碾压粘土斜墙土石坝枢纽布置及边坡稳定分析

龙明星，赵志远，何自立

(1.贵阳市水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

1 工程概况

栗木水库工程位于贵阳市花溪区黔陶乡马场村境内的赵司河上，是一座解决花溪区黔陶乡灌溉、人畜饮水及青岩古镇(含安置区)用水的水源工程项目.水库挡水建筑物为粘土斜墙土石坝，最大坝高37.2 m，正常蓄水位为1 119.31 m，设计洪水位为1 119.31 m，校核洪水位为1 120.60 m，正常蓄水位以下库容251.1×104m3，总库容276×104m3，兴利库容231×104m3.工程规模为小(1)型水库，工程等别为Ⅳ等.

水库坝址河谷较宽敞，左岸覆盖层较厚，右岸下伏基岩受断层切割挤压影响，存在坝基岩体裂隙发育、右岸坝肩断层带岩体破碎完整性较差等问题.为确保大坝首部枢纽布置方案具有较高技术性和经济性，将结合踏勘资料和地质分析成果，对碾压粘土斜墙土石坝的枢纽布置、坝体结构参数、渗流及抗滑稳定性等进行详细计算分析和优化调整，以期获得与工程实际相匹配的较优设计方案，确保工程高效优质的施工建设.

2 坝址地形地质条件

坝址河谷地形较对称，由于下游为河湾地带，不利于泄洪.左、右岸覆盖层厚度较大，坝基和坝肩开挖量较大，左岸存在坝肩开挖形成边坡稳定问题.右岸出露较多基岩，坝肩1 115～1 120 m高程为一平缓地形，利于溢洪道布置.左、右岸均可布置引水隧洞，隧洞主要穿越硬质岩，成洞条件较好.坝址两岸及河床基岩为D2d2段灰至深灰色薄—中厚层硅质白云岩，局部含泥质，岩质坚硬.岩层产状N15°～20°E，NW∠10°～27°，右岸发育沿河走向的余家堡逆断层(F1)，受(F1)断层挤压切割影响坝址发育NNE(N20°～30°E)向、NWW(N70°～85W°)向两组裂隙,呈“X”状.岩质较坚硬，但较破碎，无缓倾裂隙发育.第四系覆盖层和强风化带岩体呈散体结构，具松散介质特征，为CV类岩体，不宜建坝；弱风化带岩体为硬质岩，为BⅢ岩体，抗滑及抗变形能力较好，具备建面坝堆石坝、土石坝、重力坝要求.

鉴于坝址区现有的不良地质条件不利于修建刚性坝，考虑面坝堆石坝及土石坝两种坝型进行对比[1]，分析结果表明：面板堆石坝趾板要求放置于弱风化完整基岩上，要求较高，而土石坝对基础要求较低.另外，坝址处覆盖层较厚，开挖工程量较大.为充分利用坝址右岸的矿渣料，减少水库淤积源，降低开挖量，结合当地材料分布，设计优选土石坝坝型.

3 土石坝首部枢纽布置

根据坝址地质地形条件，首部枢纽布置由土石坝、右坝肩设闸溢洪道、右岸库内取水口、右岸引水隧洞等建筑物组成.

3.1 碾压粘土斜墙土石坝

大坝为复合土工膜防渗碾压粘土斜墙土石坝，坝轴线成直线布置，方位角为NW55.88°.坝顶高程1 121.00 m，坝高37.2 m，坝顶长210.60 m，坝顶宽6 m.坝顶上游设L型C15混凝土防浪墙，墙顶高程1 122.00 m，坝顶结构200 mm厚度C15混凝土路面.根据工程类比确定在上游坝坡1 105.00 m处设一马道，马道以上坡比1 ∶2.5，马道以下坡比1 ∶2.8，下游坝坡1 ∶1.6.

3.2 开敞式溢洪道

溢洪道位于大坝右岸，上游段设引渠，为岸边开敞式设闸溢洪道，共设3孔，每孔净宽6.0 m，总净宽18.0 m.堰型为曲线型实用堰，堰顶高程1 115.31 m.在泄槽段桩号0+025.00缩窄至16.0 m，泄槽段底坡0.36，溢洪道长150.836 m.出口采用底流消能，消力池长42.5 m，消力坎高2.5 m.底板沿轴线设纵缝，沿溢洪道轴线每隔15 m设置横缝.泄槽段底板沿垂直与轴线方向每隔25 m设横向排水盲沟，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.进口设岸塔式取水口，底板高程1 097.000 m，孔口尺寸1.5 m×1.5 m，进口设一道固定式拦污栅和一道检修闸门.取水口后接城门洞形引水隧洞，洞断面尺寸3.0 m×3.4 m，洞长165.00 m.洞内设φ800球墨铸铁管(灌溉、供水、放空冲沙兼下放生态水)与取水口连接，引水管出口设有球阀控制灌溉和供水流量及放空.

4 土石坝结构优化设计

4.1 坝顶高程

经调洪计算得水库校核洪水位1 120.60 m(P=0.33%)，设计洪水位1 119.31 m(P=3.33%)，正常蓄水位1 119.31 m.坝区水库风区长度(吹程)D=1.0 km；设计风速正常蓄水位和设计洪水位条件下为14.6 m/s，校核洪水位条件下为9.7 m/s.根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)规定[2]，栗木水库大坝建筑物为4级，安全超高标准为：正常运用情况0.5 m，非常运用情况0.3 m.采用官厅水库公式，计算得土石坝坝顶高程分析成果(见表1).

