中美規(guī)范中土石壩壩頂高程計算差異性研究

岳朝俊　楊衛(wèi)甲　吳超　張超

摘要：為使參與涉外工程建設(shè)的中國水電企業(yè)工程人員了解和掌握國內(nèi)外水電工程規(guī)范的差異，在分析中國和美國現(xiàn)行土石壩水電規(guī)范條文的基礎(chǔ)上，運用工程算例計算了土石壩壩頂高程。分析結(jié)果表明，中國規(guī)范確定的土石壩壩頂高程大于美國規(guī)范的計算值，可滿足美國規(guī)范要求。研究成果可為類似國外土石壩工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：土石壩; 壩頂高程; 中美規(guī)范

中圖法分類號：TV697 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.016

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0095 - 06

0 引 言

隨著“一帶一路”倡議的實施，中國在沿線國家境內(nèi)投資建設(shè)的水利水電工程越來越多。因此，熟悉和掌握這些國家通用的美國規(guī)范，并了解水利水電工程設(shè)計及計算中的中美規(guī)范差異，對中國水電企業(yè)開拓海外市場非常重要。

土石壩作為歷史最為悠久的壩型之一，具有就地、就近取材，能適應(yīng)各種地形、地質(zhì)和氣候條件，施工方便，節(jié)省鋼材、水泥、木材等重要建筑材料等優(yōu)點，因而在世界水電工程建設(shè)中的應(yīng)用最為廣泛且發(fā)展最快[1-2]。土石壩壩頂高程的確定關(guān)系到工程運行安全和經(jīng)濟(jì)效益，需要在確保工程運行安全的條件下，合理選擇壩頂高程，使工程投資效益最大化[3]。

雖然中國土石壩建設(shè)在世界上處于領(lǐng)先地位[4]，但海外土石壩項目建設(shè)依然以美國規(guī)范為主要參考依據(jù)，在實踐中也缺乏中美規(guī)范的對比研究，不利于中國規(guī)范走出國門，給中國工程技術(shù)人員開展海外項目建設(shè)造成了一定困難[5]。本文通過對比中美相關(guān)水利水電標(biāo)準(zhǔn)中土石壩壩頂高程計算相關(guān)規(guī)定，結(jié)合工程實例計算，分析研究了二者的差異，可為從事國際工程的技術(shù)人員提供有益參考，也有助于中國規(guī)范走向世界。

1 標(biāo)準(zhǔn)選定

中美規(guī)范在壩頂高程計算中均需涉及到專業(yè)術(shù)語。在中國規(guī)范中，壩頂高程計算主要術(shù)語如下。

（1） 壩頂超高。水庫靜水位至壩頂（或防浪墻頂）的高差。不同的水庫靜水位對應(yīng)不同的壩頂超高，不同級別的土石壩也對應(yīng)不同的壩頂超高。

（2） 波浪爬高。波浪沿建筑物坡面爬升的垂直距離（由靜水位起算）。

（3） 風(fēng)壅高度。風(fēng)壅水面高度的簡稱，是指在風(fēng)的拖拽力作用下，水面升高，風(fēng)壅水面高出原來水位的垂直距離。

（4） 安全超高。為防止波浪壅高時發(fā)生漫壩，壩頂在水庫靜水位加風(fēng)壅高度和波浪爬高之上的安全高度。應(yīng)根據(jù)壩的等級和運用條件來確定。

（5） 沉降超高。土石壩填筑過程中，隨著壩體有效應(yīng)力的增大，大壩將進(jìn)一步沉降。為保證工程投入運行后壩頂實際高程等于設(shè)計高程，在施工中進(jìn)行一定高度的超填。

美國規(guī)范中波浪爬高、風(fēng)壅高度及沉降超高的定義與中國規(guī)范一致，無安全超高的要求。壩頂超高是指水庫最高水位至壩頂?shù)拇怪本嚯x，與土石壩級別無關(guān)。

