小型土質防滲體土石壩壩體結構設計要點淺析
——以JDH水庫為例

王春明，鄭 雪，淡 倉

（云南水利水電職業學院，云南 昆明 650202）

0 引言

根據《中國水利統計年鑒》，截至2018年底，我國已建成水庫98822座，其中小型水庫94132座，占比95.3%。而在世界壩工程建設中，土質防滲體土石壩是應用最廣泛、發展最快的一種壩型[2]。土石壩作為水利樞紐工程中的擋水建筑物，對其基本要求主要有安全和功能兩方面，主要包括壩頂高程、滲流（滲流量和滲流穩定）、抗滑穩定和變形要求。對于強震區，還應滿足抗震要求[2]。

JDH水庫主要任務為農田灌溉供水，水庫總庫容112萬m3，工程規模為小（1）型，工程等別為Ⅳ等。洪水標準為30年一遇設計，300年一遇校核。工程區地震設計烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度G=0.2g，地震動反應譜特征周期為S=0.45s，水庫合理使用年限50年。

本文結合現行《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2020）（以下簡稱《規范》）中強制性條文以JDH水庫為例對小型土質防滲體土石壩壩體結構設計要點進行淺析。JDH水庫壩型為黏土心墻風化料壩，大壩級別為4級，壩高45.7m、按其壩高分為中壩。大壩涉及的強制性條文內容有壩體防滲土料，反濾料、過渡層料和排水體料要求；黏性土的壓實度，砂礫石和砂的填筑標準；壩頂超高；壩頂、防滲體預留沉降超高；反濾層設置；壩坡抗滑穩定安全等。

1 壩頂高程確定

為確保大壩安全、防止洪水漫壩，《規范》強制性條文對壩頂在水庫靜水位以上的超高計算，壩頂高于靜水位作了要求。小型土石壩一般設無閘控制河岸溢洪道泄流，壩頂高程根據興利調節及防洪調度水庫特征水位與壩頂超高之和確定，一般按以下4種運用條件計算，取其最大值作為壩頂高程。工況①：正常蓄水位+正常運用條件的壩頂超高；工況②：設計洪水位+正常運用條件的壩頂超高；工況③：校核洪水位+非常運用條件的壩頂超高；工況④：正常蓄水位+非常運用條件的壩頂超高+地震安全加高[1]。

JDH水庫正常蓄水位2010.20m，設計洪水位（P=3.33%）2012.77m，校核洪水位（P=0.33%）2013.63m。壩址區多年平均最大風速V=21.0m/s，非常運用條件采用多年平均年最大風速；正常運用條件下，4級壩，采用多年平均年最大風速的1.5倍。風區長度760m。

超高計算波浪要素采用莆田試驗站公式計算，最大波浪在壩坡上的爬高、最大風壅水面高度根據《規范》附錄A公式計算。土石壩地震安全加高（地震沉降和地震雍浪高度）根據《水工建筑物抗震設計標準》（GB51247-2018）規定確定，各運用條件下計算壩頂高程見表1。

根據以上計算確定壩頂高程為2015.013m；根據《規范》第5.3.4條 當壩頂上游側設有防浪墻時，壩頂超高可改為對防浪墻頂的要求；第5.3.5條 在正常運用條件下，壩頂應高出靜水位0.5m；在非常運用條件下，壩頂應不低于靜水位。JDH水庫壩頂設1.0m高防浪墻，則防浪墻頂高程2015.10m，壩頂高程2014.10m。

2 壩體結構及分區

土石壩的壩體結構設計包括基本剖面擬定、壩體分區及壩體構造設計。土石壩剖面主要包括壩頂高程、壩頂寬度、壩坡、防滲結構、排水設施的類型和基本尺寸，根據壩高、壩的級別、壩型和筑壩材料特性、壩基情況以及施工、運行條件等參照類似壩型的實踐經驗初步擬定，然后通過滲流和穩定分析檢驗，最終確定合理的剖面形狀及尺寸。壩體分區設計應根據壩體各區功能和當地材料、挖填平衡的原則，經技術經濟比較確定，以滿足大壩安全運用要求及經濟、合理的目的。小型土質防滲體土石壩一般分為防滲體、反濾層、壩殼、排水體等區，不同區填筑材料應有明確界線，填筑材料性質及填筑標準須滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》及《規范》強制性條文規定。對滿足抗滲和穩定要求的土石壩基本剖面，還需要通過構造設計來保障壩的安全和正常運行，土石壩的構造主要包括壩頂、防滲體、排水設施、護坡及壩坡排水。

