中美規范中土石壩壩頂高程計算差異性研究

岳朝俊　楊衛甲　吳超　張超

摘要：為使參與涉外工程建設的中國水電企業工程人員了解和掌握國內外水電工程規范的差異，在分析中國和美國現行土石壩水電規范條文的基礎上，運用工程算例計算了土石壩壩頂高程。分析結果表明，中國規范確定的土石壩壩頂高程大于美國規范的計算值，可滿足美國規范要求。研究成果可為類似國外土石壩工程建設提供參考。

關鍵詞：土石壩; 壩頂高程; 中美規范

中圖法分類號：TV697 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.016

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0095 - 06

0 引 言

隨著“一帶一路”倡議的實施，中國在沿線國家境內投資建設的水利水電工程越來越多。因此，熟悉和掌握這些國家通用的美國規范，并了解水利水電工程設計及計算中的中美規范差異，對中國水電企業開拓海外市場非常重要。

土石壩作為歷史最為悠久的壩型之一，具有就地、就近取材，能適應各種地形、地質和氣候條件，施工方便，節省鋼材、水泥、木材等重要建筑材料等優點，因而在世界水電工程建設中的應用最為廣泛且發展最快[1-2]。土石壩壩頂高程的確定關系到工程運行安全和經濟效益，需要在確保工程運行安全的條件下，合理選擇壩頂高程，使工程投資效益最大化[3]。

雖然中國土石壩建設在世界上處于領先地位[4]，但海外土石壩項目建設依然以美國規范為主要參考依據，在實踐中也缺乏中美規范的對比研究，不利于中國規范走出國門，給中國工程技術人員開展海外項目建設造成了一定困難[5]。本文通過對比中美相關水利水電標準中土石壩壩頂高程計算相關規定，結合工程實例計算，分析研究了二者的差異，可為從事國際工程的技術人員提供有益參考，也有助于中國規范走向世界。

1 標準選定

中美規范在壩頂高程計算中均需涉及到專業術語。在中國規范中，壩頂高程計算主要術語如下。

（1） 壩頂超高。水庫靜水位至壩頂（或防浪墻頂）的高差。不同的水庫靜水位對應不同的壩頂超高，不同級別的土石壩也對應不同的壩頂超高。

（2） 波浪爬高。波浪沿建筑物坡面爬升的垂直距離（由靜水位起算）。

（3） 風壅高度。風壅水面高度的簡稱，是指在風的拖拽力作用下，水面升高，風壅水面高出原來水位的垂直距離。

（4） 安全超高。為防止波浪壅高時發生漫壩，壩頂在水庫靜水位加風壅高度和波浪爬高之上的安全高度。應根據壩的等級和運用條件來確定。

（5） 沉降超高。土石壩填筑過程中，隨著壩體有效應力的增大，大壩將進一步沉降。為保證工程投入運行后壩頂實際高程等于設計高程，在施工中進行一定高度的超填。

美國規范中波浪爬高、風壅高度及沉降超高的定義與中國規范一致，無安全超高的要求。壩頂超高是指水庫最高水位至壩頂的垂直距離，與土石壩級別無關。

對于土石壩壩頂高程的確定，中國主要采用的是NB/T 10872-2021和SL 274-2020《碾壓式土石壩設計規范》，而美國現通用的是美國墾務局發布的（第13號設計標準：土石壩）（Design Standard No.13：Embankment dams），且該規范中對壩頂高程的計算是在美國陸軍工程師團（USACE）對土壩和堆石壩的設計及施工（EM-1110-2-2300 General Design and Construction Consideration for Earth and Rock-fill Dams）規定基礎上簡化更新的。同時， NB/T 10872-2021和SL 274-2020《碾壓式土石壩設計規范》中對土石壩壩頂高程確定的相關規定完全一致，因此本次主要選擇中國的NB/T 10872-2021《碾壓式土石壩設計規范》和美國墾務局的（第13號設計標準：土石壩）進行對比。

2 中國規范

2.1 設計工況

根據NB/T 10872-2021《碾壓式土石壩設計規范》中的相關規定，壩頂高程=水庫靜水位+壩頂超高，應分別按以下運用條件計算，取其最大值。即：① 設計洪水位加正常運用條件下的壩頂超高;② 正常蓄水位加正常運用條件下的壩頂超高;③ 校核洪水位加非常運用條件下的壩頂超高;④ 正常蓄水位加非常運用條件下的壩頂超高，再加地震安全加高。

