東許水庫大壩設(shè)計(jì)分析

馮立平

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

東許水庫大壩設(shè)計(jì)分析

馮立平

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

介紹了東許水庫工程概況，通過對工程大壩設(shè)計(jì)情況的分析，綜合考慮地形、地質(zhì)、材料及管理因素，確定采用碾壓均質(zhì)土壩，闡述了碾壓均質(zhì)土壩選址、壩型確定、筑壩材料選擇、壩基處理等設(shè)計(jì)過程，可為類似工程大壩設(shè)計(jì)提供借鑒。

碾壓均質(zhì)土壩；大壩設(shè)計(jì)；東許水庫

1 工程概況

東許水庫位于孝義市梧桐鎮(zhèn)東許村北側(cè)東許河上，距孝義市區(qū)約10km。東許河為孝河一級支流，發(fā)源于孝義市大會村，自西向東流經(jīng)下智峪、西許、王家莊水庫后匯入孝河。全長15.6km，流域面積20.6km2，坡降14.8‰。水庫總庫容358萬m3，大壩采用碾壓式均質(zhì)土壩，最大壩高34m。水庫規(guī)模為?。ㄒ唬┬停こ痰葎eⅣ等，大壩為4級，臨時(shí)建筑物為5級。

2 壩址壩型選擇

東許水庫位于孝義市梧桐鎮(zhèn)東許村北側(cè)約800m的東許河上。該處河谷呈“S”形，谷底寬約70m。河床地形較為平緩，地面高程793.0～798.0m。主河槽位于右側(cè)，左側(cè)為河漫灘，寬約40m。庫區(qū)左岸有天然沖溝，適宜布置泄洪建筑物，兩河連通條件較好。

從地質(zhì)條件來看，壩址左右兩岸均為土質(zhì)岸坡，河床及河漫灘堆積有第四系全新統(tǒng)洪沖積和中更新統(tǒng)洪沖積級配不良礫、卵石混合土等，厚16～18m，壩基覆蓋層深厚，兩岸均為土質(zhì)岸坡，沒有建設(shè)重力壩和面板壩的條件。從建筑材料來看，壩址附近無巖石出露，土料豐富，適合修建土壩，因此確定東許水庫大壩為碾壓均質(zhì)土壩。

3 大壩設(shè)計(jì)

大壩軸線為曲線型，凸向下游，壩長286m，壩頂高程827m，最大壩高34m，壩頂寬8m。上游布置漿砌石防浪墻，高1.2m，水庫正常蓄水位824.00m，設(shè)計(jì)洪水位824.04m，校核洪水位824.85m。

3.1 壩頂高程

壩頂高程827.0m，考慮1.2m高的漿砌石防浪墻，相應(yīng)防浪墻頂高程為828.2m。

3.2 壩頂構(gòu)造

大壩壩頂長286m，寬8m。壩頂公路為瀝青路面，路面橫向坡度2%，坡向下游，以便于壩頂排水。壩頂上游側(cè)設(shè)寬0.3m、高1.2m的漿砌石防浪墻，墻頂高程828.2m，防浪墻伸入壩體1m，壩頂下游側(cè)設(shè)縱向漿砌石排水溝兼作壩頂公路下游路緣，與下游壩坡橫向排水溝相通。

3.3 壩坡設(shè)計(jì)

大壩上游壩坡1∶3，不設(shè)馬道。下游高程800.0m以上壩坡1∶2.5，在高程813.0m處設(shè)一級馬道，寬2m。河床段下游壩腳設(shè)置堆石排水棱體，排水棱體頂高程800.0m，頂寬2m，上游邊坡1∶1.5，下游邊坡1∶1.5。排水棱體與壩體填土間設(shè)有反濾層，反濾料采用中砂和細(xì)礫，厚度均為500mm。為防止壩體土與壩基混合土卵石之間發(fā)生滲透，河床段壩基防滲墻下游壩體與壩基覆蓋層間設(shè)反濾層，反濾料采用中砂、細(xì)礫，厚度均為300mm。

大壩上游壩面采用干砌石護(hù)坡，護(hù)至壩腳。干砌石護(hù)坡厚40cm，護(hù)坡與壩體土間設(shè)置一層30cm厚砂卵石墊層，大壩下游壩坡采用草皮護(hù)坡。

3.4 基礎(chǔ)處理

壩基河床及河漫灘為第四系全新統(tǒng)洪沖積和中更新統(tǒng)洪沖積物，表層為淡黃色低液限粉土，厚1～2.5m，其下為級配不良礫、卵石混合土等，厚16～18m，且在壩基及上下游連續(xù)分布。據(jù)鉆孔注水及探坑滲水試驗(yàn)，該級配不良礫、卵石混合土等的滲透系數(shù)為13.7～26.7m/d，平均值為17.5m/d，具強(qiáng)透水性。下伏基巖為二迭系上統(tǒng)石千峰組紫紅色、磚紅色泥巖夾薄層狀暗紅色粉細(xì)砂巖及礫巖。據(jù)鉆孔壓（注）水試驗(yàn)，下伏基巖的滲透系數(shù)為0.8～1.6m/d，具弱—中等透水性。

