引黄入晋工程北干线尚希庄水库大坝设计

徐 进

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

山西省万家寨引黄入晋工程北干线由分水闸起向东，经偏关、平鲁、朔州、山阴、怀仁至大同市附近赵家小村水库止，线路全长161.115 km。北干线近期工程按年输水量2.96亿m3的规模建设，根据水资源供需平衡，考虑年调节和引黄各个供水区事故备用相结合的原则，在北干沿线选择了大梁、耿庄、尚希庄和赵家小村四座调节水库，总调节库容为3 158万m3。其中尚希庄水库调节库容1 005万m3，总库容1 055万m3。主要建筑物有大坝、水库进水口、出水口、山阴供水口（泄水口）以及泄水明渠等。

2 大坝设计

尚希庄水库大坝呈环型布置，为半挖半填型平原围封水库，坝轴线总长3 992.6m，坝型为碾压均质土坝。水库最高蓄水位1 114.50 m，死水位1 103.05 m，坝顶高程1 116.00 m，宽度6.0 m，最大坝高17 m，上游坝坡 1∶2.5，下游坝坡 1∶2.0。

2.1 坝顶高程

依据《碾压式土石坝设计规范》，坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和。其数值按最高蓄水位加正常运用条件的坝顶超高计算。计算结果见表1。

表1 尚希庄水库坝顶高程计算成果表

根据表1成果，考虑1.20 m高的浆砌石防浪墙，坝顶高程1 116.00 m，防浪墙顶高程1 117.20 m。

2.2 大坝构造

坝顶长3 992.6 m，宽度因无特殊要求，定为6 m，坝面铺设150 mm厚的预制C30F200混凝土块，下垫300 mm厚的碎石垫层。大坝上游坝肩设顶宽0.5 m、高1.2 m浆砌石防浪墙，墙顶高程1 117.20 m，防浪墙伸入坝体1.8 m，表面用20 mm厚的水泥砂浆抹面。坝面横向坡度2%，坡向下游，大坝下游坝肩沿大坝轴线方向设浆砌石纵向排水沟。

2.3 坝坡防护

大坝上游坝坡比为1∶2.5，采用150 mm厚预制六边形C30F200混凝土防护，下设土工布反滤层，反滤层下铺设300 mm厚细砂垫层，垫层下为防渗复合土工膜，复合土工膜为二布一膜，其中膜厚0.5 mm，土工布采用长丝针刺土工布，复合土工膜单位面积质量0.9 kg/m2；下游碾压断面坝坡 1∶2.0。

2.4 大坝渗流分析

依据《碾压式土石坝设计规范》，结合本调蓄水库的运行特点，大坝渗流按以下两种工况计算：

工况一：上游最高蓄水位1 114.50 m，下游最低水位1 100.00 m。

工况二：库水位由最高蓄水位1 114.50 m降落至1 100.00 m，骤降速度平均为1.96 m/d。

计算三种断面：最大坝高（17 m）断面3+620.4坝后有压重、最大坝高（17 m）断面3+620.4坝后无压重、坝后无压重的最大坝高（12.3 m）断面。

2.4.1 渗流计算参数

坝基低液限黏土、低液限粉土及粉土质砂层可能发生的渗透变形为流土，允许水力比降J允许=0.45。坝基卵石混合土可能发生的渗透变形为管涌，允许水力比降J允许=0.20。

2.4.2 计算假设

计算假设上游防渗复合土工膜全部失效，由坝体防渗考虑；若相邻两地基土层渗透系数相差10倍，可视为不透水层。

2.4.3 计算方法

渗流计算采用北京理正软件设计研究院编制的《理正岩土计算程序5.0版》

2.4.4 计算结果及分析

计算得尚希庄水库每天渗漏量约62 285 m3。

渗流分析：若大坝不设防渗体，每天的渗漏量为62 285 m3，作为远距离输水供水工程，如此大的渗漏量是非常不经济的，因此，对整个尚希庄水库大坝枢纽来讲，防渗尤为重要。

渗透稳定分析：由计算结果可知，坝体满足渗透稳定，坝基渗透比降超过规范规定的允许值，建议大坝坡脚设置排水体，防止渗流出逸处发生渗透变形。

2.5 坝体及坝坡稳定分析

依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），结合本调蓄水库的运行特点，尚希庄水库大坝抗滑稳定计算应考虑以下三种工况（计算假设上游防渗复合土工膜全部失效）：

工况一：水库位于最高蓄水位1 114.50 m时，核算大坝上、下游坝坡的稳定；

工况二：水库水位降落时核算上游坝坡的稳定；

工况三：水库最高蓄水位（1 114.500 m）遭遇Ⅶ度地震时的上、下游坝坡的稳定。

2.5.1 计算参数

尚希庄水库坝型为碾压均质土坝，坝顶宽6.0 m，最大坝高17 m，大坝上游边坡1∶2.5，下游碾压断面边坡1∶2.0。坝顶高程1116.00m，最高蓄水位1 114.50m，死水位1 103.05 m。

尚希庄水库大坝为2级建筑物，依据《碾压式土石坝设计规范》，正常运用条件坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.35；水库水位非常骤降时最小安全系数为1.25，与地震组合的非常运用条件坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.15。设计地震烈度Ⅶ度。

2.5.2 计算方法

抗滑稳定计算采用北京理正软件设计研究院编制的《稳定计算分析软件》（理正岩土5.0版），计算方法采用计及条块间作用力的简化毕肖普法。

2.5.3 计算结果

计算选三种断面：最大坝高（17 m）坝后有压重和坝后无压重、坝后无压重的最大坝高（12.3 m）断面。

抗滑稳定计算结果见表2。由计算结果可知，各种计算工况，坝体均满足抗滑稳定要求。

表2 抗滑稳定计算结果表

2.5.4 坝坡土工膜防渗体的稳定

因筑坝土料渗透系数较大，上游坝坡采用复合土工膜防渗。复合土工膜上铺设300 mm厚细砂垫层，砂垫层上铺设一层土工布反滤，土工布上铺设150 mm厚预制六边形C30混凝土防护块，大坝上游坝坡1∶2.5。

土工膜稳定性验算，仅针对防护层、上垫层与土工膜之间的抗滑稳定，验算最不利工况为水库水位骤降。计算依据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》，计算结果得：K=1.45>1.20，满足抗滑稳定要求。为了增强复合土工膜防渗体的稳定性，在铺设时，坝坡设置呈台阶形。

2.6 沉降计算

土坝应进行沉降分析，根据《碾压土石坝设计规范》计算坝体和坝基的沉降量，计算方法为分层总和法。

坝体土选用干密度1.74g/cm3的低液限黏土和干密度1.74g/cm3的低液限粉土两种土料来计算；坝基选取较高坝段桩号2+920.4～3+020.4、地基土无湿陷性，和较高坝段桩号3+220.4～3+320.4、地基土具自重Ⅱ级（中等）湿陷性。对计算结果进行分析，建议地基进行加固处理，消除不均匀沉陷；坝体考虑竣工后的沉降量，施工预留沉降超高1.0m。