兔里坪水库加高坝型选择

宋丹青

（兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000）

兔里坪水库加高坝型选择

宋丹青

（兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000）

水利枢纽中由于地质、施工条件等因素限制，选择适宜的坝型会节省投资，使大坝更加稳定安全。由于兔里坪水库受到特殊的地质条件影响，通过对坝体稳定性、防渗效果、坝体边坡稳定性分析，结合工程布置、施工条件及工程投资等相关影响因素寻找最优坝型，可用于相似工程借鉴。

大坝加高抗滑稳定性渗流量边坡

1　工程地质

1.1区域地质概况

水库位于六盘山东麓泾河上游峡谷区，泾河由泾源县流经大阴山至崆峒山，出崆峒山以后转向东、进入宽阔的黄土塬、梁区流向下游的平凉市。工程及周围出露地层岩性主要有二叠系、三叠系和白垩系沉积岩，以及各种称印度第四系松散堆积物。本区位于祁吕贺兰山字型构造体系的脊柱——贺兰褶带的南段、陇西系旋卷构造六盘山旋回褶带的中部、伊陕盾地的西南部。水库区位于古城～崆峒山～宋庄复向斜内。地质基本烈度为Ⅷ度，工程区域构造稳定性较差。工程区属于侵蚀、博识褶皱石质中山峡谷区，物理地质现象表现为崩塌和滑坡。工程区地表水除达溪河及部分较大支沟支流有常年地表径流外，其余多无常年地表径流。地下水分为第四系孔隙性潜水和基岩裂隙水两种类型。

1.2坝址区的基本工程地质条件

1.2.1本工程地质特征

坝址选择时，必须了解各坝址地区的地质情况，依据其优缺点选择坝址。在选择坝址应充分考虑地形条件，便于考虑枢纽布置及施工。坝址上游希望河谷开阔，以便得到较大库容，而河谷太窄可能给枢纽布置及导流和场地布置造成困难，反而不如较宽的河谷有利。

上游坝址河漫滩不发育，坝址区出露的地质岩性有三叠系上统延长群下亚群（T3yn1）陆相粗碎屑沉积岩和第四系冲洪积、坡积为主的松散堆积物。上游坝趾区物理地质现象不发育，仅表现为岩石的风化、坡洪积，对工程影响很小。

下游坝址位于泾河前峡出口，河漫滩不发育，两岸零星有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地呈不对称发育，坝址区除左岸基岩裸露外，其余大部分被坡积、滑坡堆积及洪积物所覆盖，地表植被发育。坝址区出露岩性为二叠系砂岩夹砾岩、粉砂岩和砂质泥岩；三叠系上统崆峒山群（T3yn1）的砾岩夹砂岩；第四系（Q）坡积、洪积、冲洪积等松散堆积物。坝址区岩层呈缓倾的单斜构造，断裂较发育，裂隙以高陡倾角的裂隙为主，缓倾角裂隙极为少见，各组裂隙胶结性较差。坝址区物理地质现象比较发育，主要表现为岩体的风化、滑坡崩塌等。

1.2.2址工程地质条件及评价1

上坝址：左岸上部岸坡陡峻，基岩裸露，裂隙发育，坝肩岩体完整性较差，呈碎裂镶嵌结构。坝基基岩埋深13～23m，河床漫滩岩性为漂石、砂砾石，厚13～21m，呈灰色，漂卵砾石以砾岩为主、次为砾岩灰岩，石质坚硬、抗风化力较强，结构中密。右岸坡上覆盖坡积碎石土、厚3～10m，松散，局部基岩出露。

下坝址：崆峒水库大坝修建运行多年，未发生大的变形，坝基地质条件较好，能满足当地材料坝对坝基的要求，也适宜对大坝的培厚加高。坝基帷幕灌浆质量较好，水库运行多年未见坝基渗漏现象，防渗效果比较明显。

下坝址坝址区左岸及左坝肩岩体中断裂发育，岩体较破碎，但为反倾向缓倾层状岩体，边坡整体稳定性较好，并且水库运行多年未发现左岸岸坡不稳定状况，因此就左岸工程地质条件、岩体结构和稳定性分析来看，坝址左岸以及左坝肩具备加高15m的工程地质条件，但需要结合左岸整治，采取必要的防护措施和对泄洪洞采取防渗处理。坝址右岸及右坝肩，岩体较破碎，完整性较差，特别是近地表15～30m范围内岩体稳定性较差，并且局部有失稳现象;坝址右岸及右坝肩具备大坝加高15m的工程地质条件，但需要结合右岸整治，对右岸及右坝肩上部15～30m厚的岩体进行必要的清除，对Ⅵ#滑坡体的下部进行必要的整治，且进行固结灌浆。

2　坝型对比和选择

2.1坝型对比

坝型选择是水利水电工程设计中首先需要解决的一个重要问题，其涉及到许多重要影响因素,如库区坝址条件、工程造价、施工工期、地形条件、水利生态环境问题、地质条件等[1]。

