營盤水庫大壩結構設計及計算分析

張學森，范 濤，黃琳琳

(紅河哈尼族彝族自治州水利水電工程地質勘察咨詢規劃研究院，云南 紅河哈尼族彝族自治州 661199)

水庫大壩是水利工程建設的重點，對大壩進行科學合理的設計，是大壩結構安全的關鍵。鄭源以魯家壩水庫為例，對大壩加高擴建進行方案比選，認為加高擴建后大壩穩定得到提高；于子介介紹了STAB在水利大壩設計中的應用，并對設計大壩進行穩定性分析，該軟件在水利大壩設計中較為方便；康振生以應縣小石口水庫為例，對水庫大壩設計進行研究，并提出了相應的施工管理措施；田雪梅等以浩口水電站工程為例，對混凝土重力壩結構優化設計進行分析研究，為類似工程提供參考；葉祥飛等以海南一水電站為例，對大壩設計進行研究，經過實際監測，滲流量在可控范圍內；鄭紅等以明朗水庫為例，認為壩基帷幕灌漿+壩腳排水棱體組合的方式具有較好的防滲效果；李建霞等以白石水庫為例，對壩體、壩基防滲處理方案設計進行研究；甄文學、王玨、陳洪軍等結合工程實例，對水庫大壩浸潤線、滲流穩定性進行分析，為工程設計提供參考。在前人研究基礎之上，以營盤水庫為例，對大壩結構設計和滲流穩定性進行分析。

1 工程概況

營盤水庫建設目的為灌溉和提供生活用水。水庫建設總庫容為110.58×104m3，最大壩高設計為44.51m，設計輸水流量為0.133m3/s。設計洪水重現期為30年一遇；校核洪水重現期為300年一遇。水庫建設完成后，可為5600多人提供生活用水，灌溉面積達100hm2。各建筑物采用的洪水標準及相應流量見表1。

表1 主要水工建筑物洪水設計標準

2 壩體結構設計

2.1 壩頂結構

營盤水庫大壩，屬于中型壩，設計壩頂寬為5.0m，壩體長為133.0m，大壩頂部兼具過河交通作用，壩體頂部使用級配碎石墊層和混凝土進行表面處理。路面排水從上游至下游排水，使用單向排水，坡度為3%。下游側路面每隔10.0m設置一排水管，將路面積水排除，壩頂上游側設置防浪墻，高于壩頂1.0m。下游側路肩上設高度為0.3m的漿砌粗料石路緣。

2.2 壩體分區

使用風化料作為大壩壩殼填筑材料，設計參數為：干密度2.00g/cm3；內摩擦角27°；凝聚力25.0kPa；滲透系數≥1.0×10-3/cm/s，使用粘土作為防滲材料，防滲體上、下游均使用一層砂、碎石反濾料，在壩腳部位設置排水棱體和總排水溝。

2.3 壩坡結構布置

上、下游壩坡的戧臺寬度考慮壩面排水、檢修、觀測，上游壩坡坡比1∶2.25，下游壩坡為兩級變坡：一級坡坡比1∶2.0、二級坡坡比1∶2.25，變坡高程為1433.30m，變坡處設2.0m寬的戧臺。

2.4 防滲體

防滲體為粘土心墻，心墻軸線布置于壩軸線上游側0.5m。心墻頂寬3.00m，頂部高程1453.00m，與防浪墻緊密結合，底部高程1409.39m，心墻最大高度43.61m，上下游邊坡坡比均為1∶0.25，最大底寬24.80m，在心墻底部設0.5m厚的C15混凝土灌漿蓋板。心墻料設計指標為：干密度1.31g/m3；最優含水率28%；內摩擦角15°；凝聚力20kPa；滲透系數≤1×10-5cm/s。

2.5 反濾層、過渡層與壩體排水

為了保護防滲體心墻料不發生滲透變形，協調心墻料、壩殼料之間的變形，在心墻下游設置了反濾層，反濾層根據心墻料、壩殼料的顆粒級配，經反濾設計確定為砂、碎石反濾料各一層，為滿足施工要求，參照防滲體下游反濾層的設計，在防滲體上游亦設置砂、碎石料過渡層各一層，各層過度料的水平厚度均為1.5m，過度層水平厚度共3.0m。砂反濾層粒徑為0.25～5mm，碎石反濾層粒徑為5～20mm。

為有效降低下游壩體浸潤線和下游壩體內孔隙水壓力，保證下游壩體邊坡穩定，壩腳采用棱體排水設施，棱體頂寬2m，內坡比1∶1，外坡比1∶1.5。

2.6 護坡及壩面排水

壩面擬采用C15混凝土預制塊護坡，預制混凝土板在浮力作用下穩定的面板厚度可按式(1)計算，計算結果見表2。

(1)

式中，η—系數，對裝配式護面板取1.1；hp—累積頻率為1%的波高，m；b—沿壩坡向板長，0.3m；ρc—板的密度，2.4t/m3；ρw—水的密度，1.0t/m3；m—壩坡坡度系數，2.5；Lm—平均波長，m。

表2 護坡計算表

經計算，預制混凝土塊厚度為89mm可滿足浮力作用下的穩定要求。根據近似工程實例，上游護坡采用預制混凝土塊與現澆混凝土塊交錯布置的型式，即預制混凝土塊厚120mm，尺寸為300mm×500mm×120mm，相連塊間隔300mm，行間對空布置，形成300mm×300mm四周封閉空格，采用C15現澆混凝土填充作現澆混凝土塊護坡，厚度：低側120mm，高側60mm。