對于土石壩壩頂高程的確定，中國主要采用的是NB/T 10872-2021和SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，而美國現(xiàn)通用的是美國墾務(wù)局發(fā)布的（第13號設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：土石壩）（Design Standard No.13：Embankment dams），且該規(guī)范中對壩頂高程的計算是在美國陸軍工程師團(tuán)（USACE）對土壩和堆石壩的設(shè)計及施工（EM-1110-2-2300 General Design and Construction Consideration for Earth and Rock-fill Dams）規(guī)定基礎(chǔ)上簡化更新的。同時， NB/T 10872-2021和SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》中對土石壩壩頂高程確定的相關(guān)規(guī)定完全一致，因此本次主要選擇中國的NB/T 10872-2021《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》和美國墾務(wù)局的（第13號設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：土石壩）進(jìn)行對比。

2 中國規(guī)范

2.1 設(shè)計工況

根據(jù)NB/T 10872-2021《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，壩頂高程=水庫靜水位+壩頂超高，應(yīng)分別按以下運用條件計算，取其最大值。即：① 設(shè)計洪水位加正常運用條件下的壩頂超高;② 正常蓄水位加正常運用條件下的壩頂超高;③ 校核洪水位加非常運用條件下的壩頂超高;④ 正常蓄水位加非常運用條件下的壩頂超高，再加地震安全加高。

在水庫靜水位以上的壩頂超高按下式計算：

y=R+e+A （1）

式中：y為壩頂超高，m;R為波浪在壩坡上的爬高，m;e為風(fēng)壅高度，m;A為安全超高，m。

2.2 風(fēng)況影響

風(fēng)壅高度e受風(fēng)速、風(fēng)區(qū)長度、風(fēng)向及風(fēng)的延時等因素的直接影響。

2.2.1 設(shè)計風(fēng)速

設(shè)計風(fēng)速的取值應(yīng)根據(jù)歷年滿庫運行期實測最大風(fēng)速資料，并按以下規(guī)則取值：① 正常運用條件下的1～2級壩，采用多年平均最大風(fēng)速的1.5～2.0倍;② 正常運用條件下的3～5級壩，采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍;③ 非常運用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速。

年最大風(fēng)速應(yīng)采用水面上空10 m高度處10 min的平均風(fēng)速。當(dāng)僅能獲得距水面其他高度的風(fēng)速時，采用經(jīng)驗公式轉(zhuǎn)換推求水面上空10 m高度處10 min的平均風(fēng)速。風(fēng)向宜按水域計算點處8個方位角確定，其允許偏差為±22.5°。

2.2.2 風(fēng)區(qū)長度

風(fēng)區(qū)長度和水庫蓄水后的水域形狀有關(guān)。當(dāng)沿風(fēng)向兩側(cè)的水域較寬廣時，可采用計算點到對岸的距離;當(dāng)沿風(fēng)向有局部縮窄且縮窄處的寬度小于12倍計算波長時，可采用5倍寬度為風(fēng)區(qū)長度，同時不小于自計算點至縮窄處的直線距離;當(dāng)沿風(fēng)向兩側(cè)水域較為狹窄或水域形狀不規(guī)則或有島嶼等障礙物時（圖1），應(yīng)采用等效風(fēng)區(qū)長度進(jìn)行計算：

2.2.3 風(fēng)壅高度

2.3 波浪影響

2.3.1 波浪要素

2.3.2 波浪爬高

2.4 安全超高

2.5 沉降超高

壩頂應(yīng)預(yù)留竣工后的沉降超高。預(yù)留沉降超高應(yīng)根據(jù)沉降計算、有限元應(yīng)力應(yīng)變分析、施工期監(jiān)測和工程類比等綜合分析確定。當(dāng)壩頂沉降量與壩高的比值大于1%時，應(yīng)在分析計算成果的基礎(chǔ)上，論證選擇的壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性和采取工程措施的必要性[6]。還應(yīng)在壩中段增大預(yù)留沉降超高0.3～0.5 m，在設(shè)計中考慮壩長與壩高。預(yù)留沉降超高不應(yīng)計入壩的計算高度。

