糯扎渡高土石壩心墻類型對壩坡穩定影響研究

郭冬芬 王俊芳

摘 要：依據糯扎渡實際工程，總結高土石壩心墻類型對壩坡穩定的影響，并依據計算結果對高土石壩壩坡穩定安全評價標準進行初步探討。直心墻和斜心墻各工況下安全系數均滿足現行規范要求，壩坡穩定不是影響高土石壩修建的決定性因素。斜心墻上向下的滲透力分量較大，增加了心墻下游側的應力從而使得斜心墻方案壩坡危險滑裂面位置較直心墻方案距壩頂稍近。

關鍵詞：高土石壩；心墻類型；壩坡穩定；安全系數；

引言

糯扎渡心墻土石壩是我國第一批建造的超高200m的土石壩[1]，當時尚無修建200m級以上的心墻土石壩的成熟技術和經驗，國外可借鑒的是經驗也很少，糯扎渡200m級以上心墻土石壩屬于特殊、重要的的土石壩，其設計不能簡單的套用現行設計規范，必須進行專門的研究，建立相應的設計準則及安全評價系統。從已建200m級高土石壩的建設經驗來看，大壩的安全運行主要取決于壩坡的抗滑穩定、筑壩材料的滲透穩定，以及壩體變形穩定，而其中土石壩壩坡及壩體在設計及運行期的穩定性則是設計中最為關鍵的因素。壩體的抗滑穩定與壩體的應力狀態和應力水平密切相關，在一定的外力水平條件下心墻的類型是影響壩體應力狀態的主要因素。

世界上已建的壩高在200m以上的心墻土石壩中，有4座采用直心墻，其余7座均采用斜心墻的形式，本文以糯扎渡土石壩為依托，對心墻土石壩的直心墻和斜心墻兩種心墻形式對壩坡穩定的影響進行比較研究。

一、工程基本資料

糯扎渡水電站[2]是瀾滄江中下游河段梯級規劃的第五級，樞紐位于云南省普洱市翠云區和瀾滄縣境內，糯扎渡水電站工程主要以發電為主，兼有下游城市、農田防洪及改善航道的綜合利用任務。糯扎渡壩址區河道總體比較順直，兩岸谷坡較陡，河谷斷面呈不對稱的V形。巖體結構多為碎裂、鑲嵌碎裂和散體結構，在心墻部位壩基巖體質量以IVa和IVb類為主。

壩體為礫質土直心墻壩，心墻兩側為反濾層，反濾層以外為堆石體壩殼。壩頂寬為18m，心墻基礎建基面高程560m，最大壩高261.5m，上游壩坡坡度1：1.9，下游壩坡坡度為1：1.8，壩體典型剖面如圖1所示。

圖1 糯扎渡壩體典型剖面圖

二、計算參數

土石壩堆石料的抗剪強度指標具有明顯的非線性特點，一般來說上覆土體每增加50cm，其內摩擦角減少8°～10°。因此對堆石材料使用非線性強度指標進行壩坡穩定分析，已成為壩工界的共識。水利部頒發的“碾壓式土石壩設計規范”規定對堆石料進行非線性強度穩定分析。糯扎渡心墻壩壩料參數確定過程中收集了國內外37個重要水利工程壩體硬巖和軟巖堆石料的三軸固結排水實驗資料，并用矩法和線性回歸方法統計了堆石料抗剪強度線性指標鄧肯非線性對數指標與德邁洛非線性指標的參數，得到了水利工程大壩堆石抗剪強度指標的一般分布規律，其中統計得到的硬巖堆石料的鄧肯非線性抗剪強度指標結果如表1所示。

表1壩料物理性質指標計算參數

壩料 干密度（g/cm3） 比重 滲透系數（cm/s） 孔隙率（%） φ0（°） Δφ（°）

I區堆石料 2.00 2.63 5×100 24 53.12 11.26

II區堆石料 2.11 2.70 8×10-2 22 50.91 10.32

摻礫土料 1.90 2.68 2×10-6 37.91 10.34

細堆石過渡料 2.04 2.61 2×10-1 22 52.00 7.8

I區反濾層 1.94 2.61 2×10-3 51.35 8.7

II區反濾層 1.89 2.61 4×10-1 52.60 10.16

本文采用STAB程序分別對糯扎渡大壩直心墻土石壩和斜心墻土石壩的最大壩剖面進行各種工況壩坡穩定安全系數進行了計算，各種工況下安全系數均應滿足現行規范相應的要求。正常蓄水期安全系數大于1.5，竣工期和庫水位驟降時大于1.3，地震時安全系數大于1.2。計算方法為畢肖普法。

