碾壓粘土斜墻土石壩樞紐布置及邊坡穩(wěn)定分析

龍明星，趙志遠，何自立

(1.貴陽市水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002；2.西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

1 工程概況

栗木水庫工程位于貴陽市花溪區(qū)黔陶鄉(xiāng)馬場村境內的趙司河上，是一座解決花溪區(qū)黔陶鄉(xiāng)灌溉、人畜飲水及青巖古鎮(zhèn)(含安置區(qū))用水的水源工程項目.水庫擋水建筑物為粘土斜墻土石壩，最大壩高37.2 m，正常蓄水位為1 119.31 m，設計洪水位為1 119.31 m，校核洪水位為1 120.60 m，正常蓄水位以下庫容251.1×104m3，總庫容276×104m3，興利庫容231×104m3.工程規(guī)模為小(1)型水庫，工程等別為Ⅳ等.

水庫壩址河谷較寬敞，左岸覆蓋層較厚，右岸下伏基巖受斷層切割擠壓影響，存在壩基巖體裂隙發(fā)育、右岸壩肩斷層帶巖體破碎完整性較差等問題.為確保大壩首部樞紐布置方案具有較高技術性和經濟性，將結合踏勘資料和地質分析成果，對碾壓粘土斜墻土石壩的樞紐布置、壩體結構參數、滲流及抗滑穩(wěn)定性等進行詳細計算分析和優(yōu)化調整，以期獲得與工程實際相匹配的較優(yōu)設計方案，確保工程高效優(yōu)質的施工建設.

2 壩址地形地質條件

壩址河谷地形較對稱，由于下游為河灣地帶，不利于泄洪.左、右岸覆蓋層厚度較大，壩基和壩肩開挖量較大，左岸存在壩肩開挖形成邊坡穩(wěn)定問題.右岸出露較多基巖，壩肩1 115～1 120 m高程為一平緩地形，利于溢洪道布置.左、右岸均可布置引水隧洞，隧洞主要穿越硬質巖，成洞條件較好.壩址兩岸及河床基巖為D2d2段灰至深灰色薄—中厚層硅質白云巖，局部含泥質，巖質堅硬.巖層產狀N15°～20°E，NW∠10°～27°，右岸發(fā)育沿河走向的余家堡逆斷層(F1)，受(F1)斷層擠壓切割影響壩址發(fā)育NNE(N20°～30°E)向、NWW(N70°～85W°)向兩組裂隙,呈“X”狀.巖質較堅硬，但較破碎，無緩傾裂隙發(fā)育.第四系覆蓋層和強風化帶巖體呈散體結構，具松散介質特征，為CV類巖體，不宜建壩；弱風化帶巖體為硬質巖，為BⅢ巖體，抗滑及抗變形能力較好，具備建面壩堆石壩、土石壩、重力壩要求.

鑒于壩址區(qū)現有的不良地質條件不利于修建剛性壩，考慮面壩堆石壩及土石壩兩種壩型進行對比[1]，分析結果表明：面板堆石壩趾板要求放置于弱風化完整基巖上，要求較高，而土石壩對基礎要求較低.另外，壩址處覆蓋層較厚，開挖工程量較大.為充分利用壩址右岸的礦渣料，減少水庫淤積源，降低開挖量，結合當地材料分布，設計優(yōu)選土石壩壩型.

3 土石壩首部樞紐布置

根據壩址地質地形條件，首部樞紐布置由土石壩、右壩肩設閘溢洪道、右岸庫內取水口、右岸引水隧洞等建筑物組成.

3.1 碾壓粘土斜墻土石壩

大壩為復合土工膜防滲碾壓粘土斜墻土石壩，壩軸線成直線布置，方位角為NW55.88°.壩頂高程1 121.00 m，壩高37.2 m，壩頂長210.60 m，壩頂寬6 m.壩頂上游設L型C15混凝土防浪墻，墻頂高程1 122.00 m，壩頂結構200 mm厚度C15混凝土路面.根據工程類比確定在上游壩坡1 105.00 m處設一馬道，馬道以上坡比1 ∶2.5，馬道以下坡比1 ∶2.8，下游壩坡1 ∶1.6.

3.2 開敞式溢洪道

溢洪道位于大壩右岸，上游段設引渠，為岸邊開敞式設閘溢洪道，共設3孔，每孔凈寬6.0 m，總凈寬18.0 m.堰型為曲線型實用堰，堰頂高程1 115.31 m.在泄槽段樁號0+025.00縮窄至16.0 m，泄槽段底坡0.36，溢洪道長150.836 m.出口采用底流消能，消力池長42.5 m，消力坎高2.5 m.底板沿軸線設縱縫，沿溢洪道軸線每隔15 m設置橫縫.泄槽段底板沿垂直與軸線方向每隔25 m設橫向排水盲溝，尺寸25 cm×25 cm.

3.3 灌溉、供水隧洞

灌溉、供水隧洞布置于右岸.進口設岸塔式取水口，底板高程1 097.000 m，孔口尺寸1.5 m×1.5 m，進口設一道固定式攔污柵和一道檢修閘門.取水口后接城門洞形引水隧洞，洞斷面尺寸3.0 m×3.4 m，洞長165.00 m.洞內設φ800球墨鑄鐵管(灌溉、供水、放空沖沙兼下放生態(tài)水)與取水口連接，引水管出口設有球閥控制灌溉和供水流量及放空.

4 土石壩結構優(yōu)化設計

4.1 壩頂高程

經調洪計算得水庫校核洪水位1 120.60 m(P=0.33%)，設計洪水位1 119.31 m(P=3.33%)，正常蓄水位1 119.31 m.壩區(qū)水庫風區(qū)長度(吹程)D=1.0 km；設計風速正常蓄水位和設計洪水位條件下為14.6 m/s，校核洪水位條件下為9.7 m/s.根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2001)規(guī)定[2]，栗木水庫大壩建筑物為4級，安全超高標準為：正常運用情況0.5 m，非常運用情況0.3 m.采用官廳水庫公式，計算得土石壩壩頂高程分析成果(見表1).