3 美國規(guī)范

在美國墾務(wù)局編制的第13號設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：土石壩中，土石壩應(yīng)采用可能最大洪水（PMF）作為設(shè)計洪水，并在水庫最高洪水位以上留出足夠的超高，以防大壩在風(fēng)、浪運動或地震作用下發(fā)生漫頂。

3.1 設(shè)計工況

在美國規(guī)范中確定土石壩壩頂高程主要考慮以下工況。

（1） 最小超高。最高庫水位+3ft（1ft=0.304 8 m）;最高庫水位+中等風(fēng)速（P=10%）波浪爬高+對應(yīng)的風(fēng)壅高度。

（2） 正常超高。正常運行水位+100 mile/h（約44.7 m/s，1 mile=1 609.344 m）風(fēng)速所引起的水面波浪爬高+對應(yīng)的風(fēng)壅高度。

（3） 校核超高。最高庫水位-2ft（或4ft）+波浪爬高+風(fēng)壅高度≤壩高（1，2，3工況）。

校核超高時的波浪爬高和風(fēng)壅高度為設(shè)計入庫洪水（IDF）期間可能遇到的風(fēng)速所對應(yīng)的最大波浪爬高和風(fēng)壅水面高度。

3.2 風(fēng)況影響

3.2.1 設(shè)計風(fēng)速

3.2.3 風(fēng)壅高度

3.3 波浪影響

3.3.1 波浪要素

3.3.2 波浪爬高

3.4 安全超高

美國規(guī)范中并無安全超高這一計算選項，但在壩頂高程計算中應(yīng)考慮洪水過程特性、水庫運行、溢洪道及其他泄水建筑物故障、壩頂裂縫、公共安全等因素，并結(jié)合實際情況具體分析。當(dāng)壩頂高程的確定涉及重大公共安全等因素時，應(yīng)報送美國墾務(wù)局公共安全管理部門審批。

3.5 沉降超高

美國規(guī)范中壩頂預(yù)留沉降超高主要包括地基和壩體允許的沉降，并在以往工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上給出如下說明：對于基礎(chǔ)壓縮性較小的土石壩，常設(shè)置約1%壩高的超填量;對于壩基壓縮性較大、預(yù)期沉降較大的土石壩，最大超填量應(yīng)為最大壩高的1%～2%;在壩高計算中，不計入壩體或地基沉降造成的高度損失，只在施工期壩頂預(yù)留沉降超高時考慮。

4 工程算例

4.1 工程概況

某水庫大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，大壩級別為5級，水庫正常蓄水位314.40 m，設(shè)計洪水位317.00 m，校核洪水位（最高庫水位）322.02 m，多年平均最大風(fēng)速23.693 m/s，風(fēng)區(qū)長度6 759 m，正常蓄水位時沿風(fēng)區(qū)水深15.24 m，大壩上游壩坡為1V：3H，下游壩坡為1V：2H，地震引起的涌浪高度1.5 m。

4.2 計算結(jié)果

分別采用中美規(guī)范計算該堆石壩壩頂高程，具體結(jié)果見表2～3。

4.3 差異對比

通過對比表2和3可知：

（1） 正常運行條件下，在正常蓄水位314.40 m時，美國規(guī)范使用的風(fēng)速為100 mile/h（44.7 m/s），超過中國規(guī)范采用的設(shè)計風(fēng)速的1.5倍（35.54 m/s），其計算所得波浪爬高和風(fēng)壅高度之和較大[2.743>（2.524+0.103）]，但因中國規(guī)范額外考慮了安全加高，所以在該條件下中國規(guī)范計算的壩頂高程仍然較大。

（2） 非常運用條件下，在校核洪水位（最高庫水位）322.02 m時，美國規(guī)范采用的設(shè)計風(fēng)速為超越概率為10%的典型風(fēng)19 mile/h（8.493 m/s），比中國規(guī)范取用的多年平均最大風(fēng)速23.693 m/s小，導(dǎo)致計算所得波浪爬高和風(fēng)壅高度之和較小[（0.442+0.006）<（1.614+0.027）]，同時中國規(guī)范設(shè)有安全超高，因此在校核洪水位工況下中國規(guī)范計算的壩頂高程較大。

