水城縣營盤水庫大壩高程設計及穩定性分析

陸彥平

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 工程概況

在建造堤壩之前，大壩高程設計對整個水庫大壩后期運行的穩定性和抵抗自然災害的能力至關重要[1-4]。不合理的水庫大壩高程設計嚴重威脅人民生命財產安全，因此確定合理大壩高程設計方法具有重要意義[5-9]。

本次研究的營盤水庫位于長江流域烏江水系六沖河右岸一級支流引底河源頭段下馬田河上、貴州省水城縣金盆鄉營盤村境內，距六盤水市中心城區約64 km，距金盆鄉政府約4 km；自中心城區起沿232 縣道行至63 km 處接新建0.984 km 上壩公路即可通達壩址區。水庫集雨區分水嶺最高高程2400.5 m，壩址河谷最低高程1797.80 m，相對高差599.2 m，枯期基流11.8 L/s（2014年3月1日三角堰實測值），主河道長2.678 km。本文以該水庫為例，研究了壩頂高程和建基面確定方法，同時探討了大壩應力分析及穩定計算方法和結果，研究方法可為相關大壩工程提供參考。

2 大壩建筑物設計

2.1 壩頂高程和建基面確定

大壩為復合土工膜防滲碾壓風化料壩，最大壩高18.23 m，壩頂高程1814.00 m，根據地質情況，壩軸線處建基面高程1798.90 m。經綜合考慮，壩頂寬度定為4.5 m，采用C20 混凝土路面，壩頂長度89.06 m。大壩采用復合土工膜防滲，壩基采用沿上游趾墻布設單排灌漿帷幕孔防滲，上游壩坡為1∶2.2，下游壩坡為1∶1.8，下游壩坡采用干砌石護坡并在高程1803.10 m 處設置排水棱體，壩坡與兩岸連接處設置排水溝。

2.2 壩頂高程計算

2.2.1 壩頂超高確定

壩頂在水庫靜水位以上的超高由三部分組成，即波浪爬高、風壅水面高度和安全加高，計算公式如下：

式中：y為壩頂超高（m）；R為最大波浪在壩坡上的爬高（m）；e為風浪引起的壩前水位壅高（m）；A為安全加高（m），取值詳見表1。本工程大壩級別為5級，處于山區、丘陵區，設計洪水位時A取0.5 m，校核洪水位時A取0.3 m。

表1 安全加高值

2.2.2 波浪爬高計算

風浪要素采用《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）附錄A.1.5莆田試驗站公式計算：

式中：hm為平均波高（m）；Lm為平均波長（m），需試算確定；Tm為平均波周期（s）；W為風速（m/s）；D為風區長度（m）；Hm為水域平均水深（m）；g為重力加速度（m/s2），取9.81m/s2；H為壩前水深（m）。

依據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001），波浪高度計算所用的設計風速在設計洪水情況下采用多年平均最大風速的1.5倍、校核洪水情況下采用多年平均最大風速，水城縣氣象站實測多年平均年最大風速為15.7 m/s，即W設計=1.5Wm=1.5×15.7=23.55（m/s）、W校核=Wm=15.7 m/s。

本工程風區長度采用庫區等效風區長度值，庫區等效風區長度De依據庫區1/2000 水庫水域平面圖計算。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001），等效風區長度De按下式計算：

式中：De為等效風區長度（m）；Di為計算點至水域邊界的距離（m），i取0、±1、±2、±3、±4、±5、±6；αi為第i條射線與主射線的夾角（°），等于i×7.5°。

根據計算結果，設計洪水位時，等效風區長度De=307.4 m。等效風區長度計算如圖1所示，計算成果詳見表2。

圖1 風區長度計算簡圖

表2 風浪要素計算成果

設計波浪爬高根據工程等級確定，5 級壩采用累積頻率為5%的爬高值R5%。R5%/Rm可以由表3 查得。大壩上游壩坡系數m為2.2，當m=1.5～5.0 時，平均波浪爬高Rm采用下式計算：

表3 波浪爬高計算成果

式中：K△為斜坡的糙率滲透性系數（m/s），上游采用六角形混凝土板護坡，查表得K△=0.9；KW為經驗系數（m/s），經驗系數由即風速和壩前水深確定，本工程中設計洪水位時== 2.02、查表并用插值法求得KW=1.08，校核洪水位時1.32、查表求得KW=1.013；m為壩坡系數，取2.2，無量綱；hm為平均波高（m）；Lm為平均波長（m）。

風壅水面高度e可按下式計算：

式中：K為綜合摩阻系數，取3.6×10-6，無量綱；b為計算風向與壩軸線法線方向的夾角（°），取0；其余變量含義同上。

通過計算，設計洪水位時e為0.0045 m，校核洪水位時e為0.0019 m。超高計算成果，詳見表4。

表4 超高計算成果

壩頂高程按照《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）的規定確定，為水庫靜水位與壩頂超高之和。根據本工程特征，按照以下3 種應用條件計算，取其大者：①設計洪水位加正常運用條件的壩頂超高；②正常蓄水位加正常運用條件的壩頂超高；③校核洪水位加非常運用條件的壩頂超高。根據計算結果，大壩計算最大高程為1814.56 m，設1.1 m高防浪墻，防浪墻頂高程取1815.10 m，壩頂高程為1814.00 m，壩高計算成果詳見表5。

