小型土質(zhì)防滲體土石壩壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析
——以JDH水庫為例

王春明，鄭 雪，淡 倉

（云南水利水電職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650202）

0 引言

根據(jù)《中國水利統(tǒng)計(jì)年鑒》，截至2018年底，我國已建成水庫98822座，其中小型水庫94132座，占比95.3%。而在世界壩工程建設(shè)中，土質(zhì)防滲體土石壩是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的一種壩型[2]。土石壩作為水利樞紐工程中的擋水建筑物，對其基本要求主要有安全和功能兩方面，主要包括壩頂高程、滲流（滲流量和滲流穩(wěn)定）、抗滑穩(wěn)定和變形要求。對于強(qiáng)震區(qū)，還應(yīng)滿足抗震要求[2]。

JDH水庫主要任務(wù)為農(nóng)田灌溉供水，水庫總庫容112萬m3，工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅳ等。洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇設(shè)計(jì)，300年一遇校核。工程區(qū)地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度G=0.2g，地震動反應(yīng)譜特征周期為S=0.45s，水庫合理使用年限50年。

本文結(jié)合現(xiàn)行《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）（以下簡稱《規(guī)范》）中強(qiáng)制性條文以JDH水庫為例對小型土質(zhì)防滲體土石壩壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行淺析。JDH水庫壩型為黏土心墻風(fēng)化料壩，大壩級別為4級，壩高45.7m、按其壩高分為中壩。大壩涉及的強(qiáng)制性條文內(nèi)容有壩體防滲土料，反濾料、過渡層料和排水體料要求；黏性土的壓實(shí)度，砂礫石和砂的填筑標(biāo)準(zhǔn)；壩頂超高；壩頂、防滲體預(yù)留沉降超高；反濾層設(shè)置；壩坡抗滑穩(wěn)定安全等。

1 壩頂高程確定

為確保大壩安全、防止洪水漫壩，《規(guī)范》強(qiáng)制性條文對壩頂在水庫靜水位以上的超高計(jì)算，壩頂高于靜水位作了要求。小型土石壩一般設(shè)無閘控制河岸溢洪道泄流，壩頂高程根據(jù)興利調(diào)節(jié)及防洪調(diào)度水庫特征水位與壩頂超高之和確定，一般按以下4種運(yùn)用條件計(jì)算，取其最大值作為壩頂高程。工況①：正常蓄水位+正常運(yùn)用條件的壩頂超高；工況②：設(shè)計(jì)洪水位+正常運(yùn)用條件的壩頂超高；工況③：校核洪水位+非常運(yùn)用條件的壩頂超高；工況④：正常蓄水位+非常運(yùn)用條件的壩頂超高+地震安全加高[1]。

JDH水庫正常蓄水位2010.20m，設(shè)計(jì)洪水位（P=3.33%）2012.77m，校核洪水位（P=0.33%）2013.63m。壩址區(qū)多年平均最大風(fēng)速V=21.0m/s，非常運(yùn)用條件采用多年平均年最大風(fēng)速；正常運(yùn)用條件下，4級壩，采用多年平均年最大風(fēng)速的1.5倍。風(fēng)區(qū)長度760m。

超高計(jì)算波浪要素采用莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算，最大波浪在壩坡上的爬高、最大風(fēng)壅水面高度根據(jù)《規(guī)范》附錄A公式計(jì)算。土石壩地震安全加高（地震沉降和地震雍浪高度）根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51247-2018）規(guī)定確定，各運(yùn)用條件下計(jì)算壩頂高程見表1。

根據(jù)以上計(jì)算確定壩頂高程為2015.013m；根據(jù)《規(guī)范》第5.3.4條 當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)有防浪墻時，壩頂超高可改為對防浪墻頂?shù)囊螅坏?.3.5條 在正常運(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)高出靜水位0.5m；在非常運(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)不低于靜水位。JDH水庫壩頂設(shè)1.0m高防浪墻，則防浪墻頂高程2015.10m，壩頂高程2014.10m。

2 壩體結(jié)構(gòu)及分區(qū)

土石壩的壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括基本剖面擬定、壩體分區(qū)及壩體構(gòu)造設(shè)計(jì)。土石壩剖面主要包括壩頂高程、壩頂寬度、壩坡、防滲結(jié)構(gòu)、排水設(shè)施的類型和基本尺寸，根據(jù)壩高、壩的級別、壩型和筑壩材料特性、壩基情況以及施工、運(yùn)行條件等參照類似壩型的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)初步擬定，然后通過滲流和穩(wěn)定分析檢驗(yàn)，最終確定合理的剖面形狀及尺寸。壩體分區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)壩體各區(qū)功能和當(dāng)?shù)夭牧?、挖填平衡的原則，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定，以滿足大壩安全運(yùn)用要求及經(jīng)濟(jì)、合理的目的。小型土質(zhì)防滲體土石壩一般分為防滲體、反濾層、壩殼、排水體等區(qū)，不同區(qū)填筑材料應(yīng)有明確界線，填筑材料性質(zhì)及填筑標(biāo)準(zhǔn)須滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》及《規(guī)范》強(qiáng)制性條文規(guī)定。對滿足抗?jié)B和穩(wěn)定要求的土石壩基本剖面，還需要通過構(gòu)造設(shè)計(jì)來保障壩的安全和正常運(yùn)行，土石壩的構(gòu)造主要包括壩頂、防滲體、排水設(shè)施、護(hù)坡及壩坡排水。