壩基表層低液限粉土厚度小，含植物根系。河床左側(cè)岸坡較陡，局部陡立，坡度為40°～60°。右側(cè)岸坡較緩，坡度一般為25°～45°，局部較陡，受岸坡卸荷及雨水沖刷淘蝕影響，地表溝壑縱橫，土體寬大裂隙發(fā)育。壩體填筑前，應(yīng)清除壩基表層低液限粉土和含植物根系的級配不良礫、卵石混合土等，將壩體置于下部較為密實(shí)的低液限黏（粉）土和級配不良礫之上，并對其進(jìn)行壓實(shí)處理；兩岸土質(zhì)岸坡應(yīng)清除表面腐殖土，對右壩肩地表溝壑縱橫，土體中寬大裂隙發(fā)育段全部挖除，并對其下土體進(jìn)行壓實(shí)，將壩頭嵌入左、右兩岸低液限黏土中。兩岸坡開挖坡度不得陡于1∶1.5，兩岸坡變坡角控制在20°以內(nèi)。

水庫蓄水后，壩基級配不良礫及卵石混合土層構(gòu)成壩基滲漏層，為壩后滲流提供了條件。在滲透壓力作用下，壩基級配不良礫、卵石混合土可能產(chǎn)生滲透變形。為截?cái)鄩位鶟B漏通道，在河床段樁號0+158.5—0+237范圍壩基覆蓋層內(nèi)布置塑性混凝土防滲墻。防滲墻位于壩體上游側(cè)，距壩軸線25.0m，墻長78.5m，墻厚0.8m。墻頂部伸入壩體2m，底部伸入基巖2m，墻頂高程795.0m，墻底高程773.0m，墻高22m。

3.5 壩體填土設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，上壩土料選定距壩址300～400m的左、右岸兩個(gè)取土場。

左岸土料場位于庫區(qū)東許河左岸一山梁處，距離大壩約400m，該土料場的出露地層為第四系中更新統(tǒng)洪積紫紅色低液限黏土，天然含水率低于土料的最優(yōu)含水率，擊實(shí)后滲透系數(shù)偏大，施工時(shí)應(yīng)對料場上部土體適量加水。該土料場有用層儲量約95萬m3。

右岸土料場位于庫區(qū)東許河右岸一山梁處，距離大壩約280m。該土料場的出露地層為第四系中更新統(tǒng)洪積紫紅色低液限黏土，天然含水率低于土料的最優(yōu)含水率，擊實(shí)后滲透系數(shù)偏大，施工時(shí)應(yīng)對料場上部土體適量加水。該土料場有用層儲量約98萬m3。

黏性土的填筑標(biāo)準(zhǔn)以壓實(shí)度和最優(yōu)含水率作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，壓實(shí)度取97%，設(shè)計(jì)最優(yōu)含水率取試驗(yàn)最優(yōu)含水率的平均值，經(jīng)計(jì)算，最優(yōu)含水率為14.8%。填筑含水率范圍應(yīng)控制在最優(yōu)含水率的+3%～-2%之間。為增強(qiáng)土料的塑性，便于與剛性基礎(chǔ)連接，在壩基塑性混凝土防滲墻頂部，填筑含水率應(yīng)稍高于最優(yōu)含水率，控制在最優(yōu)含水率的+3%～+1%之間。上壩土料含水量的調(diào)節(jié)應(yīng)在料場進(jìn)行。每層土料填筑厚度30cm，壓實(shí)機(jī)械采用凸塊振動(dòng)碾，層面結(jié)合采用刨毛處理。

3.6 壩面及岸坡排水

大壩壩頂下游側(cè)設(shè)一道漿砌石排水溝，作為壩面排水。在下游壩坡馬道及壩腳均設(shè)一道縱向漿砌石排水溝；下游壩坡沿壩軸線每50m左右設(shè)一道橫向排水溝與縱向排水溝連通，在大壩下游匯流入排水溝后導(dǎo)入下游河道。同時(shí)在左右壩端與兩岸黃土臺地連接處設(shè)漿砌石排水溝，以防黃土岸坡坡積水沖刷壩體。

3.7 大壩滲透穩(wěn)定分析

3.7.1 滲流穩(wěn)定計(jì)算

滲流計(jì)算采用河海大學(xué)開發(fā)的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)計(jì)算，計(jì)算采用有限元法。計(jì)算斷面選用壩體最大壩高橫斷面。計(jì)算參數(shù)根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)成果并結(jié)合三軸試驗(yàn)結(jié)果確定，見表1。

表1 土壩滲流計(jì)算參數(shù)表

壩體、壩基及防滲墻的最大水力比降見表2。

表2 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表2可以看出，各水位下、壩基壩體土以及岸坡臺地出逸點(diǎn)滲透坡降均小于允許水力比降，大壩滲流滿足規(guī)范要求。

3.7.2 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

大壩壩坡抗滑穩(wěn)定采用河海大學(xué)開發(fā)的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)計(jì)算，計(jì)算方法為計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普法。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，在穩(wěn)定滲流期計(jì)算采用有效應(yīng)力法計(jì)算，施工期和水位降落期計(jì)算同時(shí)采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法計(jì)算，以較小的安全系數(shù)為準(zhǔn)。

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，本次抗滑穩(wěn)定計(jì)算考慮以下四種工況：竣工期的上、下游壩坡；穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡（上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算水位取不利水位，為813.5m）；庫水位降落期的上游壩坡；正常運(yùn)用遇地震的上、下游壩坡（上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算水位取不利水位，為813.5m），計(jì)算斷面選擇壩體最大斷面。計(jì)算參數(shù)根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)成果并結(jié)合三軸試驗(yàn)結(jié)果確定。結(jié)果見表3。

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