水庫壩體護(hù)坡的計算與比選

□張進(jìn)寶 □武 斌 □楊冬冬

（1虞城縣水務(wù)局灌溉服務(wù)站；2商丘市水利建筑勘測設(shè)計院）

1 工程概述

豫東某水庫位于平原黃河故道上，是一座以灌溉、防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。該水庫控制流域面積1155.00 km2，于1958年建成蓄水，1961年大水時，大壩被迫扒口放水，水庫同時停止運用。1974年大壩缺口堵復(fù)，水庫恢復(fù)運用，2013年進(jìn)行除險加固。該水庫主要由主壩、副壩、溢洪道、灌溉閘組成。主壩長1110.00m，副壩長1713.00m，為均質(zhì)土壩。主壩為南北向，最大壩頂寬7.00～22.00m，最大壩高6.80m，現(xiàn)狀壩體上下游壩坡均為土質(zhì)；副壩位于水庫右岸，為東西向，最大壩頂寬25.00m，最大壩高12.55m。該水庫死水位51.50m，死庫容30.00萬m3，興利水位55.00m，相應(yīng)庫容1100.00萬m3。

2 主要設(shè)計參數(shù)

一是工程等別及建筑物級別：根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，該水庫的工程等級為Ⅲ等，相應(yīng)主要建筑物級別為3級。二是主要設(shè)計參數(shù)：水庫大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期，設(shè)計為50 a，最高洪水位56.20m，相應(yīng)庫容2077.00萬m3；校核為200 a，最高洪水位56.79m，總庫容2569.00萬m3；上下游壩坡設(shè)計坡比均為1:10；地震動峰值加速度0.05 g；年平均最大風(fēng)速12.00m/s（非常運用條件下平均最大風(fēng)速14.40m/s，正常運用條件下平均最大風(fēng)速21.60m/s）；風(fēng)區(qū)長度1570.00m。

3 壩體存在主要問題

多年來水庫一直帶病運行，工程存在著嚴(yán)重的安全隱患，主壩存在以下主要問題：主壩填筑質(zhì)量差，壩體干密度合格率僅為22.20%；壩體填筑材料主要為砂壤土，局部為中粉質(zhì)壤土；壩基土主要為砂壤土和重粉質(zhì)壤土、砂壤土互層，壩基處理不徹底，不符合規(guī)范要求；由于地質(zhì)條件先天不足及壩基處理不徹底，且壩基、壩體均為砂壤土，滲透性較大；壩前無防滲、壩后無反濾排水設(shè)施。多年來水庫一直在低水位運行，嚴(yán)重影響供水效益。

4 工程地質(zhì)條件

第一層，②砂壤土（Q4al）：該層為主壩壩基持力層及左壩肩，厚度9.50～12.45m。呈棕黃色，濕，中密狀，斜交層理發(fā)育，搖振反應(yīng)中等，干強度低，韌性差，局部夾薄層狀重粉質(zhì)壤土。干密度平均值1.47 g/cm3，天然含水量平均值27.10%，壓縮模量13.90Mpa，壓縮系數(shù)0.13 MPa-1，具中壓縮性，滲透系數(shù)范圍值2.22×10-4～7.62×10-4cm/s，平均值3.72×10-4cm/s，中等透水性，粘聚力5.70 kpa，內(nèi)摩擦角18.80°，地基承載力允許值為125.00kPa。

第二層，重粉質(zhì)壤土、砂壤土互層（Q4al）：該層為主壩壩基受力層，厚度4.00～4.70m。重粉質(zhì)壤土呈棕黃～灰黃色，軟塑～可塑狀，層狀構(gòu)造，層理清晰，無搖振反應(yīng)，干強度中等，韌性中等，干密度平均值1.34 g/cm3，天然含水量平均值33.80%，壓縮模量5.20Mpa，壓縮系數(shù)0.39MPa-1，具中壓縮性，滲透系數(shù)范圍值4.32×10-5～6.32×10-5cm/s，平均值5.12×10-5cm/s，弱透水性，粘聚力29.60 kpa，內(nèi)摩擦角4.70°；砂壤土呈棕黃～灰黃色，濕，中密狀，斜交層理發(fā)育，搖震反應(yīng)中等，干強度低，韌性差。干密度平均值1.47 g/cm3，天然含水量平均值28.30%，壓縮模量14.00Mpa，壓縮系數(shù)0.13MPa-1，具中壓縮性，滲透系數(shù)范圍值（1.93～3.08）×10-4cm/s，平均值2.69×10-4cm/s，中等透水性，粘聚力6.20 kpa，內(nèi)摩擦角18.00°。地基承載力允許值為100.00 kPa。

第三層，粉質(zhì)粘土（Q4al）：該層為主壩壩基受力層下部，厚度4.50～4.90m。棕黃～灰黃色，可塑狀，層狀構(gòu)造，層理清晰，無搖振反應(yīng)，干強度中等，韌性中等。天然含水量平均值33.20%，滲透系數(shù)平均值1.97×10-5cm/s，弱透水性，壓縮模量5.40Mpa，壓縮系數(shù)0.38MPa-1，中壓縮性土，地基承載力允許值為110.00 kpa。