下坝址方案须将现崆峒水库大坝加高15m，改扩建后兴利库容3700万m3，对应正常蓄水位1537.80m，死库容1224万m3，对应死水位1501.00m。经调洪演算后确定设计洪水位1537.90m，校核洪水位1539.50m。坝顶高程1541.00m。根据坝址处地形地质条件及筑坝材料料源条件，初步拟定壤土心墙砂砾石坝（方案一）及混凝土面板砂砾石坝（方案二）两个大坝加高方案进行坝型比选。

2.1.1土心墙砂砾石坝方案（方案一）：

大坝加高采用从下游坝坡培厚加高的方式，加高部分的坝型为壤土心墙砂砾石坝，斜墙底部与原坝体心墙紧密相连。

上游加高段坝坡为1:3.0，下游坝坡培厚加高后，坝坡自上而下分别为1:2.0、1:2.0、1:2.5、1:2.8、1:2.8，各级坝坡衔接处均设有2m宽的马道，马道之间高差为15m。大坝上有坝坡在高程1520m以上采用浆砌石护坡，厚0.4m，高程1520m以下采用块石护坡，厚0.4m。下游坝坡在一级马道以上采用浆砌石护坡，厚0.4m，一级马道以下均采用卵碎石护坡，厚0.15m。大坝加高后坝轴线向下游偏移，加高部分防渗体有心墙变为斜墙。上、下游坝壳料仍采用砂砾石。

原坝体1516.00m以上全部挖除，心墙部分开挖至1496.00m开始填筑壤土斜墙。斜墙上游面边坡1:3.0，下游面边坡1:1.5，顶高程1539.5m，顶宽5.0m，最大宽度54m，最大高度43.5m。

在原心墙轴线下游侧设置塑性混凝土防渗墙，墙厚1.0m，底部深入基岩1.0m。斜心墙上游反滤层与斜墙间设土工膜防渗，斜墙下游设置水平宽度3m的砾卵石排水体，底部与原坝体排水暗管相连，同时在坝体下游开挖至建基面后，顺延原坝体排水暗管。

2.1.2凝土面板砂砾石坝方案（方案二）

大坝加高后也采用从下游坝坡培厚加高的方式。加高部分的坝型为混凝土面板砂砾石坝。

根据规范规定，同时参考其他类似工程确定加高坝体上游坝坡为1:1.5,下游坝坡培厚加高后，全部为1:1.6，共六级，各级坝坡衔接处均设有宽2.0m的马道。下游坝坡在一级马道以上采用浆砌石护坡，厚0.4m，一级马道以下均采用卵碎石护坡，厚0.15m。大坝加高后坝轴线向下游偏移，加高部分防渗体为混凝土面板。下游坝壳料仍采用砂砾石。

现将坝体1516.0m以上全部挖除，同时清除下游表层2m厚范围内的砂砾石坝壳料及清除坝体下游压重平台，在坝体心墙轴线下游侧设混凝土防渗墙厚1m，防渗墙底部深入基岩1m，基岩进行帷幕灌浆，帷幕灌浆深入弱透水(下带)（1≦q≦3Lu）2m，防渗墙顶部与面板坝趾板相连，趾板厚0.3m，宽3m，趾板下游与坝体表面钢筋混凝土面板相连，面板厚0.3m，从而形成整体不透水的坝体防渗体系。面板下部依次为厚0.1m的Mu10碾压砂浆，水平宽3m的垫层料及新填筑砂砾岩石坝壳料，水平宽9m～84m。坝顶设砂砾石防冻层及混凝土路面，总厚1.5m。

2.2坝型选取分析

坝型选取对水库安全运行非常重要，这关系着工程投资，以及以后对下游是否存在安全隐患的一个重要因素。

2.2.1体稳定性分析

公式为：

式中：

m—计算点坝坡的水平坡率；

φ—砂砾石的摩察角，

KH—水平向地震系数；

Cz—为综合影响系数；

ai—为地震加速度分布系数。

本工程设防烈度8度，水平地震加速度为0.2g，KH=0.2，CZ=0.25，分别根据方案一和方案二进行抗滑稳定计算，结果如下：

方案一：

方案二：

经计算，方案二表面滑动最小安全系数均大于1.15，符合规范要求。

2.2.2坡坝段抗滑稳定分析

岸坡坝段抗滑稳定系数：

式中：

U—坝基扬压力；

P—上游坝面水压力；

S—切向合力与水压力合力。

已知壤土心墙砂砾石坝（方案一）上游加高段坝坡为1:3.0，下游坝坡培厚加高后，坝坡自上而下分别为1:2.0、1:2.0、1:2.5、1:2.8、1:2.8，坝坡较陡。混凝土面板砂砾石坝方案（方案二）时，上游坝坡为1:1.5,下游坝坡培厚加高后，全部为1:1.6，坝坡较缓。利用有限元进行计算，得出结论：混凝土面板砂砾石坝方案（方案二）上游坝面坡度较缓，坝体整体重量大，由上式可知，当扬压力U与坝基面的抗剪断参数f和c一样时，垂直于岸坡的合力N与滑动面面积A越大，则岸坡坝段抗滑稳定系数KS’越大，也即混凝土面板砂砾石坝方案（方案二）的岸坡坝段抗滑稳定系数Ks/大于壤土心墙砂砾石坝（方案一）。从这个角度来说方案二较好。

