呼延調(diào)蓄工程壩體抗滑穩(wěn)定性分析

張廣濤

（山西省水利水電勘測設計研究院，太原030024）

1 工程概況

山西省萬家寨引黃工程聯(lián)接段備用水源呼延調(diào)蓄工程位于太原市呼延村西崛山圍山下的好李子溝內(nèi)，北臨呼延村通往崛山圍山旅游區(qū)的公路，南連7號隧洞出口工程區(qū)，東接呼延村至7號隧洞出口引黃專用公路，距7號隧洞出口輸水箱涵不足200m。

呼延調(diào)蓄工程是萬家寨引黃工程的配套工程，其任務是當引黃連接段輸水系統(tǒng)因故障或設備檢修不能正常供水時，作為近期備用水源向太原市呼延水廠供水。呼延調(diào)蓄工程的主要建筑物包括調(diào)蓄池、連接7 號隧洞出口疏水箱涵與調(diào)蓄池的進水線路、從調(diào)蓄池至連接段尾部消力池的出水線路及進場公路4 部分。聯(lián)接段備用水源呼延調(diào)蓄工程調(diào)蓄池大壩采用非土質(zhì)材料防滲體壩，最大壩高34m，總?cè)莘e200 萬m3。

山西省萬家寨引黃工程聯(lián)接段主體工程為Ⅱ等工程，呼延調(diào)蓄工程是其主要的配套工程，按照SL252—2000 《水利水電工程等級劃分及洪水標準》的規(guī)定，經(jīng)綜合考慮，確定呼延調(diào)蓄工程為Ⅲ等，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。

2 壩軸線、壩型的選擇

2.1 壩軸線

調(diào)蓄池位于太原市呼延村西與聯(lián)接段7號隧洞出口之間好李子溝內(nèi)，地貌上屬于山前黃土丘陵區(qū)，東鄰沖洪積黃土坡。地面高程878～935m，整體上西高東低。好李子溝由兩條沖溝交匯而成，在平面上呈“Y”字型展布，交匯后走向為E，兩條沖溝均呈不對稱“V”字型，南部溝的南岸和北部溝的北岸岸坡較陡，兩溝之間黃土梁坡度較緩。壩址地段即兩溝交匯處下游50m處為引黃聯(lián)接段7號隧洞開挖時的棄渣場，為一大平臺。

要實現(xiàn)已建7號隧洞出口箱涵自流入池和池內(nèi)蓄水自流入呼延水廠，其相對高程關系及好李子溝地形決定了調(diào)蓄池的工程位置。

呼延調(diào)蓄池工程區(qū)地勢西高東低，東邊筑壩西邊開挖，池盆系挖填而成。跨過調(diào)蓄池北岸坡后為呼延村通往崛山圍山旅游區(qū)的公路，東接呼延村至7號隧洞出口引黃專用公路，公路以東地形高程急劇下降，所以其地形條件和這兩條公路的位置使得壩軸線的選擇具有唯一性。

2.2 壩型比較

呼延調(diào)蓄池位于邊山黃土沖溝區(qū)，壩址區(qū)為深厚的第四系松散沉積物覆蓋，地質(zhì)勘察結(jié)果表明，調(diào)蓄池工程區(qū)覆蓋層土料可作為壩體填筑土料，因此選擇當?shù)夭牧蠅屋^為適宜。

若修筑堆石壩或其他壩型，一方面需開辟新的石料場；另一方面，本工程池盆開挖出的大量土方又要棄掉，無形中加大了棄渣量，使工程投資增大；若修筑土壩，從壩基工程地質(zhì)條件看，工程區(qū)土料豐富，且經(jīng)地質(zhì)勘察、巖土實驗證明，西部岸坡開挖出的低液限黏土可以直接上壩，加之本工程為調(diào)蓄水池，不存在溢洪、施工導流等建筑物布置問題，而且土壩具有壩基地質(zhì)條件要求較低、便于組織機械化快速施工、施工簡單等優(yōu)點，無論從經(jīng)濟上、技術上均有明顯優(yōu)勢，故不再對其他壩型進行比較。