JDH水庫大壩為黏土心墻風化料壩，壩頂高程2014.10m，心墻建基面高程1968.40m，大壩最大壩高45.7m，壩軸線長110.50m。

JDH水庫大壩壩頂寬5m，上游側設1.0m高防浪墻，壩頂采用混凝土預制塊護面。防滲黏土心墻軸線與壩軸一致，心墻頂高程2013.70m，頂寬3.0m，上、下游坡比均為1：0.25，最大底寬25.5m；心墻上、下游側各設置兩層反濾，上游側層厚1.0m，下游側層厚1.5m。下游壩坡腳設排水棱體，排水體高8.5m，頂高程1975.10m、頂寬2m，外坡1：1.5、內坡1：1，棱體與壩殼料結合處設層厚0.5m的兩層反濾。上下游壩坡分別采用混凝土預制塊、混凝土網格梁草皮護坡；下游壩坡兩側、馬道內側、踏步兩側設排水溝。大壩壩基采用帷幕灌漿防滲，軸線沿心墻軸線布置，左、右岸灌漿邊界以正常蓄水位與地下水位交點控制，灌漿深度以深入基巖相對隔水層（q≤5Lu）一個灌漿段控制。JDH水庫大壩標準剖面見圖1，壩體結構分區見圖2。

3 滲流及穩定計算分析

滲流及穩定計算包括滲流計算分析及壩坡穩定計算。滲流計算的任務是確定壩身浸潤線位置，確定通過壩體、壩基各部位的滲透比降，確定壩體、壩基的滲漏量，為選擇合理的滲控方案提供依據[2]。土石壩的失穩形式主要是壩坡滑動或壩坡與壩基一起滑動，穩定分析的目的是核算土石壩在自重及各種情況的孔隙壓力和外荷載作用下，壩坡是否具有足夠的穩定性[3]。

3.1 計算方法

AutoBank軟件根據我國現行行業標準規范要求編寫，可進行滲流分析、穩定分析、應力應變分析以及水工建筑物整體穩定計算分析，專業特點顯著。運用AutoBank7.7軟件進行土石壩滲流及邊坡穩定計算主要含建模、滲流分析、穩定分析三個模塊，軟件提供了各模塊使用演示視頻及說明，給水利水電工程技術人員帶來極大方便。

3.2 計算邊界、參數及斷面

滲流、流透穩定及壩坡穩定計算均須分析確定相應計算邊界條件及壩體物理力學性能參數，確定計算模型（計算斷面）。

3.2.1 計算邊界

小型土石壩計算主要邊界條件為固定水頭邊界、出逸邊界、自由水面、不透水邊界[7]。穩定滲流固定水頭邊界為壩體上、下游特征水位，上游特征水位根據設計洪水和調洪演算的結果確定，下游特征水位根據下泄流量由下游控制斷面水位流量關系推求；非穩定滲流水頭邊界由水位變化情況分析確定；出逸邊界及不透水邊界根據其可能性及壩基條件在計算模型上界定；自由水面為計算所得滲流浸潤線。JDH水庫穩定滲流期固定水頭邊界指標見表3。

3.2.2 計算參數

《規范》強制性條文對防滲土料滲透系數，水溶鹽的易溶鹽和中溶鹽的含量；對反濾料、過渡層料和排水體料的質地、級配、透水性、細粒含量；黏性土的壓實度，砂礫石和砂的填筑標準作了規定及要求。JDH水庫按《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》（SL251-2015）對心墻防滲土料、壩體風化料、反濾料、排水體堆石料等進行了勘察及試驗。根據試驗成果、資料整理規定及工程類比綜合確定計算參數。壩體各區物理力學性能指標見表2。

表2 大壩計算物理力學性質指標參數

3.2.3 計算斷面

JDH水庫為4級中壩，按二維滲流進行滲流分析。水庫兩岸地形起伏不大、地質條件相似、不同壩體材料在壩體結構中所占比例與河床最大壩高斷面基本相同。經綜合分析，確定最大壩高斷面為滲流及穩定分析的控制斷面。計算斷面采用概化斷面，共分五區：Ⅰ區—壩殼料；Ⅱ區—防滲心墻；Ⅲ區—排水棱體；Ⅳ區—壩基土；Ⅴ區—壩基巖體。計算斷面見圖2。

