金普新區(qū)大螞蟻島集雨工程塘壩設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

王 孟

（大連河海水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,遼寧 大連 116021）

1 引言

滲流及壩坡滑動(dòng)破壞是擋水建筑物常見(jiàn)的破壞形式,對(duì)工程安全影響較大。因此,在擋水建筑物設(shè)計(jì)階段需要對(duì)滲流及抗滑移穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在滲流及抗滑移分析研究中常用的方法包括：數(shù)值模擬、理論計(jì)算等,均取得了良好的應(yīng)用效果[1-3]。

2 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 防浪墻設(shè)計(jì)

塘壩上游側(cè)設(shè)混凝土防浪墻,防浪墻高1.0 m,基礎(chǔ)埋深1.0 m,墻厚0.4 m,墻頂高程為8.4 m,其中墻踵、墻趾高0.5 m,寬0.15 m,底部與復(fù)合土工膜形成封閉的防滲體。防浪墻每隔10 m設(shè)一道分縫,縫內(nèi)設(shè)止水。防浪墻頂采用切割花崗巖帽石,尺寸為520 mm×120 mm（寬×厚）,防浪墻靠近壩頂路側(cè)罩面采取切割花崗巖石板,尺寸為500 mm×700 mm×40 mm（長(zhǎng)×高×厚）,其余位置采用鑲嵌20 mm厚切割花崗巖板,防浪墻靠近庫(kù)區(qū)側(cè)罩面采取切割花崗巖石板,尺寸為500 mm×880 mm×40 mm（長(zhǎng)×高×厚）,本次防浪墻外側(cè)花崗巖板采用干掛型式,用M10×200、M10×250膨脹螺栓固定,相鄰花崗巖石板之間通過(guò)注膠分縫,防止擠裂破碎。

2.2 壩頂及壩坡設(shè)計(jì)

螞蟻島塘壩壩型為復(fù)合土工膜防滲體壩,壩頂高程7.4 m,壩長(zhǎng)43.0 m,最大壩高6.6 m,壩頂寬度4.0 m,在上游側(cè)設(shè)高于壩頂1.0 m的混凝土防浪墻,底部與復(fù)合土工膜形成封閉的防滲體,壩頂路面采用0.2 m厚混凝土結(jié)構(gòu),向下游做成2%的坡度。大壩上游壩坡坡度為1∶2.5,大壩下游壩坡坡度為1∶2.0。上游坡面護(hù)坡形式采用0.22 m厚干砌花崗巖方整石護(hù)坡、0.20 m厚碎石墊層和0.18 m厚粗砂反濾,砂墊層下方鋪設(shè)400 g/m2復(fù)合土工膜,土工膜嵌入壩基以內(nèi)2 m深,護(hù)坡基礎(chǔ)為干砌石固腳,埋深為1 m,底寬1 m、頂寬3 m。下游壩坡采用花崗巖方整石護(hù)坡,其中高程5.29 m以上護(hù)坡厚度為0.22 m,高程5.29 m以下護(hù)坡厚度0.4 m,護(hù)坡下方鋪設(shè)0.2 m厚碎石墊層,墊層下方鋪設(shè)400 g/m2無(wú)紡布反濾,碎石護(hù)坡自壩頂護(hù)至與棱體排水連接處。

壩體下游排水采用棱體排水,自壩腳設(shè)至壩體浸潤(rùn)線以上1.0 m。棱體排水自壩體向外依次設(shè)置0.15 m厚粗砂墊層、0.15 m厚碎石墊層以及堆塊石排水棱體,棱體頂寬2 m、高2.5 m,內(nèi)坡坡比為1∶1,外坡坡比為1∶1.5,考慮防潮需求和計(jì)算,排水棱體主體塊石粒徑為300 mm～400 mm,塊石采用干砌石塊石,強(qiáng)度不低于MU40,外側(cè)干砌單層粒徑為400 mm的花崗巖方整石。棱體排水下游設(shè)施石籠防沖護(hù)坦,尺寸為38 m×5 m×0.5 m,下方鋪設(shè)400 g/m2無(wú)紡布反濾。

（1）上游護(hù)坡反濾層設(shè)計(jì)

上游護(hù)坡反濾層計(jì)算公式如下：

式中：D為石塊的換算球形直徑,m；Q為石塊的質(zhì)量,t；D50為石塊的平均直徑,m；Q50為石塊的平均質(zhì)量,t；t為護(hù)坡厚度,m；m為護(hù)坡坡比；Kt為隨坡率變化的系數(shù)；ρk為塊石密度,t/m3；ρw為水的密度,t/m3；Lm為平均波長(zhǎng),m；hp為累計(jì)頻率為5%的波高。

經(jīng)計(jì)算,護(hù)坡厚度為0.18 m（設(shè)計(jì)工況控制）,考慮受壩體防洪和防潮雙向影響,為保證安全,本次設(shè)計(jì)上、下游壩坡方整石厚度取0.22 m。

（2）下游護(hù)坡反濾層設(shè)計(jì)

斜坡堤干砌石護(hù)坡的護(hù)面厚度t（m）可按下式計(jì)算：

式中：K1為系數(shù),條石或方整石取0.225；rb為塊石的重度,kN/m3；取27 kN/m3；r為水的重度,kN/m3；取10 kN/m3；H為計(jì)算波高,m,當(dāng)d/L≥0.125時(shí),取H4%；當(dāng)d/L＜0.125時(shí),取H13%；d為堤前水深,m。