三、計算結果

3.1壩坡穩定

在考慮壩坡穩定分析時分為7個工況條件進行計算，計算工況和計算成果見表3。

表3 糯扎渡不同心墻類型穩定分析最小安全系數計算結果表

運行工況 計算工況 安全系數

編號 工 況 說 明 直心墻 斜心墻

正常 ① 穩定滲流期下游壩坡，上下游正常水位 1.675 1.699

② 穩定滲流期上游壩坡，最不利庫水位 1.997 1.884

非常Ⅰ ③ 竣工期上游壩坡，上、下游無水作用 2.073 1.970

④ 竣工期下游壩坡，上、下游無水作用 1.869 1.859

⑤ 庫水位由正常水位驟降至死水位的上游壩坡 1.800 1.691

非常Ⅱ ⑥ 工況①遭遇0.283g地震 1.423 1.456

⑦ 工況②遭遇0.283g地震，最不利庫水位 1.589 1.512

計算成果表明，無論直心墻土石壩還是斜心墻土石壩，計算最小安全系數均大于允許安全系數，表明壩體是穩定安全的。壩坡穩定并不是影響高土石壩修建的決定性因素，現行土石壩設計規范對壩坡抗滑穩定的規定可以用來指導設計超過200m的高土石壩壩坡穩定。

3.2壩坡最危險滑弧

直心墻方案在蓄水后穩定滲流期[4-5]，上下游正常水位情況下的安全系數為1.675，其破壞形式也是上游堆石體主動破壞與下游邊坡滑動的復合破壞形式，但而上游主動破壞區范圍較大且明顯，直心墻方案最危險滑塊位置涵蓋上游壩坡2/3部位。

斜心墻方案水位驟降至庫底時的安全系數為1.691，滑裂面大部分出現在上游邊坡的軟巖料區。在壩體的上下游均有滑裂面出現，這表明此時上下游壩坡的安全系數大致相等，也即上游壩坡的安全系數相對有所減少，下游壩坡安全系數兩者相差很小。

穩定滲流期上游壩坡最不利水位時直心墻方案安全系數1.997，斜心墻方案安全系數為1.844，再此工況施加地震時，最不利滑面依舊為圓滑裂面，在進行土石壩壩坡加固或者設計時壩頂位置加固是影響壩坡穩定的關鍵。

四、 結論

4.1現行土石壩設計規范可以對超過200m級土石壩壩坡穩定進行指導設計，正常蓄水期安全系數大于1.5，竣工期和庫水位驟降時大于1.3，地震時安全系數大于1.2，糯扎渡土石壩符合土石壩設計規范規定，壩坡穩定不是影響高土石壩修建的決定性因素。

4.2所有斜心墻方案下游壩坡危險滑裂面位置較直心墻方案距壩頂稍近，由于作用在斜心墻上向下的滲透力分量較大，增加了心墻下游側的應力從而提高了其抗剪強度所致。穩定滲流期上游壩坡最不利水位時危險滑裂面與施加地震后壩坡危險滑裂面位置一致。在進行土石壩壩坡加固或者設計時壩頂位置加固是影響壩坡穩定的關鍵。

參考文獻

[1]張宗亮. 糯扎渡水電站工程特點及關鍵技術研究[J]. 水力發電， 2005， 31（5）： 4-7.

[2]張宗亮， 袁友仁， 馮業林. 糯扎渡水電站高心墻土石壩關鍵技術研究[J]. 水力發電，2007，32（11）： 5-8.

[3]陳祖煜. 土質邊坡穩定分析 原理· 方法· 程序[M].北京.中國水利水電出版社， 2003.

[4]李國英， 王祿仕， 米占寬. 土質心墻土石壩應力和變形研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2004， 23（8）： 1363-1369.

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