3 壩體及壩坡穩(wěn)定性計算

3.1 大壩滲流計算及滲流穩(wěn)定性分析

大壩滲流計算的目的是為了進行大壩滲透穩(wěn)定分析，并為壩坡穩(wěn)定計算提供滲流場。基于本工程采用復合土工膜防滲體壩，如果施工質(zhì)量達到規(guī)范要求，復合土工膜以其優(yōu)良的防滲透性能，在膜后不能形成穩(wěn)定的滲流，故滲流計算僅對壩坡穩(wěn)定計算提供參考。

3.2 壩體抗滑穩(wěn)定性計算

3.2.1 計算工況

依據(jù)SL274—2001 《碾壓式土石壩設計規(guī)范》有關規(guī)定，結(jié)合本調(diào)蓄池工程的運行特點，大壩抗滑穩(wěn)定計算應考慮以下4種工況：

工況1：施工期，主要核算上、下游壩坡；

工況2：聯(lián)接段線路正常供水至呼延水廠，呼延調(diào)蓄池維持正常蓄水位897.7m的工況，主要核算上、下游壩坡；

工況3：聯(lián)接段線路處于事故檢修期，需利用呼延調(diào)蓄池的蓄水向呼延水廠不間斷供水的工況，主要核算水位降落時的上游壩坡；

工況4：調(diào)蓄池正常蓄水位（897.7m）遭遇地震時的上、下游壩坡。

3.2.2 計算公式

呼延調(diào)蓄池大壩為均質(zhì)壩，抗滑穩(wěn)定計算采用北京理正軟件開發(fā)公司編制的《穩(wěn)定計算分析軟件》（3.4版），計算方法采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普（Simplified Bishop）法。

（1）斷面選擇具有代表性的斷面，采用主壩最大壩高斷面。

（2）參數(shù)采用土工實驗成果并結(jié)合類似工程經(jīng)驗，具體數(shù)值如表1。

表1 壩體填土抗剪強度應力指標

（3）地震烈度取用8°。

（4）土體的抗剪強度，均采用有效應力法。

工況1公式為：

工況2、工況3、工況4公式為：

式中 l為單個土條的滑動面長度（m）；b為條塊寬度（m）；W為條塊實重（kN），W=W1+W2+γwZb；W1為在壩坡外水位以上的條塊實重（kN）；W2為在壩坡外水位以下的條塊浮重（kN）；Z為壩坡外水位高出條塊底面中點的距離（m）；u為穩(wěn)定滲流期或調(diào)蓄池水位降落期壩體或地基中的孔隙壓力（kPa）；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角（°）；γw為水的重度（kN/m3）；mθ為坡度。

3.2.3 抗剪強度及抗滑穩(wěn)定系數(shù)

壩體填土的抗剪強度應力指標如表1，穩(wěn)定計算結(jié)果如表2。

表2 抗滑穩(wěn)定系數(shù)計算成果

呼延調(diào)蓄池大壩為3級建筑物，依據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》，采用簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時，正常運用條件即穩(wěn)定滲流期壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.30，非常運用條件Ⅰ即施工期、檢修期水位下降的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.20，非常運用條件Ⅱ即正常蓄水位與地震組合的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.15。計算結(jié)果表明，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)達到規(guī)范要求。另經(jīng)核算，當土工膜失效，在調(diào)蓄池供水的水位降落期壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足要求，說明為達到壩體有效防滲的目的，確保土工膜施工質(zhì)量是至關重要的。

3.3 大壩沉降計算

大壩沉降計算采用SL274—2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》中附錄E分層總和法，計算斷面選取最大壩高斷面。

黏性土壩體和壩基竣工時的沉降量和最終沉降量按式（3）計算：

式中 St為竣工時或最終的壩體和壩基總沉降量；ei0為第i層的起始孔隙比；eit為第i層相應于竣工時或最終的豎向有效應力作用下的孔隙比；hi為第i層土層厚度；n為土層分層數(shù)。