（3） 該工程為5級土石壩，可作為一般4～5級壩的代表。在中國規(guī)范中，其壩頂高程一般受校核洪水位和非常運用條件下的壩頂超高的工況控制，在美國規(guī)范中一般受最高庫水位+3ft的工況控制，中國規(guī)范計算的壩頂高程大于美國規(guī)范計算的數(shù)值。

（4） 對于正常運用條件下的3級土石壩，安全超高值增加為0.7 m，且3級壩采用累計頻率1%的波浪爬R，而美國規(guī)范則無變化，在該條件下中國規(guī)范計算的壩頂高程進(jìn)一步增大;非常運用條件下，在校核洪水位（最高庫水位）時，安全超高值增加為0.5m，且3級壩采用累計頻率1%的波浪爬R1%，而美國規(guī)范則無變化，在該條件下中國規(guī)范計算的壩頂高程也進(jìn)一步增大。

（5） 對于正常運用條件下的1～2級土石壩，中國規(guī)范可采用多年平均最大風(fēng)速的1.5～2.0倍，采用累計頻率1%的波浪爬R1%，其波浪爬高和風(fēng)壅高度也將變大，安全超高值也增至1.5 m和1.0 m，美國規(guī)范則無變化，在該條件下中國規(guī)范計算的壩頂高程進(jìn)一步增大;非常運用條件下，在校核洪水位（最高庫水位）時，安全超高值增加為1.0 m和0.7 m，采用累計頻率1%的波浪爬R，美國規(guī)范則無變化，在該條件下中國規(guī)范計算的壩頂高程也進(jìn)一步增大。

綜上所述，中國規(guī)范確定的土石壩壩頂高程一般大于美國規(guī)范確定的壩頂高程，能同時滿足美國規(guī)范的要求。

5 結(jié) 論

（1） 通過對比現(xiàn)行的中國NB/T 10872-2021《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》和美國第13號設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（土石壩）可知：兩國規(guī)范對于土石壩壩頂高程的計算均考慮了多種工況，中國規(guī)范中壩頂高程為各工況靜水位加上波浪高度、風(fēng)壅高度及安全超高，對于地震區(qū)的安全超高還應(yīng)考慮地震作用下的附加沉陷和地震涌浪高度等，美國規(guī)范則無專門的安全超高計算項。

（2） 中美規(guī)范對于風(fēng)浪因素均進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，中國規(guī)范以多年平均最大風(fēng)速為計算依據(jù)，美國規(guī)范在最高水位時采用庫水位處或接近最高水位時的風(fēng)速，在正常水位時采用了最大可能風(fēng)速。雖然中美規(guī)范計算的波浪爬高和風(fēng)壅高度之和存在差別，但由于中國規(guī)范考慮了安全超高，一般情況下最終計算的壩頂高程較大，土石壩等級越高，差別越明顯。因此，在國外項目采用中國規(guī)范確定的土石壩壩頂高程，一般均可同時滿足美國規(guī)范要求。

（3） 在計算土石壩壩頂高程時，兩國規(guī)范均未考慮壩體或地基沉降造成的高度損失，主要通過在施工期超填作為預(yù)留沉降來考慮，在河床及兩岸根據(jù)壩高或覆蓋層的厚度不同，考慮不同的預(yù)留沉降量。

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（編輯：唐湘茜）

Difference research on embankment dam crest elevation between Chinese and American specifications

YUE Chaojun YANG Weijia WU Chao ZHANG Chao

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Dali Bai Autonomous Prefecture

Institute of Hydraulic Survey， Design and Research， Dali? 671000， China）

Abstract：For Chinese hydropower entrepreneur engineers involved in international projects to acknowledge and acquire the hydropower specification difference between Chinese and foreign countries， based upon analyzing Chinese and USA hydropower specifications， the embankment dam crest elevation is obtained by one project calculation. The results demonstrate that the embankment dam crest calculated by Chinese specification is higher than the one calculated by USA and meet USA demands. These achievements may be taken as a reference for similar foreign projects.

Key words： embankment dam; dam crest elevation; specifications of Chinese and USA