2.2.3体渗流量计算

按均匀渗流场分析

渗流基本方程：

壤土心墙砂砾石坝（方案一）：通过斜墙渗流分为两部分：

所以总渗流量为：

混凝土面板砂砾石坝方案（方案二）通过坝体的渗流量：

经过计算明显混凝土面板砂砾石坝方案（方案二）的渗流量较小。

渗流对大坝边坡的稳定性有重要影响，渗流作用于介质的力除了整体介质周围表面受压力之外,还要研究骨架间孔隙水的作用。并且，因为地表水浸入,致使土的抗剪强度下降,影响土质边坡的稳定性。非饱和带中,由于受到毛细管张力的影响,压力值为负,故此非饱和带处于负压,使颗粒间距压密,对边坡稳定有利。但过大的渗流会导致边坡失稳，特别兔里坪水库位于黄土高原地区，土质含有湿陷性黄土，尤其是大厚度自重湿陷性黄土，其湿陷量随浸水时间的发展过程分为5个阶段：初期平缓段、浸水陡降段、中期平缓段、停水后的陡降段和后期平缓段。在此期间若渗流量很大会在其中的某个阶段发生大的塌陷，引起边坡失稳，导致溃坝。

2.2.4坝边坡稳定性分析

采用简化的毕肖普法评价边坡稳定性

简化的毕肖普法公式：

计算时，可先假定Fs=1，求出mα（或假定mα=1），再求Fs，用此Fs求新的mα及Fs，反复迭代，直至假定的Fs和算出的Fs接近为止，通常只要迭代3～4次可满足精度要求，且迭代通常总是收敛的。

其中Qi是水平作用力也即坝体对边坡的作用力，在其它条件不变的情况下，受到的水平推力越小，抗滑稳定安全系数越大，即边坡的稳定性越好。所以选用混凝土面板砂砾石坝方案（方案二）时，上游坝坡为1:1.5,下游坝坡培厚加高后，全部为1:1.6，坝坡较缓，地基承载力较大，并且接触面积较大，足以保证其稳定性。而壤土心墙砂砾石坝（方案一）上游加高段坝坡为1:3.0，下游坝坡培厚加高后，坝坡自上而下分别为1:2.0、1:2.0、1:2.5、1:2.8、1:2.8，坝坡较陡，除地基保证一部分稳定性外，还需要岸坡的作用力，所以方案一水平作用力较大，边坡抗滑稳定安全系数较小。现利用非线性强度准则的极限平衡法,滑动弧地面的铅直应力利用实际的应力与土柱重量差别较大。有限元法可以反映坝坡堆石的本构关系,利用有限元法算出的应力能反映坝坡堆石在非线性抗剪强度状态下的应力状态。所以可将有限元计算的土柱重量与铅直应力比较,并且结合边坡稳定分析的特性判别非线性抗剪强度的极限平衡法的适应性。又由于坝体的铅直应力不决定抗剪强度的线性与非线性,就像采用简化的毕肖普法与线性抗剪强度的瑞典圆弧法被应用于工程设计类似,采用简化的毕肖普法与非线性抗剪强度的瑞典圆弧法,但是非线性抗剪强度的极限平衡法容许安全系数取值还需要以后积累经验。

3　小结

综上所述，基于对两种方案稳定性、渗流量、坝体边坡稳定性三个方面的综合分析，并且在工程布置、施工方案及工程投资等方面综合考虑，选用混凝土面板砂砾石坝方案（方案二）。特别是在特殊地质地区，要多提出几套切实可行的方案，以便运用各种方法去分析比较，从施工难易程度、工程成本、各个具体水工建筑物的具体设计必须结合实际地质条件去选择。在强地震区、深覆盖层、深厚风化层、岩溶等不良地质条件和在高陡边坡、河道拐弯等不良地形条件下建造高混凝土面板堆石坝，这些特殊地质区域已经有了较好的经验和较成熟的技术，可以借鉴。

1.陈志强,侍克斌.水利枢纽工程坝型选择影响因素的分析[J].中国农村水利水电,2007,8:62-69.

2.林继镛,王光纶.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

3.D.G弗雷德隆德,H.拉哈尔佐.非饱和土力学[M].北京：中国建筑工业出版社,1997.

4.黄雪峰，陈正汉.大厚度自重湿陷性黄土场地湿陷变形特征的大型现场试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(3):382-389.

5.迟世春.堆石坝坝坡的抗震稳定分析[J].世界地震工程,2002,18(4):11-17.

6.郦能惠，杨泽艳.中国混凝土面板堆石坝的技术进步[J].岩土工程学报,2012,34(8):1361-1368.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.022

TV64

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1672-2469（2014）08-0069-04

宋丹青(1989年—)，男，在校研究生。