沉降計算中壩體土的壓縮特性指標系土料場擊實后壓縮試驗成果提供的。

經(jīng)計算，大壩壩頂最大沉降值41cm，約為壩高的1.2%，根據(jù)已建類似工程經(jīng)驗，大部分均質(zhì)土壩的沉降率大于壩高的0.7%。綜合考慮上述因素和工程具體情況，確定壩頂最大預留超高為45cm，約為壩高的1.3%，即壩頂填筑高程為900.25m。

壩頂預留超高沿壩軸線分布，大致隨壩高變化而變化。在主壩0+370壩段壩頂填筑高程為900.1m，向左右壩頭逐漸降低到設計高程899.8m。

副壩可預留超高10cm，即壩頂填筑高程為899.9m，向左右壩頭逐漸降低到設計高程899.8m。

3.4 土工膜防滲體的穩(wěn)定性分析

壩坡上游面護坡由上至下分為護坡干砌石、碎石、砂墊層、土工膜（兩布一膜）、砂墊層。穩(wěn)定性驗算，僅針對防護層與上墊層與土工膜之間的抗滑穩(wěn)定，驗算的最不利工況為調(diào)蓄池水位正常下降。

計算方法采用極限平衡法，土工膜上保護層透水性良好，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：

式中 δ為上墊層土料與土工膜之間的摩擦角；α為壩坡與水平面的夾角，壩坡1∶3，故α為18.4°。

上墊層土料與土工膜之間的摩擦角δ可采用上墊層土料內(nèi)摩擦角的2/3，上墊層土料內(nèi)摩擦角為37°，則取δ為25°。

計算結(jié)果F=1.40>1.20，故滿足抗滑穩(wěn)定。

4 結(jié)語

（1）抗滑穩(wěn)定性分析目的是核算壩體沿壩基面或沿地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定的安全度。當岸坡壩段地形陡峻時，還需核算這些壩段在三向載荷作用下的抗滑穩(wěn)定性。

（2）壩體滑動失穩(wěn)3種模式為沿壩基平面滑動和沿地在中緩傾角斷層或軟弱夾層滑動，本工程采用單一的安全系數(shù)法計算抗剪強度，不考慮凝聚力，偏于安全，凝聚力作為安全儲備，所以規(guī)定的安全系數(shù)較低。正確選定抗剪斷參數(shù)是抗剪斷公式計算精度的關鍵因素。

（3）依據(jù)工程實踐提高壩體抗滑穩(wěn)定性可采取以下措施：①選好壩基，以微風化、新鮮，產(chǎn)狀以傾向上游為佳，若壩基巖石質(zhì)量不理想，要進行地基處理，使其承載力及應變滿足規(guī)范要求；②壩體橫截面抗滑穩(wěn)定計算，安全系數(shù)要滿足規(guī)范要求，如僅為提高壩體的抗滑穩(wěn)定性，可把截面做大一些，這樣壩體就重，相應的抗滑力就大，抗滑力由壩體自重和壩體混凝土與壩基的摩阻力、黏結(jié)力構(gòu)成；③要確保壩基處理、混凝土的施工質(zhì)量。

［1］山西省水利水電勘測設計研究院.山西省萬家寨引黃工程聯(lián)接段備用水源呼延調(diào)蓄工程可行性研究報告［R］.

［2］山西省水利水電勘測設計研究院.山西省萬家寨引黃工程聯(lián)接段備用水源呼延調(diào)蓄工程初步設計地質(zhì)勘察專題報告［R］.

［3］梁桂萍.呼延調(diào)蓄工程的工程選址與方案比選［J］.山西水利科技，2006（3）.

［4］劉文濤.連接段備用水源呼延調(diào)蓄工程調(diào)蓄池的防滲設計［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007（17）.

［5］SL252—2000，水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］.

［6］SL274—2001，碾壓式土石壩設計規(guī)范［S］.