974年大壩缺口堵復，水庫恢復運用，2013年進行除險加固。該水庫主要由主壩、副壩、溢洪道、灌溉閘組成。主壩長1110.00m，副壩長1713.00m，為均質土壩。主壩為南北向，最大壩頂寬7.00～22.00m，最大壩高6.80m，現狀壩體上下游壩坡均為土質；副壩位于水庫右岸，為東西向，最大壩頂寬25.00m，最大壩高12.55m。該水庫死水位51.50m，死庫容30.00萬m3，興利水位55.00m，相應庫容1100.00萬m3。

2 主要設計參數

一是工程等別及建筑物級別：根據《防洪標準》及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》的規定，該水庫的工程等級為Ⅲ等，相應主要建筑物級別為3級。二是主要設計參數：水庫大壩防洪標準重現期，設計為50 a，最高洪水位56.20m，相應庫容2077.00萬m3；校核為200 a，最高洪水位56.79m，總庫容2569.00萬m3；上下游壩坡設計坡比均為1:10；地震動峰值加速度0.05 g；年平均最大風速12.00m/s（非常運用條件下平均最大風速14.40m/s，正常運用條件下平均最大風速21.60m/s）；風區長度1570.00m。

3 壩體存在主要問題

多年來水庫一直帶病運行，工程存在著嚴重的安全隱患，主壩存在以下主要問題：主壩填筑質量差，壩體干密度合格率僅為22.20%；壩體填筑材料主要為砂壤土，局部為中粉質壤土；壩基土主要為砂壤土和重粉質壤土、砂壤土互層，壩基處理不徹底，不符合規范要求；由于地質條件先天不足及壩基處理不徹底，且壩基、壩體均為砂壤土，滲透性較大；壩前無防滲、壩后無反濾排水設施。多年來水庫一直在低水位運行，嚴重影響供水效益。

4 工程地質條件

第一層，②砂壤土（Q4al）：該層為主壩壩基持力層及左壩肩，厚度9.50～12.45m。呈棕黃色，濕，中密狀，斜交層理發育，搖振反應中等，干強度低，韌性差，局部夾薄層狀重粉質壤土。干密度平均值1.47 g/cm3，天然含水量平均值27.10%，壓縮模量13.90Mpa，壓縮系數0.13 MPa-1，具中壓縮性，滲透系數范圍值2.22×10-4～7.62×10-4cm/s，平均值3.72×10-4cm/s，中等透水性，粘聚力5.70 kpa，內摩擦角18.80°，地基承載力允許值為125.00kPa。

第二層，重粉質壤土、砂壤土互層（Q4al）：該層為主壩壩基受力層，厚度4.00～4.70m。重粉質壤土呈棕黃～灰黃色，軟塑～可塑狀，層狀構造，層理清晰，無搖振反應，干強度中等，韌性中等，干密度平均值1.34 g/cm3，天然含水量平均值33.80%，壓縮模量5.20Mpa，壓縮系數0.39MPa-1，具中壓縮性，滲透系數范圍值4.32×10-5～6.32×10-5cm/s，平均值5.12×10-5cm/s，弱透水性，粘聚力29.60 kpa，內摩擦角4.70°；砂壤土呈棕黃～灰黃色，濕，中密狀，斜交層理發育，搖震反應中等，干強度低，韌性差。干密度平均值1.47 g/cm3，天然含水量平均值28.30%，壓縮模量14.00Mpa，壓縮系數0.13MPa-1，具中壓縮性，滲透系數范圍值（1.93～3.08）×10-4cm/s，平均值2.69×10-4cm/s，中等透水性，粘聚力6.20 kpa，內摩擦角18.00°。地基承載力允許值為100.00 kPa。

第三層，粉質粘土（Q4al）：該層為主壩壩基受力層下部，厚度4.50～4.90m。棕黃～灰黃色，可塑狀，層狀構造，層理清晰，無搖振反應，干強度中等，韌性中等。天然含水量平均值33.20%，滲透系數平均值1.97×10-5cm/s，弱透水性，壓縮模量5.40Mpa，壓縮系數0.38MPa-1，中壓縮性土，地基承載力允許值為110.00 kpa。

