天生橋水庫壩型比選及穩(wěn)定計(jì)算分析研究

李 培

（廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 廣州 510000）

我國正處于高速發(fā)展的黃金時(shí)期,基礎(chǔ)建設(shè)日新月異。同時(shí)作為民生項(xiàng)目的水利工程也在有條不紊的建設(shè),水庫作為水利的典型代表,更是在人民的生活中發(fā)揮著積極作用,大壩是水庫建設(shè)的基本構(gòu)筑物,選擇出經(jīng)濟(jì)、適用、安全的優(yōu)質(zhì)大壩壩體型式,一直是每一位水利設(shè)計(jì)人員需要提高的技能。結(jié)合云南省河口縣天生橋水庫工程,對大壩的壩型選取及對選定后大壩壩體的穩(wěn)定進(jìn)行分析研究。

河口縣天生橋水庫是一座以城鎮(zhèn)供水、中國（云南）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)紅河片區(qū)供水、沿線農(nóng)村人畜飲水和農(nóng)田灌溉供水為任務(wù)的水利工程,水庫總庫容1211.70 萬m3,水庫工程等別為Ⅲ等,工程規(guī)模為中型。

1 大壩壩型比選

1.1 壩軸線位置地質(zhì)條件

壩軸線位置河流總體流向N50°E。河谷狹窄,往下游方向河道逐漸變寬。河底標(biāo)高150 m～155 m,谷底寬6.0 m～10.0 m,壩頂高程（210.00 m）谷寬120.84 m,兩岸地形完整,坡度約40°～50°,除局部小規(guī)模土層滑落外,無其他不良物理地質(zhì)現(xiàn)象,坍塌體距離壩軸線41 m。壩基持力層為寒武系中統(tǒng)貓貓頭組千枚狀板巖強(qiáng)弱風(fēng)化層,屬極軟巖～較軟巖。河床沖洪積層厚1.0 m～2.3 m,兩覆蓋層厚約1.0 m～2.5 m。發(fā)育多組陡傾裂隙,不利結(jié)構(gòu)面組合發(fā)育少,巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育。水文地質(zhì)條件簡單,地下水水力坡降左岸50.7%,右岸56.0%。兩岸自然邊坡及開挖邊坡穩(wěn)定性好,壩基一般不存在抗滑穩(wěn)定問題,地下水位埋藏相對較淺。

1.2 壩型比選

壩址處構(gòu)造侵蝕低山地貌及河流侵蝕堆積地貌區(qū)。壩址河段河谷蜿蜒曲折,臨河床基巖裸露,多為強(qiáng)～弱風(fēng)化巖體。結(jié)合地質(zhì)條件及本地材料,為了選擇出經(jīng)濟(jì)、適用、安全的優(yōu)質(zhì)大壩,在初步設(shè)計(jì)階段確定出兩種壩型,對這兩種進(jìn)行比較分析,根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧显O(shè)計(jì)出兩種心墻的風(fēng)化料壩,其中心墻型式分別為：礫石土心墻和瀝青混凝土心墻。為方便論述,以礫石土為心墻的風(fēng)化料壩定名為礫石土壩,以瀝青混凝土為心墻的風(fēng)化料壩定名為瀝青壩。

1.2.1 礫石土壩

礫石土壩布置：大壩的壩頂設(shè)計(jì)高程為210.00 m,壩頂長度132.53 m,壩頂寬度6.00 m,壩軸線建基面開挖高程為149.50 m,最大壩高60.50 m（從心墻底部到壩頂路面的高度）。壩頂采用200 mm 厚C30 砼混凝土作路面,壩頂上游布置“L”型鋼筋混凝土防浪墻,防浪墻頂高程為211.00 m,防浪墻頂部高于壩頂1.0 m。上游壩坡分二級,上游壩坡坡比均采用1∶2.75,上游壩坡在189.80 m 高程處設(shè)30 m 寬的馬道,工程施工度汛壩體結(jié)合大壩壩身布置,度汛壩體為壩體的一部分。下游壩坡二級,高程190.00 m 處設(shè)3 m 寬的馬道,高程210.00 m（壩頂）至190.00 m 坡比均為1∶2.25,高程190.00 m～165.00 m 坡比為1∶2.5,高程165.00m 以下為內(nèi)坡1∶1.1,外坡1∶1.8 的干砌石排水棱體,頂寬5.0m。

礫石土心墻頂部高程為209.40 m,頂部寬度3 m,心墻上下游兩側(cè)以1∶0.25 的坡比自上而下逐漸加厚。反濾料填筑區(qū)位于心墻上游側(cè)水平寬度均為2.0 m,下游側(cè)水平寬度均為2.0 m,反濾料等粗細(xì)骨料需從45 km 外石廠購買,并按設(shè)計(jì)粒徑1#反濾料粒徑0.25 mm～5 mm,2#反濾料粒徑5.0 mm～30 mm 要求進(jìn)行篩分、加工。

