引黃入晉工程北干線尚希莊水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)

徐 進(jìn)

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

山西省萬(wàn)家寨引黃入晉工程北干線由分水閘起向東，經(jīng)偏關(guān)、平魯、朔州、山陰、懷仁至大同市附近趙家小村水庫(kù)止，線路全長(zhǎng)161.115 km。北干線近期工程按年輸水量2.96億m3的規(guī)模建設(shè)，根據(jù)水資源供需平衡，考慮年調(diào)節(jié)和引黃各個(gè)供水區(qū)事故備用相結(jié)合的原則，在北干沿線選擇了大梁、耿莊、尚希莊和趙家小村四座調(diào)節(jié)水庫(kù)，總調(diào)節(jié)庫(kù)容為3 158萬(wàn)m3。其中尚希莊水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容1 005萬(wàn)m3，總庫(kù)容1 055萬(wàn)m3。主要建筑物有大壩、水庫(kù)進(jìn)水口、出水口、山陰供水口（泄水口）以及泄水明渠等。

2 大壩設(shè)計(jì)

尚希莊水庫(kù)大壩呈環(huán)型布置，為半挖半填型平原圍封水庫(kù)，壩軸線總長(zhǎng)3 992.6m，壩型為碾壓均質(zhì)土壩。水庫(kù)最高蓄水位1 114.50 m，死水位1 103.05 m，壩頂高程1 116.00 m，寬度6.0 m，最大壩高17 m，上游壩坡 1∶2.5，下游壩坡 1∶2.0。

2.1 壩頂高程

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩頂高程等于水庫(kù)靜水位與壩頂超高之和。其數(shù)值按最高蓄水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 尚希莊水庫(kù)壩頂高程計(jì)算成果表

根據(jù)表1成果，考慮1.20 m高的漿砌石防浪墻，壩頂高程1 116.00 m，防浪墻頂高程1 117.20 m。

2.2 大壩構(gòu)造

壩頂長(zhǎng)3 992.6 m，寬度因無(wú)特殊要求，定為6 m，壩面鋪設(shè)150 mm厚的預(yù)制C30F200混凝土塊，下墊300 mm厚的碎石墊層。大壩上游壩肩設(shè)頂寬0.5 m、高1.2 m漿砌石防浪墻，墻頂高程1 117.20 m，防浪墻伸入壩體1.8 m，表面用20 mm厚的水泥砂漿抹面。壩面橫向坡度2%，坡向下游，大壩下游壩肩沿大壩軸線方向設(shè)漿砌石縱向排水溝。

2.3 壩坡防護(hù)

大壩上游壩坡比為1∶2.5，采用150 mm厚預(yù)制六邊形C30F200混凝土防護(hù)，下設(shè)土工布反濾層，反濾層下鋪設(shè)300 mm厚細(xì)砂墊層，墊層下為防滲復(fù)合土工膜，復(fù)合土工膜為二布一膜，其中膜厚0.5 mm，土工布采用長(zhǎng)絲針刺土工布，復(fù)合土工膜單位面積質(zhì)量0.9 kg/m2；下游碾壓斷面壩坡 1∶2.0。

2.4 大壩滲流分析

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合本調(diào)蓄水庫(kù)的運(yùn)行特點(diǎn)，大壩滲流按以下兩種工況計(jì)算：

工況一：上游最高蓄水位1 114.50 m，下游最低水位1 100.00 m。

工況二：庫(kù)水位由最高蓄水位1 114.50 m降落至1 100.00 m，驟降速度平均為1.96 m/d。

計(jì)算三種斷面：最大壩高（17 m）斷面3+620.4壩后有壓重、最大壩高（17 m）斷面3+620.4壩后無(wú)壓重、壩后無(wú)壓重的最大壩高（12.3 m）斷面。

2.4.1 滲流計(jì)算參數(shù)

壩基低液限黏土、低液限粉土及粉土質(zhì)砂層可能發(fā)生的滲透變形為流土，允許水力比降J允許=0.45。壩基卵石混合土可能發(fā)生的滲透變形為管涌，允許水力比降J允許=0.20。

2.4.2 計(jì)算假設(shè)

計(jì)算假設(shè)上游防滲復(fù)合土工膜全部失效，由壩體防滲考慮；若相鄰兩地基土層滲透系數(shù)相差10倍，可視為不透水層。

2.4.3 計(jì)算方法

滲流計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正巖土計(jì)算程序5.0版》

2.4.4 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算得尚希莊水庫(kù)每天滲漏量約62 285 m3。