表1 土石壩壩頂高程計算成果 單位:m

根據表1計算成果，壩頂高程由校核洪水位情況控制，考慮在大壩上游設置防浪墻，取壩頂高程為1 121.00 m，防浪墻高1 m，頂部高程為1 122.00 m.

4.2 壩體結構分區(qū)及填筑標準

栗木水庫為非土質防滲體分區(qū)壩，按照筑壩材料及功能從上游到下游將壩體分為上游保護層、土工膜墊層、防滲土工膜、下墊層、粘土斜墻、反濾層、礦渣料填筑壩體、下游排水棱體.栗木水庫碾壓粘土斜墻土石壩標準斷面(見圖1).

圖1 栗木水庫碾壓粘土斜墻土石壩標準斷面

(1)結構分區(qū)

上游墊層由15 cm厚中砂鋪設后采用三級配8 cm的C20預制混凝土塊護面，抗?jié)B等級為W4，抗凍等級為F50.防滲土工膜采用聚乙烯(PE)復合土工膜(兩布一膜)，膜厚0.5 mm，布克重300 g/m2，規(guī)格：300 g/0.5 mm/300 g.土工膜與粘土斜墻之間，采用一層15 cm厚的中砂作為土工膜下墊層.粘土壩體由風化土石料碾壓填筑.反濾層由土工布和砂墊層組成，其中砂墊層厚50 cm，坡比1 ∶1.5.下游護坡采用干砌塊石護坡，厚60 cm.下游壩腳采用大堆石護腳，排水體高程1 092.00m，頂寬4.0 m，護腳上游壩坡1 ∶1，下游壩坡1 ∶1.3.

(2)粘土斜墻填筑

去掉耕植土層的風化土石料組成，為大壩的主要部分，風化料碾壓填筑標準必須按《碾壓土石壩設計規(guī)范》(SL274—2001)中的土料碾壓填筑的技術要求執(zhí)行[2-6].碾壓后壓實度不低于96%，滲透系數不小于1.0×10-3cm/s，容重不低于1.9 t/m3.斜墻部分碾壓采用BW219D-2型自行式振動碾碾壓，遍數為4～6遍.采用進退錯距法碾壓，錯距50 cm.

4.3 壩體滲流及壩坡穩(wěn)定分析

4.3.1 壩體滲流計算

根據《碾壓土石壩設計規(guī)范》(SL274—2001)[4]，栗木水庫土石壩滲流計算設置三種工況.

工況一：上游正常蓄水位(P=3.33%設計洪水位1 119.31 m)與下游相應的水位(1 090.37 m)情況；

工況二：上游校核洪水位(1 120.60 m)與下游相應的水位(1 091.66 m)情況；

工況三：上游庫水位降落時(不穩(wěn)定滲流，水庫由正常蓄水位1 119.31 m降至1 099.50 m)情況.

迎水面設置土工膜防滲，滲透系數很小，小于1×10-8，約為1×10-11cm/s.將大壩分三個區(qū)域：粘土斜墻為1區(qū)、堆石及礦渣料為2區(qū)、壩基為3區(qū).各區(qū)采用的滲透系數如下：①1區(qū)：Kx=Ky=5.85×10-6cm/s；②2區(qū)：Kx=Ky=1.5×10-4cm/s；③3區(qū)：Kx=Ky=1×10-6cm/s(帷幕與基巖相連，視為不透水區(qū)).采用理正《滲流分析計算系統(tǒng)》進行分析，各種工況滲流計算成果(見表2).

表2 各種工況滲流計算結果表 單位:m3/s·m

從表2可知，各工況條件下壩體滲流量均很常小，在10-6量綱級，對水庫高水位蓄水和防洪防汛不會造成不良影響，滿足設計要求.

4.3.2 壩坡穩(wěn)定性計算

為保證土石壩壩坡在各種運行工況條件下，均具有較高的安全穩(wěn)定性，必須對壩坡穩(wěn)定性進行計算分析[7-9].結合栗木水庫工程實際，考慮兩種工況進行壩坡穩(wěn)定計算，即：①工況一：校核洪水位情況下上、下游壩坡；②工況二：正常蓄水位情況下穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡.按剛體極限平衡法進行穩(wěn)定性分析，采用計條塊間作用力的簡化畢肖普法和不計及條塊間作用力的瑞典圓弧法[10].經計算得上、下游壩坡穩(wěn)定分析成果(見表3).

表3 各種工況壩坡穩(wěn)定分析成果表

從表3可知，各工況條件下采用瑞典圓弧法計算的最小安全系數為1.169，采用簡化畢肖普法計算的最小安全系數為1.252，均大于規(guī)范要求的[1.15]和[1.25]指標限值[11]，壩坡整體穩(wěn)定性較高.

5 結 論

栗木水庫土石壩工程經地質調查、布置優(yōu)化調整、結構參數計算和邊坡穩(wěn)定分析等，對首部樞紐布置和大壩經濟斷面進行了詳細計算和方案優(yōu)化，優(yōu)選壩型適應性強、整體布置簡潔、施工技術成熟和綜合投資小的碾壓粘土斜墻土石壩方案.滲流和穩(wěn)定性分析成果表明，樞紐布置和大壩結構參數均滿足規(guī)范要求，很好處理了基礎覆蓋層較厚、軟基建壩、筑壩材料分布和壩體防滲等關鍵技術問題，為工程高效優(yōu)質施工建設提供了重要設計技術指導.

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