1.2.2 瀝青壩

瀝青壩布置：大壩的壩頂設(shè)計(jì)高程為210.00 m,壩頂長度132.53 m,壩頂寬度6.00 m,壩軸線建基面開挖高程為149.50 m,最大的壩體高度60.50 m。大壩壩頂采用200 mm 厚C30砼混凝土作路面,壩頂上游布置“L”型鋼筋混凝土防浪墻,防浪墻頂高程為211.00 m,防浪墻頂部高于壩頂1.0 m。根據(jù)大壩穩(wěn)定計(jì)算,采用上陡下緩的壩坡設(shè)計(jì),上游壩坡分二級,上游壩坡坡比均采用1∶2.75,上游壩坡在189.80 m 高程處設(shè)21 m 寬的馬道,施工度汛體結(jié)合大壩壩身布置,度汛壩體為壩體的一部分。下游壩坡二級,高程190.00 mm 處設(shè)3 m 寬的馬道,高程210.00 m（壩頂）至190.00 m 坡比均為1∶2.25,高程190.00 m～165.00 m 坡比為1∶2.5,高程165.00 m 以下為內(nèi)坡1∶1.1,外坡1∶1.8 的干砌石排水棱體,頂寬5.0 m。

瀝青砼心墻按分三段等厚設(shè)計(jì),心墻頂高程與底高程分別為208.9 m 與151.00 m（208.90 m～190.50 m 心墻厚度為0.5 m,190.50 m～172.00 m 心墻厚度為0.8 m,172.00 m～151.00 m心墻厚度為1.0 m）。為保證瀝青混凝土心墻底部與基座連接,垂直擴(kuò)大段的高度為心墻厚度的1～3 倍,本次設(shè)計(jì)取2.0 m,擴(kuò)大段的擴(kuò)大系數(shù)（即擴(kuò)大段下部的心墻厚度與擴(kuò)大段上部厚度之比為2～2.5）,本次設(shè)計(jì)取2.0 m。在心墻和基座之間涂抹2 cm 瀝青瑪脂膠結(jié)層并設(shè)置銅止水。

1.2.3 壩型比選

礫石土壩的投資比瀝青壩的投資高出了128.40 萬元,但礫石土含水量較高,填筑質(zhì)量難以控制,土料翻曬成本較高,施工工期較長,工期易受雨天影響；而瀝青混凝土可現(xiàn)場澆筑碾壓,填筑工程量較少,心墻基礎(chǔ)開挖及處理工程量較少,心墻施工工期較短,且心墻施工受雨天影響較少,工程投資相比礫石土心墻風(fēng)化料壩低。綜合兩個(gè)壩型各種有利與不利因素,本次通過比選,選擇出以瀝青混凝土為心墻的風(fēng)化料壩。

2 壩體整體滲流分析、壩體邊坡穩(wěn)定分析、壩體沉降性分析

2.1 壩體整體滲流分析

壩體、壩基滲漏計(jì)算,經(jīng)有限元分析系統(tǒng)Autobank 計(jì)算,根據(jù)滲流計(jì)算成果,正常蓄水位時(shí),壩體和壩基單寬滲流量為3.48 m3/（d·m）,年滲漏總量為16.83 萬m3,占正常庫容1048.50 萬m3的1.61%,大壩的滲流量在合理范圍內(nèi),滿足防滲要求。壩殼風(fēng)化料實(shí)際水力坡降小于允許水力坡降,不會發(fā)生過渡型滲透破壞,見表1、表2。

表1 滲流計(jì)算所需壩體各部位參透系數(shù)

表2 壩體滲透比降計(jì)算成果

2.2 壩體邊坡穩(wěn)定性分析

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）附錄D對大壩進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定分析研究。

滲流計(jì)算所需壩體各部位參透系數(shù)見表3。大壩穩(wěn)定分析結(jié)果見表4。

表3 滲流計(jì)算所需壩體各部位參透系數(shù)

表4 穩(wěn)定分析結(jié)果匯總表

計(jì)算結(jié)果表明,大壩的壩坡在各種工況下是滿足規(guī)范對邊坡的穩(wěn)定要求的。

2.3 壩體沉降分析

大壩沉降計(jì)算包括壩體和壩基的沉降計(jì)算。由于大壩壩基河床部位置于強(qiáng)風(fēng)化中下部～弱風(fēng)化巖體上,對壩基不再進(jìn)行沉降計(jì)算,僅對壩體進(jìn)行沉降計(jì)算,沉降計(jì)算應(yīng)分別按施工期和穩(wěn)定滲流流期進(jìn)行計(jì)算,取河床最大剖面進(jìn)行壩體沉降計(jì)算。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）附錄E 進(jìn)行壩體沉降量的初步估算。

壩頂預(yù)留沉降超高=最終沉降量-施工期沉降量,計(jì)算非飽和狀態(tài)下的壓縮曲線進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過計(jì)算心墻壩體最大斷面的最終沉降量1.567 m,施工期竣工沉降量0.996 m,竣工后壩頂預(yù)留沉降量0.57 m,竣工后壩頂沉降量0.57 m 滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）規(guī)定值。

3 結(jié)論

在確保天生橋水庫工程中大壩能安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,能否能有效的結(jié)合當(dāng)?shù)氐牧蠄銮闆r,設(shè)計(jì)出“本地壩”,使得工程經(jīng)濟(jì)、合理,是關(guān)乎設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵,本設(shè)計(jì)在深入了解當(dāng)?shù)厍闆r的前提下,設(shè)計(jì)出兩種心墻的風(fēng)化料壩：礫石土壩和瀝青壩,通過各方面的比較,選定瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩作為最終壩型,該方案經(jīng)濟(jì)、適用、安全。通過對大壩進(jìn)行滲流、邊坡穩(wěn)定、沉降等方面的計(jì)算研究,采用瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩可滿足壩體運(yùn)行所需要的各種條件,因此選擇瀝青混凝土為心墻、風(fēng)化料為壩殼料的大壩壩型,在技術(shù)上較為可行。