第四層，粉砂層（Q4al）：為主壩壩基下臥層。褐黃色，濕～很濕，中密狀，主要成份是長石、石英。該層沒有揭穿，最大揭露厚度3.90m。

5 護坡材料選擇

《碾壓式土石壩設計規范》強制性條文規定“壩表面為土、砂、砂礫石等材料時應設專門護坡”，護坡的形式、厚度應根據壩的等級、運用條件和當地材料情況，進行經濟技術比較確定。參考國內已建水庫護坡形式，上游護坡過去常用干砌塊石或漿砌塊石，近年來混凝土護坡使用越來越多，如碧口、劉家峽黃山副壩、陸渾等工程，效果都很好。以此，確定采用干砌塊石、預制混凝土塊和現澆混凝土板三種護坡類型進行方案比選。

6 護坡方案比選

根據確定的護坡材料，從經濟和技術上進行方案比選，現分述如下。

6.1 經濟方面比選

6.1.1 波浪平均波高hm和平均波長Lm

波浪的平均波高hm和平均波長Lm采用莆田試驗站公式計算:

式中：Tm—平均波周期，s；Hm—水域的平均水深，按計算工況水位減去死水位確定，m；m—斜坡的坡度系數；hm—平均波浪高，m；Lm—平均波長，m；D—風向長度，m；W—對應最大風速，m/s。計算結果見表1。

表1 波浪平均波高和波長計算表

6.1.2 不同累積頻率下的波高計算

不同累積頻率下的波高hp可由平均波高與平均水深的比值，按規定的系數計算求得。計算結果見表2。

6.1.3 方案1：干砌塊石護坡

干砌塊石護坡在最大局部波浪壓力作用下所需的換算球形直徑和厚度按下式確定:

表2 不同計算工況下累積頻率計算表

當Lm/hp≤15時：

當Lm/hp>15時

式中：D—石塊的換算球形直徑，m；D50—石塊的平均粒徑，m；t—護坡厚度，m；Kt—隨坡率變化的系數，取1.20；ρk—塊石密度，取2.20 t/m3；—水的密度，取1.00 t/m3；hp—累積頻率為5%的波高，取計算工況最大值；Lm—平均波長，m。代入數據，干砌石護坡計算厚度t=0.13m，根據塊石構造要求砌石護砌厚度應≥0.30m，取護坡厚度0.30m。

6.1.4 方案2：干砌混凝土預制塊護坡

護坡厚度計算按下式計算:

式中：η—系數，對裝配式護面板取1.10；hp—累積頻率為1%的波高，m；Lm—平均波長，m；m—上游壩坡坡率；b—沿壩坡向板長，按0.80m計算；ρc—混凝土塊密度，取2.40 t/m3；ρw—水的密度。代入數據，干砌混凝土塊計算厚度t=0.25m，取護坡厚度0.25m。

6.1.5 方案3：現澆混凝土板護坡

護坡厚度按下式計算:

式中：η—系數，對整體式大塊護面板取1.00；hp—累積頻率為1%的波高，m；Lm—平均波長，m；m—上游壩坡坡率；b—沿壩坡向板長，按2.00m；ρc—混凝土板密度，取2.40 t/m3；ρw—水的密度。代入數據，現澆混凝土護坡計算厚度t=0.09m，取護坡厚度0.15m。

6.1.6 經濟比選

根據計算的護砌厚度，確定單位造價，計算結果見表3。

表3 不同設計方案經濟比選表

6.2 技術方面比選

方案1干砌砌石護坡，石材質地堅硬，不易損壞。由于項目區地處豫東平原，當地石料缺乏，需從較遠料場購買，運輸困難，施工較為麻煩，鋪筑質量不能保證，維修困難，一次購買量少，工期較長，造價偏高。方案2干砌混凝土預制塊，需預制場所，二次搬運，施工較為麻煩，造價最高，但質量易保證，工期短、維修管理方便。方案3現澆混凝土板施工較為簡單，質量易保證，工期短、維修管理較方便，造價最低。

7 結論

根據當地水庫除險加固工程經驗，石料購置的途徑單一，且價格偏高，對工程質量和工期影響較大；干砌預制混凝土塊價格較高，且搬運困難。綜合分析后，設計中確定上游護坡采用0.15m厚現澆混凝土板，分塊大小2.00m×2.00m。