將各參數(shù)代入上式中,計(jì)算得t=0.26 m。結(jié)合險(xiǎn)工護(hù)岸工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),護(hù)坡厚度確定為0.40 m。

3 塘壩滲流計(jì)算

（1）建筑物等級(jí)

螞蟻島塘壩參照為V等工程,正常運(yùn)用設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇,非常運(yùn)用校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。根據(jù)相應(yīng)規(guī)定,土壩按5級(jí)建筑物進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算。

（2）水位資料

校核洪水位6.95 m,下游水位0.00 m；設(shè)計(jì)洪水位6.83 m,下游水位0.00 m；正常蓄水位6.30 m,下游水位0.00 m。

（3）壩體及壩基材料滲透系數(shù)（表1）

表1 主壩壩體材料滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

（4）大壩全長(zhǎng)43 m,壩體及壩基情況基本一致,滲流復(fù)核選取大壩最高斷面。

圖1 滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖

（5）滲流計(jì)算邊界及計(jì)算工況

塘壩為復(fù)合土工膜防滲體壩,坐落在粉質(zhì)黏土基礎(chǔ)上,覆蓋層厚度約1 m左右,塘壩基礎(chǔ)粉質(zhì)黏土可視為相對(duì)不透水層。

大壩滲流計(jì)算工況如下：①上游正常蓄水位與下游不利水位：6.30 m（上游）+下游無(wú)水；②上游設(shè)計(jì)洪水位與下游不利水位：6.83 m（上游）+下游無(wú)水；③上游校核洪水位與下游不利水位：6.95 m（上游）+下游無(wú)水。

（6）滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算

對(duì)于穩(wěn)定滲流,符合達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場(chǎng),水頭勢(shì)函數(shù)滿足微分方程二維滲流方程：

式中：Kx、Ky為x向和y向的滲透系數(shù)；H為滲流場(chǎng)中某一點(diǎn)的滲壓水頭,m。

滲流計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 滲流計(jì)算成果

滲流量按正常蓄水水位計(jì)算為19.38 m3/d（滲漏壩基長(zhǎng)43.0 m）。

從2表可以看出,由于均質(zhì)壩滲透系數(shù)相對(duì)較大,浸潤(rùn)線呈緩慢下降趨勢(shì),復(fù)合土工膜滲透系數(shù)小,浸潤(rùn)線降幅較大,溢出點(diǎn)位于棱體排水體內(nèi)[4-6]。

現(xiàn)狀棱體排水高度2.5 m,滿足正常蓄水工況下逸出點(diǎn)高程要求。

（7）滲透穩(wěn)定計(jì)算

滲透變形型式判別采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）中附錄G的方法判別。

壩體粉土滲透變形類型為流土。

流土臨界水力坡降：

允許比降：

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土的顆粒密度與水的密度之比；K為安全系數(shù),根據(jù)工程重要性選取1.5。

根據(jù)土工試驗(yàn)成果,粉土比重為2.69,孔隙比0.853,孔隙率為46.0%。

經(jīng)計(jì)算,壩體粉土允許比降為0.61。

滲透穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表3。從表3得知：滲透比降均小于允許比降,壩體及壩基滲透穩(wěn)定均滿足要求。

圖2 正常蓄水位滲流

表3 滲透穩(wěn)定計(jì)算成果表

4 壩體抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

大壩全長(zhǎng)43.0 m,壩體及壩基情況基本一致,穩(wěn)定復(fù)核選取大壩最高斷面。壩體及壩基材料穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 壩體材料穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

（1）計(jì)算工況的確定

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189-2013）規(guī)定,核算大壩穩(wěn)定工況如下：

①上游壩坡

正常運(yùn)用條件：庫(kù)水位降落時(shí)（庫(kù)水位從設(shè)計(jì)洪水位降至正常高水位）。

非常運(yùn)用條件I：空庫(kù)運(yùn)行期；庫(kù)水位降落時(shí)（庫(kù)水位從校核洪水位降至正常高水位）。

非常運(yùn)用條件II：正常運(yùn)用條件遇地震。

②下游壩坡

正常運(yùn)用條件：正常高水位穩(wěn)定滲流期；設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期。

非常運(yùn)用條件I：空庫(kù)運(yùn)行期；校核洪水位穩(wěn)定滲流期。

非常運(yùn)用條件II：正常運(yùn)用條件遇地震。

（2）壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用程序

計(jì)算方法采用簡(jiǎn)化畢肖普法,計(jì)算穩(wěn)定滲流期或水庫(kù)水位降落期的安全系數(shù)計(jì)算公式：

式中：W為土條重量,kg；μ為作用于土條底面的孔隙壓力,N；α為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角,（°）；b為土條寬度,m；c'、φ'為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

（3）壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果

壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 大壩壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

從表4可以看出,大壩在抵御洪水標(biāo)準(zhǔn)下各工況均滿足大壩最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

5 結(jié)論

（1）均質(zhì)壩滲透系數(shù)相對(duì)較大,浸潤(rùn)線呈緩慢下降趨勢(shì),復(fù)合土工膜滲透系數(shù)小,浸潤(rùn)線降幅較大,溢出點(diǎn)位于棱體排水體內(nèi)。現(xiàn)狀棱體排水高度2.5 m,滿足正常蓄水工況下逸出點(diǎn)高程要求。

（2）計(jì)算結(jié)果表明滲透比降小于允許比降,壩體及壩基滲透穩(wěn)定均滿足要求。

（3）大壩在抵御洪水標(biāo)準(zhǔn)下各工況均滿足大壩最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求。