在水庫靜水位以上的壩頂超高按下式計算：

y=R+e+A （1）

式中：y為壩頂超高，m;R為波浪在壩坡上的爬高，m;e為風壅高度，m;A為安全超高，m。

2.2 風況影響

風壅高度e受風速、風區長度、風向及風的延時等因素的直接影響。

2.2.1 設計風速

設計風速的取值應根據歷年滿庫運行期實測最大風速資料，并按以下規則取值：① 正常運用條件下的1～2級壩，采用多年平均最大風速的1.5～2.0倍;② 正常運用條件下的3～5級壩，采用多年平均最大風速的1.5倍;③ 非常運用條件下，采用多年平均最大風速。

年最大風速應采用水面上空10 m高度處10 min的平均風速。當僅能獲得距水面其他高度的風速時，采用經驗公式轉換推求水面上空10 m高度處10 min的平均風速。風向宜按水域計算點處8個方位角確定，其允許偏差為±22.5°。

2.2.2 風區長度

風區長度和水庫蓄水后的水域形狀有關。當沿風向兩側的水域較寬廣時，可采用計算點到對岸的距離;當沿風向有局部縮窄且縮窄處的寬度小于12倍計算波長時，可采用5倍寬度為風區長度，同時不小于自計算點至縮窄處的直線距離;當沿風向兩側水域較為狹窄或水域形狀不規則或有島嶼等障礙物時（圖1），應采用等效風區長度進行計算：

2.2.3 風壅高度

2.3 波浪影響

2.3.1 波浪要素

2.3.2 波浪爬高

2.4 安全超高

2.5 沉降超高

壩頂應預留竣工后的沉降超高。預留沉降超高應根據沉降計算、有限元應力應變分析、施工期監測和工程類比等綜合分析確定。當壩頂沉降量與壩高的比值大于1%時，應在分析計算成果的基礎上，論證選擇的壩料填筑標準的合理性和采取工程措施的必要性[6]。還應在壩中段增大預留沉降超高0.3～0.5 m，在設計中考慮壩長與壩高。預留沉降超高不應計入壩的計算高度。

3 美國規范

在美國墾務局編制的第13號設計標準：土石壩中，土石壩應采用可能最大洪水（PMF）作為設計洪水，并在水庫最高洪水位以上留出足夠的超高，以防大壩在風、浪運動或地震作用下發生漫頂。

3.1 設計工況

在美國規范中確定土石壩壩頂高程主要考慮以下工況。

（1） 最小超高。最高庫水位+3ft（1ft=0.304 8 m）;最高庫水位+中等風速（P=10%）波浪爬高+對應的風壅高度。

（2） 正常超高。正常運行水位+100 mile/h（約44.7 m/s，1 mile=1 609.344 m）風速所引起的水面波浪爬高+對應的風壅高度。

（3） 校核超高。最高庫水位-2ft（或4ft）+波浪爬高+風壅高度≤壩高（1，2，3工況）。

校核超高時的波浪爬高和風壅高度為設計入庫洪水（IDF）期間可能遇到的風速所對應的最大波浪爬高和風壅水面高度。

3.2 風況影響

3.2.1 設計風速

3.2.3 風壅高度

3.3 波浪影響

3.3.1 波浪要素

3.3.2 波浪爬高

3.4 安全超高

美國規范中并無安全超高這一計算選項，但在壩頂高程計算中應考慮洪水過程特性、水庫運行、溢洪道及其他泄水建筑物故障、壩頂裂縫、公共安全等因素，并結合實際情況具體分析。當壩頂高程的確定涉及重大公共安全等因素時，應報送美國墾務局公共安全管理部門審批。

3.5 沉降超高

美國規范中壩頂預留沉降超高主要包括地基和壩體允許的沉降，并在以往工程經驗的基礎上給出如下說明：對于基礎壓縮性較小的土石壩，常設置約1%壩高的超填量;對于壩基壓縮性較大、預期沉降較大的土石壩，最大超填量應為最大壩高的1%～2%;在壩高計算中，不計入壩體或地基沉降造成的高度損失，只在施工期壩頂預留沉降超高時考慮。

4 工程算例

4.1 工程概況

某水庫大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，大壩級別為5級，水庫正常蓄水位314.40 m，設計洪水位317.00 m，校核洪水位（最高庫水位）322.02 m，多年平均最大風速23.693 m/s，風區長度6 759 m，正常蓄水位時沿風區水深15.24 m，大壩上游壩坡為1V：3H，下游壩坡為1V：2H，地震引起的涌浪高度1.5 m。

4.2 計算結果

分別采用中美規范計算該堆石壩壩頂高程，具體結果見表2～3。

4.3 差異對比

通過對比表2和3可知：

（1） 正常運行條件下，在正常蓄水位314.40 m時，美國規范使用的風速為100 mile/h（44.7 m/s），超過中國規范采用的設計風速的1.5倍（35.54 m/s），其計算所得波浪爬高和風壅高度之和較大[2.743>（2.524+0.103）]，但因中國規范額外考慮了安全加高，所以在該條件下中國規范計算的壩頂高程仍然較大。