表5 壩高計算成果

2.3 大壩應力分析及穩定分析

2.3.1 大壩應力分析

由于本工程大壩基本坐落在強風化基巖上，既使有小部分河床壩段坐落在沖洪積層和殘破積層上，在施工時也需碾壓夯實，且壩體填筑對壩基影響較小，本階段未進行大壩沉降分析。

2.3.2 大壩穩定分析

本工程屬Ⅴ等工程，水庫的大壩、溢洪道、取水放空等主要建筑物為5級建筑物。本工程為碾壓風化料壩，地震基本烈度為Ⅵ度，區域構造穩定性好。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）、《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL189-2013）及《水工建筑物抗震設計規范》（SL203-1997）相關規定，大壩結構可不進行抗震計算。大壩穩定分析的計算情況如下。

（1）計算條件。計算條件包括正常運用條件和非常運用條件。正常運用條件為工況1、工況2和工況3，工況1：庫內水位由正常蓄水位1811.80 m降至死水位1806.05 m，對應庫外無水，計算上游壩坡；工況2：庫內水位處于正常蓄水位1811.80 m，對應庫外無水，計算穩定滲流期的下游壩坡；工況3：庫內水位處于設計洪水位1813.15 m，對應庫外無水，計算穩定滲流期的下游壩坡。非常運用條件為工況4、工況5和工況6，工況4：庫內水位處于校核洪水位1813.72 m，對應庫外無水，計算穩定滲流期的下游壩坡；工況5：施工期庫內外均無水（取地面高程），計算上游壩坡；工況6：施工期庫內外均無水（取地面高程），計算下游壩坡。

（2）計算方法。大壩為5 級建筑物，按照《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL189-2013）的規定，計算方法采用有效應力-瑞典圓弧法，利用理正巖土6.0軟件進行壩坡穩定計算。計算參數包括：壩頂高程1814.00 m；正常蓄水位1811.80 m；設計洪水位1813.15 m；校核洪水位1813.72 m；死水位1806.05 m；強風化白云質泥巖抗剪強度φ=18°，c=70 kPa，承載力300 kPa，容重γ=2.3 g/cm3；強風化泥質灰巖抗剪強度φ=28°，c=75 kPa，承載力1500 kPa，容重γ=2.7 g/cm3；強風化白云質泥巖夾50%砂質黏土抗剪強度φ=16°，c=20 kPa，承載力200 kPa，容重γ=2.3 g/cm3；含粉粗黏～粗黏土抗剪強度φ=11°，c=60 kPa，承載力130 kPa，容重γ=2.15 g/cm3；上游坡比為1∶2.2，下游坡比為1∶1.8。

（3）壩坡穩定計算成果。各工況安全系數詳見表6，由于篇幅原因，只給出了工況1的臨界滑弧，如圖2所示。經計算，各工況下大壩上、下游壩坡抗滑穩定安全系數均大于規范要求，大壩安全可靠。

圖2 工況1：水位由正常蓄水位驟降至死水位上游壩坡（Fs=1.363）

表6 大壩邊坡穩定計算成果

2.3.3 土工膜穩定計算成果

水庫蓄水以后，水壓力使復合土工膜對整平層施加很大壓力，所以抗滑安全系數很大，不必計算，重點計算施工期的土工膜穩定性。上游坡比為1∶2.2，屬于緩坡，計算公式如下：

式中：α為上游坡與水平面夾角（°）；f為復合土工膜與整平層間摩擦系數，無量綱，取0.48～0.62。

本工程中，α=24.444°，f=0.5，經計算得k=1.1，滿足抗滑穩定要求。同時，為了增加土工膜與支持層之間的穩定系數，上游壩坡每隔8 m 設置1 道嵌固槽，采用C20混凝土作為嵌固槽的壓重。

3 結論

本文以水城縣營盤水庫為例，研究了壩頂高程和建基面確定方法，同時還探討了大壩應力分析及穩定計算方法和結果。根據計算結果，水庫校核水位為1813.725 m，壩頂超高值為0.835 m，則大壩計算最高水位為1814.56 m，大壩壩頂設1.1 m 高防浪墻，防浪墻頂高程取1815.10 m，壩頂高程為1814.00 m，則壩頂高程大于水庫校核水位，且防浪墻頂高程大于大壩計算最高水位，本工程大壩壩頂高程和防浪墻頂高程取值滿足規范要求；各工況下，大壩上、下游壩坡抗滑穩定安全系數均大于規范要求，大壩安全可靠。