第四層，粉砂層（Q4al）：為主壩壩基下臥層。褐黃色，濕～很濕，中密狀，主要成份是長石、石英。該層沒有揭穿，最大揭露厚度3.90m。

5 護(hù)坡材料選擇

《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》強制性條文規(guī)定“壩表面為土、砂、砂礫石等材料時應(yīng)設(shè)專門護(hù)坡”，護(hù)坡的形式、厚度應(yīng)根據(jù)壩的等級、運用條件和當(dāng)?shù)夭牧锨闆r，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定。參考國內(nèi)已建水庫護(hù)坡形式，上游護(hù)坡過去常用干砌塊石或漿砌塊石，近年來混凝土護(hù)坡使用越來越多，如碧口、劉家峽黃山副壩、陸渾等工程，效果都很好。以此，確定采用干砌塊石、預(yù)制混凝土塊和現(xiàn)澆混凝土板三種護(hù)坡類型進(jìn)行方案比選。

6 護(hù)坡方案比選

根據(jù)確定的護(hù)坡材料，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上進(jìn)行方案比選，現(xiàn)分述如下。

6.1 經(jīng)濟(jì)方面比選

6.1.1 波浪平均波高h(yuǎn)m和平均波長Lm

波浪的平均波高h(yuǎn)m和平均波長Lm采用莆田試驗站公式計算:

式中：Tm—平均波周期，s；Hm—水域的平均水深，按計算工況水位減去死水位確定，m；m—斜坡的坡度系數(shù)；hm—平均波浪高，m；Lm—平均波長，m；D—風(fēng)向長度，m；W—對應(yīng)最大風(fēng)速，m/s。計算結(jié)果見表1。

表1 波浪平均波高和波長計算表

6.1.2 不同累積頻率下的波高計算

不同累積頻率下的波高h(yuǎn)p可由平均波高與平均水深的比值，按規(guī)定的系數(shù)計算求得。計算結(jié)果見表2。

6.1.3 方案1：干砌塊石護(hù)坡

干砌塊石護(hù)坡在最大局部波浪壓力作用下所需的換算球形直徑和厚度按下式確定:

表2 不同計算工況下累積頻率計算表

當(dāng)Lm/hp≤15時：

當(dāng)Lm/hp>15時

式中：D—石塊的換算球形直徑，m；D50—石塊的平均粒徑，m；t—護(hù)坡厚度，m；Kt—隨坡率變化的系數(shù)，取1.20；ρk—塊石密度，取2.20 t/m3；—水的密度，取1.00 t/m3；hp—累積頻率為5%的波高，取計算工況最大值；Lm—平均波長，m。代入數(shù)據(jù)，干砌石護(hù)坡計算厚度t=0.13m，根據(jù)塊石構(gòu)造要求砌石護(hù)砌厚度應(yīng)≥0.30m，取護(hù)坡厚度0.30m。

6.1.4 方案2：干砌混凝土預(yù)制塊護(hù)坡

護(hù)坡厚度計算按下式計算:

式中：η—系數(shù)，對裝配式護(hù)面板取1.10；hp—累積頻率為1%的波高，m；Lm—平均波長，m；m—上游壩坡坡率；b—沿壩坡向板長，按0.80m計算；ρc—混凝土塊密度，取2.40 t/m3；ρw—水的密度。代入數(shù)據(jù)，干砌混凝土塊計算厚度t=0.25m，取護(hù)坡厚度0.25m。

6.1.5 方案3：現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡

護(hù)坡厚度按下式計算:

式中：η—系數(shù)，對整體式大塊護(hù)面板取1.00；hp—累積頻率為1%的波高，m；Lm—平均波長，m；m—上游壩坡坡率；b—沿壩坡向板長，按2.00m；ρc—混凝土板密度，取2.40 t/m3；ρw—水的密度。代入數(shù)據(jù)，現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡計算厚度t=0.09m，取護(hù)坡厚度0.15m。

6.1.6 經(jīng)濟(jì)比選

根據(jù)計算的護(hù)砌厚度，確定單位造價，計算結(jié)果見表3。

表3 不同設(shè)計方案經(jīng)濟(jì)比選表

6.2 技術(shù)方面比選

方案1干砌砌石護(hù)坡，石材質(zhì)地堅硬，不易損壞。由于項目區(qū)地處豫東平原，當(dāng)?shù)厥先狈?，需從較遠(yuǎn)料場購買，運輸困難，施工較為麻煩，鋪筑質(zhì)量不能保證，維修困難，一次購買量少，工期較長，造價偏高。方案2干砌混凝土預(yù)制塊，需預(yù)制場所，二次搬運，施工較為麻煩，造價最高，但質(zhì)量易保證，工期短、維修管理方便。方案3現(xiàn)澆混凝土板施工較為簡單，質(zhì)量易保證，工期短、維修管理較方便，造價最低。

7 結(jié)論

根據(jù)當(dāng)?shù)厮畮斐U加固工程經(jīng)驗，石料購置的途徑單一，且價格偏高，對工程質(zhì)量和工期影響較大；干砌預(yù)制混凝土塊價格較高，且搬運困難。綜合分析后，設(shè)計中確定上游護(hù)坡采用0.15m厚現(xiàn)澆混凝土板，分塊大小2.00m×2.00m。