（2） 非常運用條件下，在校核洪水位（最高庫水位）322.02 m時，美國規范采用的設計風速為超越概率為10%的典型風19 mile/h（8.493 m/s），比中國規范取用的多年平均最大風速23.693 m/s小，導致計算所得波浪爬高和風壅高度之和較小[（0.442+0.006）<（1.614+0.027）]，同時中國規范設有安全超高，因此在校核洪水位工況下中國規范計算的壩頂高程較大。

（3） 該工程為5級土石壩，可作為一般4～5級壩的代表。在中國規范中，其壩頂高程一般受校核洪水位和非常運用條件下的壩頂超高的工況控制，在美國規范中一般受最高庫水位+3ft的工況控制，中國規范計算的壩頂高程大于美國規范計算的數值。

（4） 對于正常運用條件下的3級土石壩，安全超高值增加為0.7 m，且3級壩采用累計頻率1%的波浪爬R，而美國規范則無變化，在該條件下中國規范計算的壩頂高程進一步增大;非常運用條件下，在校核洪水位（最高庫水位）時，安全超高值增加為0.5m，且3級壩采用累計頻率1%的波浪爬R1%，而美國規范則無變化，在該條件下中國規范計算的壩頂高程也進一步增大。

（5） 對于正常運用條件下的1～2級土石壩，中國規范可采用多年平均最大風速的1.5～2.0倍，采用累計頻率1%的波浪爬R1%，其波浪爬高和風壅高度也將變大，安全超高值也增至1.5 m和1.0 m，美國規范則無變化，在該條件下中國規范計算的壩頂高程進一步增大;非常運用條件下，在校核洪水位（最高庫水位）時，安全超高值增加為1.0 m和0.7 m，采用累計頻率1%的波浪爬R，美國規范則無變化，在該條件下中國規范計算的壩頂高程也進一步增大。

綜上所述，中國規范確定的土石壩壩頂高程一般大于美國規范確定的壩頂高程，能同時滿足美國規范的要求。

5 結 論

（1） 通過對比現行的中國NB/T 10872-2021《碾壓式土石壩設計規范》和美國第13號設計標準（土石壩）可知：兩國規范對于土石壩壩頂高程的計算均考慮了多種工況，中國規范中壩頂高程為各工況靜水位加上波浪高度、風壅高度及安全超高，對于地震區的安全超高還應考慮地震作用下的附加沉陷和地震涌浪高度等，美國規范則無專門的安全超高計算項。

（2） 中美規范對于風浪因素均進行了詳細規定，中國規范以多年平均最大風速為計算依據，美國規范在最高水位時采用庫水位處或接近最高水位時的風速，在正常水位時采用了最大可能風速。雖然中美規范計算的波浪爬高和風壅高度之和存在差別，但由于中國規范考慮了安全超高，一般情況下最終計算的壩頂高程較大，土石壩等級越高，差別越明顯。因此，在國外項目采用中國規范確定的土石壩壩頂高程，一般均可同時滿足美國規范要求。

（3） 在計算土石壩壩頂高程時，兩國規范均未考慮壩體或地基沉降造成的高度損失，主要通過在施工期超填作為預留沉降來考慮，在河床及兩岸根據壩高或覆蓋層的厚度不同，考慮不同的預留沉降量。

參考文獻：

[1] 林繼鏞.水工建筑物[M].北京： 中國水利水電出版社，2010.

[2] 王柏樂.中國當代土石壩工程[M].北京：水利水電出版社，2004.

[3] 夏德志，譚敏枚.淺談對土石壩的認識 [J].建工科技， 2015， 26（4）： 131.

[4] 趙琪.土石壩設計研究綜述.土石壩技術2014年論文集[M].北京：中國電力出版社，2014： 52-57.

[5] 孔令學，董紹堯，馮業林.中外土石壩標準體系研究 [J].云南水力發電， 2021， 37（11）： 229-234.

[6] 袁光裕，胡志根.水利工程施工[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

（編輯：唐湘茜）

Difference research on embankment dam crest elevation between Chinese and American specifications

YUE Chaojun YANG Weijia WU Chao ZHANG Chao

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Dali Bai Autonomous Prefecture

Institute of Hydraulic Survey， Design and Research， Dali? 671000， China）

Abstract：For Chinese hydropower entrepreneur engineers involved in international projects to acknowledge and acquire the hydropower specification difference between Chinese and foreign countries， based upon analyzing Chinese and USA hydropower specifications， the embankment dam crest elevation is obtained by one project calculation. The results demonstrate that the embankment dam crest calculated by Chinese specification is higher than the one calculated by USA and meet USA demands. These achievements may be taken as a reference for similar foreign projects.

Key words： embankment dam; dam crest elevation; specifications of Chinese and USA