3.3 滲流計算分析

滲流計算主要內容包括確定壩體浸潤線及其下游溢出點位置；確定壩體與壩基的單寬滲流量和總滲流量；確定下游壩殼與壩基面之間的滲透比降，壩坡出逸段的出逸比降，以及不同土層之間的滲透比降；確定庫水位降落時上游壩坡內的浸潤線位置或孔隙壓力[1]。

JDH水庫兩岸坡地形起伏不大、壩基透水層厚度基本一致，采用壩體最大橫斷面求出單寬滲流量，再根據縱斷面概化等效壩體長度得到總滲流量。滲流計算成果見表3，設計洪水位滲流分析圖見圖3。

圖3 設計洪水位滲流分析圖

表3 大壩滲流及穩定計算成果表

土石壩對滲漏量沒有定量控制要求，根據開發目標不同以滲漏量不影響工程效益而定[2]。JDH水庫正常蓄水位時壩體單寬滲流量q=2.0m3/m.d，概化壩長71m，則年滲漏量為2.59萬m3（以水庫滿蓄6個月計）。

3.4 滲透穩定計算分析

土石壩允許滲漏但不允許滲透破壞。為防止滲透破壞，《規范》強制性條文5.6.2 土質防滲體與壩殼、與壩基透水層之間以及下游滲流出逸處，應設置反濾層。滲透穩定計算內容主要為判別土的滲透變形型式；判別壩和壩基土體的滲透變形穩定；判別壩下游滲流出逸段的滲透穩定[1]。

JDH水庫心墻防滲體為黏土，壩體土為粉砂質泥巖風化料，壩基土為強風化粉砂質泥巖。結合壩體結構分區對黏土防滲體、下游壩坡出逸處、下游壩腳出逸處進行滲透穩定計算分析。

3.4.1 滲透變形類型

（1）黏土心墻：防滲心墻土料為CL黏土，滲透變形為流土。

（2）壩體土：壩體土為粉砂質泥巖風化料，按無黏性判別土滲透變形類型。根據壩體土體的級配狀況，確定壩土可能的滲透變形類型，壩體土的不均勻系數細粒含量P＝5.9%＜25%，故壩體土的滲透變形為管涌。

（3）壩基土：壩基土強風化粉砂質泥巖為散體狀滲透結構，中等透水，滲透變形為管涌。

3.4.2 允許坡降

式中：Jcr—土的臨界水力比降；Gs—土粒比重；n—土的孔隙率（以小數計）；d5、d20—分別為小于該粒徑的含量占總土重的5%和20%的顆粒粒徑（mm）。

（2）壩基強風化粉砂質泥巖為軟巖，參照類似工程取允許坡降為0.2-0.3。

3.4.3 計算結果及分析

分析計算結果見表3。根據計算結果可知：防滲心墻變形類型為流土、壩基土變形類型為管涌，在各工況水位下最大出逸坡坡均小于允許坡降，滲透穩定安全；大壩下部壩體在各工況水位下，最大出逸水力坡降均大于相應的允許坡降，大壩將發生管涌破壞。

為保證滲透安全，根據《規范》強制性條文5.6.2，在防滲心墻兩側設置反濾層、在大壩下游坡腳設置排水棱體，排水體頂高程高于最大浸潤線逸出點。

3.5 壩坡穩定計算分析

土石壩壩坡穩定分析計算應進行①施工期臨時填筑坡和下、下游壩坡；②穩定滲流期的上、下游壩坡；③庫水位降落期的上游壩坡；④正常運用遇地震的上、下游壩坡等工況[2]。

壩坡抗滑穩定采用剛體極限平衡法進行計算，抗震穩定采用擬靜力法計算。采用條塊間作用的摩根斯頓-普賴斯法進行計算。

庫水位非常降落上游壩坡穩定分析須對壩體內浸潤線下降滯后程度進行判別，采用來判別[5]。當為庫水位驟降情況，當＞60為庫水位極緩慢下降情況，當為庫水位緩降情況。式中：k——壩體滲透系數，m/d；v——庫水位的下降速度，m/d；μ——壩體土的給水度，

JDH水庫正常蓄水位為2010.20m，相應庫容為86.66萬m3，輸水隧洞進口高程1996.00m，相應庫容為18.17萬m3。隧洞最大過流量為9.30m3/s，隧洞控制閘門尺寸1.0m×1.0m。若遇非常情況需盡快放空庫水，最不利情況為從正常蓄水2010.20m至隧洞進口高程1996.00m，需0.94天，降落速度為15.1m/d。