滲流分析：若大壩不設(shè)防滲體，每天的滲漏量為62 285 m3，作為遠(yuǎn)距離輸水供水工程，如此大的滲漏量是非常不經(jīng)濟(jì)的，因此，對(duì)整個(gè)尚希莊水庫(kù)大壩樞紐來(lái)講，防滲尤為重要。

滲透穩(wěn)定分析：由計(jì)算結(jié)果可知，壩體滿足滲透穩(wěn)定，壩基滲透比降超過(guò)規(guī)范規(guī)定的允許值，建議大壩坡腳設(shè)置排水體，防止?jié)B流出逸處發(fā)生滲透變形。

2.5 壩體及壩坡穩(wěn)定分析

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），結(jié)合本調(diào)蓄水庫(kù)的運(yùn)行特點(diǎn)，尚希莊水庫(kù)大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)考慮以下三種工況（計(jì)算假設(shè)上游防滲復(fù)合土工膜全部失效）：

工況一：水庫(kù)位于最高蓄水位1 114.50 m時(shí)，核算大壩上、下游壩坡的穩(wěn)定；

工況二：水庫(kù)水位降落時(shí)核算上游壩坡的穩(wěn)定；

工況三：水庫(kù)最高蓄水位（1 114.500 m）遭遇Ⅶ度地震時(shí)的上、下游壩坡的穩(wěn)定。

2.5.1 計(jì)算參數(shù)

尚希莊水庫(kù)壩型為碾壓均質(zhì)土壩，壩頂寬6.0 m，最大壩高17 m，大壩上游邊坡1∶2.5，下游碾壓斷面邊坡1∶2.0。壩頂高程1116.00m，最高蓄水位1 114.50m，死水位1 103.05 m。

尚希莊水庫(kù)大壩為2級(jí)建筑物，依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，正常運(yùn)用條件壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.35；水庫(kù)水位非常驟降時(shí)最小安全系數(shù)為1.25，與地震組合的非常運(yùn)用條件壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.15。設(shè)計(jì)地震烈度Ⅶ度。

2.5.2 計(jì)算方法

抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《穩(wěn)定計(jì)算分析軟件》（理正巖土5.0版），計(jì)算方法采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法。

2.5.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算選三種斷面：最大壩高（17 m）壩后有壓重和壩后無(wú)壓重、壩后無(wú)壓重的最大壩高（12.3 m）斷面。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2。由計(jì)算結(jié)果可知，各種計(jì)算工況，壩體均滿足抗滑穩(wěn)定要求。

表2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

2.5.4 壩坡土工膜防滲體的穩(wěn)定

因筑壩土料滲透系數(shù)較大，上游壩坡采用復(fù)合土工膜防滲。復(fù)合土工膜上鋪設(shè)300 mm厚細(xì)砂墊層，砂墊層上鋪設(shè)一層土工布反濾，土工布上鋪設(shè)150 mm厚預(yù)制六邊形C30混凝土防護(hù)塊，大壩上游壩坡1∶2.5。

土工膜穩(wěn)定性驗(yàn)算，僅針對(duì)防護(hù)層、上墊層與土工膜之間的抗滑穩(wěn)定，驗(yàn)算最不利工況為水庫(kù)水位驟降。計(jì)算依據(jù)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，計(jì)算結(jié)果得：K=1.45>1.20，滿足抗滑穩(wěn)定要求。為了增強(qiáng)復(fù)合土工膜防滲體的穩(wěn)定性，在鋪設(shè)時(shí)，壩坡設(shè)置呈臺(tái)階形。

2.6 沉降計(jì)算

土壩應(yīng)進(jìn)行沉降分析，根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算壩體和壩基的沉降量，計(jì)算方法為分層總和法。

壩體土選用干密度1.74g/cm3的低液限黏土和干密度1.74g/cm3的低液限粉土兩種土料來(lái)計(jì)算；壩基選取較高壩段樁號(hào)2+920.4～3+020.4、地基土無(wú)濕陷性，和較高壩段樁號(hào)3+220.4～3+320.4、地基土具自重Ⅱ級(jí)（中等）濕陷性。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，建議地基進(jìn)行加固處理，消除不均勻沉陷；壩體考慮竣工后的沉降量，施工預(yù)留沉降超高1.0m。