復合土工膜土石壩材料分區優化設計

元建忠，吳孝琴

貴州省貴陽市烏當區水利局，貴州貴陽 550018

1 基本情況

我局及市局領導對此非常擔憂，為避免上游土工膜破壞后壩體失效，確保大壩防滲體達到良好防滲效果，多次請水利專家、設計單位到現場共同研討，決定對金家箐水庫大壩材料作進一步優化設計，最終設計成果如下：

1.1 工程地質

壓縮性屬中壓縮性類。該土料既具備較高的飽和與非飽和抗剪強度，又能起到較好的防滲效果，滿足設計要求。

1.2 大壩分區設計

水庫大壩為復合土工膜防滲土石壩，壩頂高程1319.5m，防浪墻頂高程1320.5m，大壩基礎開挖最低高程1295.20m，最大壩高24.3m，壩頂寬度5m，壩頂軸線長102.05m。

1.2.1 大壩分區調整

在原設計基礎上增加粘性土料填筑區，即筑壩材料及功能從上游到下游將壩體分為上游保護層、土工膜上墊層、防滲復合土工膜、下墊層、粘性土料填筑區、風化料填筑體、下游護坡及排水等。

1.2.2 分區設計計算

1）各分區力學參數根據壩體結構，將壩體分為4 個區，（1）壩基材料；（2）為粘土料回填區、（3）為風化料回填區；（4）為防滲土工膜；（5）為排水棱體，各區物理力學參數根據地質提供的參數建議值，結合現場實際情況及工程類比，各區物理力學參數取值見下表：

2）荷載組合及工況

荷載：（1）穩定滲流期正常高水位的滲透壓力；（2）壩體自重；（3）最高洪水位時形成的穩定滲透壓力； 由于工程區地震烈度小于Ⅵ度，故不考慮地震作用。計算工況：工況一，正常運行工況：①＋②，工況二，洪水運行工況：②＋③；

3）計算方法：滲流穩定分析：采用有限元法；抗滑穩定分析：圓弧型滑動：采用瑞典條分法進行計算；

4）大壩滲流計算：（1）滲流計算目的是確定壩體浸潤線，并供壩體穩定計算之用，得出壩體浸澗線；（2）計算參數：滲透系數見壩體力學參數設計值表；（3）計算工況及方法

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）有關規定：

考慮土工膜+粘土防滲工況：

①穩定滲流期壩體浸潤線計算結果說明：壩體單寬最大滲流量為2.55×10-6m3/s，按壩體寬度101.75m 計算，壩體最大總滲流量為2.6×10-4m3/s，即約0.26L/s。②水位降落期壩體浸潤線計算結果說明，庫水位由1317.00m 降至1309.00m 高程，水位降落方式為驟降，最大滲透比降為J=0.10。

考慮土工膜破壞，僅由粘土料進行防滲工況：①穩定滲流期壩體浸潤線計算結果說明：壩體單寬最大滲流量為5.5×10-5m3/s，按壩體寬度101.75m 計算，壩體最大總滲流量為5.6×10-3m3/s，即約5.6L/s。②水位降落期壩體浸潤線計算結果說明，庫水位由1317.00m 降至1309.00m 高程，水位降落方式為驟降，最大滲透比降為J=0.12。

5）壩坡抗滑穩定計算

按照《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001），需對壩坡進行穩定計算。在不考慮地震作用的基礎上采用瑞典圓弧法計算，計算公式如下：

式中：W——土條重量；u——作用于土條底面的孔隙壓力；α——條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑間的夾角；b——土條寬度；c/、φ/——土條底面的有效應力抗剪強度指標。

6）防滲體穩定計算

由于復合土工膜與土石介質間的摩擦系數及土石介質間的摩擦系數將影響防滲體的穩定，必須復核復合土工膜與壩坡、復合土工膜與保護層的抗滑穩定性。根據《規范》(SL/T225-98)，復合土工膜穩定性驗算公式按附錄式A.3.1：

表1 壩基及壩體力學參數設計值

表2 設計參數對比分析表

式中：FS—安全系數；δ—上墊層與土工膜之間的摩擦角；α—土工膜鋪設坡角。

設計上墊層采用細砂，根據已有工程經驗砂與PE 復合土工膜之間的磨擦角約30°左右，由此得tgδ=0.577。壩體上游坡坡比為1：2.25，即tgα＝0.444 。所以FS=0.577/0.444=1.3 ＞1.25。

3 各設計參數對比分析

見表2

4 結論

通過計算表明：1）在土工膜完好工況下，壩體最大滲流量由原設計的0.91L/s 降低為0.26L/s，年滲流量最大由2.87萬m3減少到8200 m3，略有改善；2）在土工膜被完全破壞工況下，原設計壩體滲流量最大滲流量為21L/s，分區調整設計壩體滲流量最大滲流量為5.6L/s，按最大滲流量計算，滲流量由66.2 萬m3減少17.6 萬m3，改善作用明顯。

[1]陶碧芳，陳敏濤，曾紅.貴陽市烏當區金家箐水庫工程壩體材料分區專題論證報告.