本工程k=0.864m/d、μ=0.115、v=15.1m/d，經計算為庫水位緩降情況，按照緩降過程計算浸潤線下降的位置。

根據本工程實際情況分析確定計算工況，通過AutoBank7.7穩定分析軟件計算不同工況下的最小安全系數，穩定計算結果見表4。下游壩坡最危險工況為設計洪水位2012.77m+Ⅷ度地震，此工況對應的最危險滑裂面見圖4。

圖4 設計洪水位（2012.77m）+Ⅷ度地震上下游壩坡穩定分析圖

從計算結果看出，各工況最小安全系數均滿足規范要求，所擬定的壩坡經濟、安全、合理。

4 大壩沉降計算

土石壩應進行沉降分析，估算在土體自重和其他荷載作用下，壩體和壩基竣工時的沉降量和最終沉降量。《規范》強制性條文5.3.7 壩頂應預留竣工后的沉降超高；5.5.3第5條 土質防滲體頂部應預留竣工后沉降超高。土石壩設計中需解決的是控制不致產生大的變形和不均勻變形。根據筑壩材料變形特性確定合適的壓實度控制較大變形，通過兩相鄰分區材料性能差異分析不均勻變形并采取相應的變形協調措施。

JDH水庫由于壩基范圍內已有基巖出露、壩基土層較薄，壩基的沉陷量忽略不計，壩體沉降量按單向壓縮分層總和法計算，采用規范公式計算并通過經驗公式及經驗值對比驗證，綜合確定。

4.1 規范公式

a.對黏土心墻和壩基的竣工時的沉降量和最終沉降量用分層總和法按下式計算[1]：

式中：st—壩體最終沉降量；ei0—第i土層的起始孔隙比；—第i土層相應于竣工或最終的豎向有效應力作用下的孔隙比；hi—第i計算土層厚度；n—土層分層數。

大壩壩高45.7m，按層厚5m分層計算的施工期沉降量為181cm，運用期最終沉降量為219cm，兩者差值38cm，即為竣工后心墻頂部應預留的沉降量。

b.對壩殼料壩體和壩基的最終沉降量采用下式計算[1]：

式中：S∞—壩體最終沉降量；ip—第i計算土層由壩體荷載產生的豎向應力；iE—第i計算土層的變形模量。

經計算，壩殼料壩體和壩基的最終沉降量為40.8cm。

4.2 經驗公式

根據顧慰慈經驗公式[4]計算：

土石壩在施工中的沉降量so=0.001496H1.646，土石壩在運用期的沉降量：

式中：So—土石壩施工中的沉降量，m；St—大壩在運用t年后的沉降量，m；H—大壩填筑高度，m；t—計算土石壩沉降的年數，自土石壩竣工開始運用時算起；e—自然對數的底；K—系數，與壩型有關，對于表面防滲型土石壩K= 0.004331，對于塑性斜墻壩K= 0.0098，對于塑性心墻壩K=0.016l；n、m—均為指數，與壩型有關，對于表面防滲型的土石壩n=1.2045，m=1.746；對于塑性斜墻壩n=1.0148，m=1.4755；對于塑性心墻壩n=0.876，m=1.0932。

經計算：施工期沉降量so=80.7cm，水庫運用期（50年）沉降量St=44.8cm；

4.3 經驗值

根據工程經驗，土質防滲體壩壩頂預留沉降超高一般為壩高的1%[2]，即St=45.7cm。

4.4 計算結果分析及選擇

通過以上計算可知，施工期黏土心墻施工期沉降量181cm、壩殼料沉降量80.7cm，心墻與壩殼料之間沉降存在不一致性，通過適當提高黏土心墻壓實度及利用心墻與壩殼料之間反濾層消除心墻沉降時的拱效應。不同方法計算壩體竣工后沉降量在38～45.7cm之間，相差不大，壩頂預留竣工后沉降超高取45cm，JDH水庫壩頂設計高程為2014.10m，則工程竣工時壩頂高程為2014.55m。工程竣工時壩頂各部位控制高程見表5。

5 結論

土質防滲體土石壩是應用最廣、發展最快的一種壩型，而此種壩型又以小型水庫最多，為滿足其安全與功能要求，《規范》以強制性條文形式對結構設計要點進行了規定。本文以JDH小型水庫為例，結合《規范》強條及AutoBank軟件，對小型土質防滲體土石壩的壩頂高程確定、壩體結構分區、滲流計算分析、滲透穩定計算分析、穩定計算分析、壩體沉降計算等設計要點進行了介紹，為類似工程設計提供參考。