上游壩面C15混凝土塊護坡范圍為由壩頂至高程1436.50m處，由高程1436.50m至護坡起點高程1435.00m設干砌塊石護坡蹬腳，護坡及蹬腳下依次為粗砂墊層(厚0.2m)，粒徑2.0～5.0mm；碎石墊層(厚0.2m)，粒徑5.0～30mm。上游壩坡與岸坡連接處設M7.5漿砌塊石護岸擋墻，擋墻頂面高于壩面0.5m。

下游由壩頂(高程1453.40m)至棱體頂部(高程1416.00m)設C15混凝土框格草皮護坡。壩坡與岸坡連接處及戧臺內側設置40cm×40cmM7.5漿砌塊石排水溝，防止山體和壩體地表水對壩坡沖刷。

在上、下游壩坡設置一道1.2m寬的C15混凝土人行階梯。

3 壩體滲流計算

溢洪道出口距下游壩腳約85m，消能防沖洪水流量為5.56m3/s，下泄水流經由溢洪道出口可泄放至河道下游，水流在壩腳處不會形成積水，故滲流計算時按壩下游無水情況分析。

3.1 穩定滲流

壩體穩定滲流計算，如圖1所示，按不透水地基上心墻壩滲流計算下游浸潤線，同時按心墻壩下游有排水設備情況進行計算。計算公式如下：

(2)

(3)

壩體浸潤線方程為：

(4)

式中，x、y—自由水面線上任意一點的坐標；H1、H2—壩體上、下游水深，m；h—心墻浸潤線的溢出高度，m；q—通過壩體的單寬滲流量，m2/d；k1、k2—壩殼料的滲透系數和心墻料滲透系數，m/d。

圖1 心墻壩穩定滲流浸潤線計算簡圖

通過計算，各水位條件下穩定滲流的浸潤線見表3。

表3 各水位穩定滲流浸潤線方程

通過滲流計算，正常蓄水位時，防滲心墻下游浸潤線逸出高度為3.11m，壩體單寬滲流量為0.242m3/(d·m)，總滲流量Q=16.94m3/d。在各特征水位下，其浸潤線的計算成果如圖2所示。

圖2 不同工況下浸潤線分布

3.2 非穩定滲流

按不透水地基上的心墻壩進行壩體非穩定滲流計算上游壩浸潤線，如圖3所示，在重力滲流的情況下，土壩壩體內自由水面線為一拋物線，用式(5)表示。

y=a+bx2

(5)

式中，a、b—系數；x、y—水面上一點的坐標。

圖3 心墻壩非穩定滲流浸潤線計算簡圖

經過計算，水位降落時的浸潤線的計算成果見表4。

表4 正常蓄水位至不利水位浸潤線

3.3 滲透穩定計算

巖土體性質和水力梯度均會對滲流穩定產生影響。大壩的心墻料為粘性土，其可能的滲透變形為流土。根據規范計算流土臨界水力比降為：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(6)

式中，Jcr—土的臨界水力比降；Gs—土的比重，Gs=2.76；n—土的孔隙率(以小數計)，n=0.52。

經計算，心墻防滲體的臨界水力坡降Jcr=0.84，取安全系數K=1.5，則有允許水力比降J允=0.56，經計算心墻下游滲透出逸比降為J實=1.17～2.13，大于允許水力坡降，心墻可能會發生滲透破壞。為此，在心墻的上、下游設置反濾層對心墻進行保護。

4 壩體穩定性計算

根據土工試驗結果，結合本工程的地質情況，壩體穩定計算時，物理指標取平均值，力學指標取小值均值，壩體、壩基采用的物理力學指標具體見表5。

表5 攔河壩穩定分析物理力學指標表

粘土心墻風化料壩的穩定計算，根據SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》的要求，壩坡抗滑穩定計算采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法，計算程序采用河海大學編制的Autobank7.0程序計算，成果見表6。

5 動荷載作用下壩頂力學響應研究

根據上述大壩結構設計和壩體材料分區，建立數值模擬模型和數值模擬參數選取。

車輛荷載是垂直路面，方向向下的，保持車輛荷載在路面的作用位置保持不變，改變車輛的荷載。研究荷載在1s時間循環次數為10次的情況下，壩頂路基的應力-應變關系。

表6 大壩壩穩定計算成果表

車輪與路面接觸位置的動應力響應特征如圖4所示，接觸點位置振動中心為150kPa，振幅為30kPa；與車輪距離0.5m處的振動中心為8kPa，振幅為2kPa；與車輪距離1.0m處的振動中心為6kPa，振幅為0.8kPa。距離車輪位置越遠，振動越小，振幅越小。

圖4 車輪處應力與時間關系曲線

車輪所在部位的橫向應力最大，為180kPa，如圖5所示，車輪中心(道路軸線)部位最大應力不大于10kPa。從圖5可以看出，車輛荷載影響范圍較小，不大于1.0m。與車輪距離越遠，最大橫向應力越小，且應力衰減較快。

圖5 橫向應力

6 結語

以營盤水庫為例，對水庫大壩方案設計進行研究，使用理論計算方法對大壩滲流進行分析，獲取不同工況水位條件下，水庫大壩的浸潤線分布特征。

使用穩定滲流和非穩定滲流兩種方法對大壩滲流穩定性進行分析，獲取大壩在不同工況下的滲流穩定性情況，計算結果表明大壩穩定性較好。

使用數值模擬方法對壩體頂部道路車輛動荷載響應進行分析，車輪處為荷載最大的位置，隨著與車輪位置的增大、深度的加大，荷載響應逐漸減小，壩體結構滿足車輛動荷載要求。