表1 土石坝坝顶高程计算成果 单位:m

根据表1计算成果，坝顶高程由校核洪水位情况控制，考虑在大坝上游设置防浪墙，取坝顶高程为1 121.00 m，防浪墙高1 m，顶部高程为1 122.00 m.

4.2 坝体结构分区及填筑标准

栗木水库为非土质防渗体分区坝，按照筑坝材料及功能从上游到下游将坝体分为上游保护层、土工膜垫层、防渗土工膜、下垫层、粘土斜墙、反滤层、矿渣料填筑坝体、下游排水棱体.栗木水库碾压粘土斜墙土石坝标准断面(见图1).

图1 栗木水库碾压粘土斜墙土石坝标准断面

(1)结构分区

上游垫层由15 cm厚中砂铺设后采用三级配8 cm的C20预制混凝土块护面，抗渗等级为W4，抗冻等级为F50.防渗土工膜采用聚乙烯(PE)复合土工膜(两布一膜)，膜厚0.5 mm，布克重300 g/m2，规格：300 g/0.5 mm/300 g.土工膜与粘土斜墙之间，采用一层15 cm厚的中砂作为土工膜下垫层.粘土坝体由风化土石料碾压填筑.反滤层由土工布和砂垫层组成，其中砂垫层厚50 cm，坡比1 ∶1.5.下游护坡采用干砌块石护坡，厚60 cm.下游坝脚采用大堆石护脚，排水体高程1 092.00m，顶宽4.0 m，护脚上游坝坡1 ∶1，下游坝坡1 ∶1.3.

(2)粘土斜墙填筑

去掉耕植土层的风化土石料组成，为大坝的主要部分，风化料碾压填筑标准必须按《碾压土石坝设计规范》(SL274—2001)中的土料碾压填筑的技术要求执行[2-6].碾压后压实度不低于96%，渗透系数不小于1.0×10-3cm/s，容重不低于1.9 t/m3.斜墙部分碾压采用BW219D-2型自行式振动碾碾压，遍数为4～6遍.采用进退错距法碾压，错距50 cm.

4.3 坝体渗流及坝坡稳定分析

4.3.1 坝体渗流计算

根据《碾压土石坝设计规范》(SL274—2001)[4]，栗木水库土石坝渗流计算设置三种工况.

工况一：上游正常蓄水位(P=3.33%设计洪水位1 119.31 m)与下游相应的水位(1 090.37 m)情况；

工况二：上游校核洪水位(1 120.60 m)与下游相应的水位(1 091.66 m)情况；

工况三：上游库水位降落时(不稳定渗流，水库由正常蓄水位1 119.31 m降至1 099.50 m)情况.

迎水面设置土工膜防渗，渗透系数很小，小于1×10-8，约为1×10-11cm/s.将大坝分三个区域：粘土斜墙为1区、堆石及矿渣料为2区、坝基为3区.各区采用的渗透系数如下：①1区：Kx=Ky=5.85×10-6cm/s；②2区：Kx=Ky=1.5×10-4cm/s；③3区：Kx=Ky=1×10-6cm/s(帷幕与基岩相连，视为不透水区).采用理正《渗流分析计算系统》进行分析，各种工况渗流计算成果(见表2).

表2 各种工况渗流计算结果表 单位:m3/s·m

从表2可知，各工况条件下坝体渗流量均很常小，在10-6量纲级，对水库高水位蓄水和防洪防汛不会造成不良影响，满足设计要求.

4.3.2 坝坡稳定性计算

为保证土石坝坝坡在各种运行工况条件下，均具有较高的安全稳定性，必须对坝坡稳定性进行计算分析[7-9].结合栗木水库工程实际，考虑两种工况进行坝坡稳定计算，即：①工况一：校核洪水位情况下上、下游坝坡；②工况二：正常蓄水位情况下稳定渗流期的上、下游坝坡.按刚体极限平衡法进行稳定性分析，采用计条块间作用力的简化毕肖普法和不计及条块间作用力的瑞典圆弧法[10].经计算得上、下游坝坡稳定分析成果(见表3).

表3 各种工况坝坡稳定分析成果表

从表3可知，各工况条件下采用瑞典圆弧法计算的最小安全系数为1.169，采用简化毕肖普法计算的最小安全系数为1.252，均大于规范要求的[1.15]和[1.25]指标限值[11]，坝坡整体稳定性较高.

5 结 论

栗木水库土石坝工程经地质调查、布置优化调整、结构参数计算和边坡稳定分析等，对首部枢纽布置和大坝经济断面进行了详细计算和方案优化，优选坝型适应性强、整体布置简洁、施工技术成熟和综合投资小的碾压粘土斜墙土石坝方案.渗流和稳定性分析成果表明，枢纽布置和大坝结构参数均满足规范要求，很好处理了基础覆盖层较厚、软基建坝、筑坝材料分布和坝体防渗等关键技术问题，为工程高效优质施工建设提供了重要设计技术指导.

参考文献：

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