引黃入晉工程北干線尚希莊水庫大壩設計

徐 進

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

山西省萬家寨引黃入晉工程北干線由分水閘起向東，經偏關、平魯、朔州、山陰、懷仁至大同市附近趙家小村水庫止，線路全長161.115 km。北干線近期工程按年輸水量2.96億m3的規模建設，根據水資源供需平衡，考慮年調節和引黃各個供水區事故備用相結合的原則，在北干沿線選擇了大梁、耿莊、尚希莊和趙家小村四座調節水庫，總調節庫容為3 158萬m3。其中尚希莊水庫調節庫容1 005萬m3，總庫容1 055萬m3。主要建筑物有大壩、水庫進水口、出水口、山陰供水口（泄水口）以及泄水明渠等。

2 大壩設計

尚希莊水庫大壩呈環型布置，為半挖半填型平原圍封水庫，壩軸線總長3 992.6m，壩型為碾壓均質土壩。水庫最高蓄水位1 114.50 m，死水位1 103.05 m，壩頂高程1 116.00 m，寬度6.0 m，最大壩高17 m，上游壩坡 1∶2.5，下游壩坡 1∶2.0。

2.1 壩頂高程

依據《碾壓式土石壩設計規范》，壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和。其數值按最高蓄水位加正常運用條件的壩頂超高計算。計算結果見表1。

表1 尚希莊水庫壩頂高程計算成果表

根據表1成果，考慮1.20 m高的漿砌石防浪墻，壩頂高程1 116.00 m，防浪墻頂高程1 117.20 m。

2.2 大壩構造

壩頂長3 992.6 m，寬度因無特殊要求，定為6 m，壩面鋪設150 mm厚的預制C30F200混凝土塊，下墊300 mm厚的碎石墊層。大壩上游壩肩設頂寬0.5 m、高1.2 m漿砌石防浪墻，墻頂高程1 117.20 m，防浪墻伸入壩體1.8 m，表面用20 mm厚的水泥砂漿抹面。壩面橫向坡度2%，坡向下游，大壩下游壩肩沿大壩軸線方向設漿砌石縱向排水溝。

2.3 壩坡防護

大壩上游壩坡比為1∶2.5，采用150 mm厚預制六邊形C30F200混凝土防護，下設土工布反濾層，反濾層下鋪設300 mm厚細砂墊層，墊層下為防滲復合土工膜，復合土工膜為二布一膜，其中膜厚0.5 mm，土工布采用長絲針刺土工布，復合土工膜單位面積質量0.9 kg/m2；下游碾壓斷面壩坡 1∶2.0。

2.4 大壩滲流分析

依據《碾壓式土石壩設計規范》，結合本調蓄水庫的運行特點，大壩滲流按以下兩種工況計算：

工況一：上游最高蓄水位1 114.50 m，下游最低水位1 100.00 m。

工況二：庫水位由最高蓄水位1 114.50 m降落至1 100.00 m，驟降速度平均為1.96 m/d。

計算三種斷面：最大壩高（17 m）斷面3+620.4壩后有壓重、最大壩高（17 m）斷面3+620.4壩后無壓重、壩后無壓重的最大壩高（12.3 m）斷面。

2.4.1 滲流計算參數

壩基低液限黏土、低液限粉土及粉土質砂層可能發生的滲透變形為流土，允許水力比降J允許=0.45。壩基卵石混合土可能發生的滲透變形為管涌，允許水力比降J允許=0.20。

2.4.2 計算假設

計算假設上游防滲復合土工膜全部失效，由壩體防滲考慮；若相鄰兩地基土層滲透系數相差10倍，可視為不透水層。

2.4.3 計算方法

滲流計算采用北京理正軟件設計研究院編制的《理正巖土計算程序5.0版》

2.4.4 計算結果及分析

計算得尚希莊水庫每天滲漏量約62 285 m3。

滲流分析：若大壩不設防滲體，每天的滲漏量為62 285 m3，作為遠距離輸水供水工程，如此大的滲漏量是非常不經濟的，因此，對整個尚希莊水庫大壩樞紐來講，防滲尤為重要。

滲透穩定分析：由計算結果可知，壩體滿足滲透穩定，壩基滲透比降超過規范規定的允許值，建議大壩坡腳設置排水體，防止滲流出逸處發生滲透變形。

2.5 壩體及壩坡穩定分析

依據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001），結合本調蓄水庫的運行特點，尚希莊水庫大壩抗滑穩定計算應考慮以下三種工況（計算假設上游防滲復合土工膜全部失效）：

工況一：水庫位于最高蓄水位1 114.50 m時，核算大壩上、下游壩坡的穩定；

工況二：水庫水位降落時核算上游壩坡的穩定；

工況三：水庫最高蓄水位（1 114.500 m）遭遇Ⅶ度地震時的上、下游壩坡的穩定。

2.5.1 計算參數

尚希莊水庫壩型為碾壓均質土壩，壩頂寬6.0 m，最大壩高17 m，大壩上游邊坡1∶2.5，下游碾壓斷面邊坡1∶2.0。壩頂高程1116.00m，最高蓄水位1 114.50m，死水位1 103.05 m。

尚希莊水庫大壩為2級建筑物，依據《碾壓式土石壩設計規范》，正常運用條件壩坡抗滑穩定最小安全系數為1.35；水庫水位非常驟降時最小安全系數為1.25，與地震組合的非常運用條件壩坡抗滑穩定最小安全系數為1.15。設計地震烈度Ⅶ度。

2.5.2 計算方法

抗滑穩定計算采用北京理正軟件設計研究院編制的《穩定計算分析軟件》（理正巖土5.0版），計算方法采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法。

2.5.3 計算結果

計算選三種斷面：最大壩高（17 m）壩后有壓重和壩后無壓重、壩后無壓重的最大壩高（12.3 m）斷面。

抗滑穩定計算結果見表2。由計算結果可知，各種計算工況，壩體均滿足抗滑穩定要求。

表2 抗滑穩定計算結果表

2.5.4 壩坡土工膜防滲體的穩定

因筑壩土料滲透系數較大，上游壩坡采用復合土工膜防滲。復合土工膜上鋪設300 mm厚細砂墊層，砂墊層上鋪設一層土工布反濾，土工布上鋪設150 mm厚預制六邊形C30混凝土防護塊，大壩上游壩坡1∶2.5。

土工膜穩定性驗算，僅針對防護層、上墊層與土工膜之間的抗滑穩定，驗算最不利工況為水庫水位驟降。計算依據《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》，計算結果得：K=1.45>1.20，滿足抗滑穩定要求。為了增強復合土工膜防滲體的穩定性，在鋪設時，壩坡設置呈臺階形。

2.6 沉降計算

土壩應進行沉降分析，根據《碾壓土石壩設計規范》計算壩體和壩基的沉降量，計算方法為分層總和法。

壩體土選用干密度1.74g/cm3的低液限黏土和干密度1.74g/cm3的低液限粉土兩種土料來計算；壩基選取較高壩段樁號2+920.4～3+020.4、地基土無濕陷性，和較高壩段樁號3+220.4～3+320.4、地基土具自重Ⅱ級（中等）濕陷性。對計算結果進行分析，建議地基進行加固處理，消除不均勻沉陷；壩體考慮竣工后的沉降量，施工預留沉降超高1.0m。