JDH水庫大壩為黏土心墻風(fēng)化料壩，壩頂高程2014.10m，心墻建基面高程1968.40m，大壩最大壩高45.7m，壩軸線長110.50m。

JDH水庫大壩壩頂寬5m，上游側(cè)設(shè)1.0m高防浪墻，壩頂采用混凝土預(yù)制塊護(hù)面。防滲黏土心墻軸線與壩軸一致，心墻頂高程2013.70m，頂寬3.0m，上、下游坡比均為1：0.25，最大底寬25.5m；心墻上、下游側(cè)各設(shè)置兩層反濾，上游側(cè)層厚1.0m，下游側(cè)層厚1.5m。下游壩坡腳設(shè)排水棱體，排水體高8.5m，頂高程1975.10m、頂寬2m，外坡1：1.5、內(nèi)坡1：1，棱體與壩殼料結(jié)合處設(shè)層厚0.5m的兩層反濾。上下游壩坡分別采用混凝土預(yù)制塊、混凝土網(wǎng)格梁草皮護(hù)坡；下游壩坡兩側(cè)、馬道內(nèi)側(cè)、踏步兩側(cè)設(shè)排水溝。大壩壩基采用帷幕灌漿防滲，軸線沿心墻軸線布置，左、右岸灌漿邊界以正常蓄水位與地下水位交點(diǎn)控制，灌漿深度以深入基巖相對隔水層（q≤5Lu）一個灌漿段控制。JDH水庫大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面見圖1，壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)見圖2。

3 滲流及穩(wěn)定計(jì)算分析

滲流及穩(wěn)定計(jì)算包括滲流計(jì)算分析及壩坡穩(wěn)定計(jì)算。滲流計(jì)算的任務(wù)是確定壩身浸潤線位置，確定通過壩體、壩基各部位的滲透比降，確定壩體、壩基的滲漏量，為選擇合理的滲控方案提供依據(jù)[2]。土石壩的失穩(wěn)形式主要是壩坡滑動或壩坡與壩基一起滑動，穩(wěn)定分析的目的是核算土石壩在自重及各種情況的孔隙壓力和外荷載作用下，壩坡是否具有足夠的穩(wěn)定性[3]。

3.1 計(jì)算方法

AutoBank軟件根據(jù)我國現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求編寫，可進(jìn)行滲流分析、穩(wěn)定分析、應(yīng)力應(yīng)變分析以及水工建筑物整體穩(wěn)定計(jì)算分析，專業(yè)特點(diǎn)顯著。運(yùn)用AutoBank7.7軟件進(jìn)行土石壩滲流及邊坡穩(wěn)定計(jì)算主要含建模、滲流分析、穩(wěn)定分析三個模塊，軟件提供了各模塊使用演示視頻及說明，給水利水電工程技術(shù)人員帶來極大方便。

3.2 計(jì)算邊界、參數(shù)及斷面

滲流、流透穩(wěn)定及壩坡穩(wěn)定計(jì)算均須分析確定相應(yīng)計(jì)算邊界條件及壩體物理力學(xué)性能參數(shù)，確定計(jì)算模型（計(jì)算斷面）。

3.2.1 計(jì)算邊界

小型土石壩計(jì)算主要邊界條件為固定水頭邊界、出逸邊界、自由水面、不透水邊界[7]。穩(wěn)定滲流固定水頭邊界為壩體上、下游特征水位，上游特征水位根據(jù)設(shè)計(jì)洪水和調(diào)洪演算的結(jié)果確定，下游特征水位根據(jù)下泄流量由下游控制斷面水位流量關(guān)系推求；非穩(wěn)定滲流水頭邊界由水位變化情況分析確定；出逸邊界及不透水邊界根據(jù)其可能性及壩基條件在計(jì)算模型上界定；自由水面為計(jì)算所得滲流浸潤線。JDH水庫穩(wěn)定滲流期固定水頭邊界指標(biāo)見表3。

3.2.2 計(jì)算參數(shù)

《規(guī)范》強(qiáng)制性條文對防滲土料滲透系數(shù)，水溶鹽的易溶鹽和中溶鹽的含量；對反濾料、過渡層料和排水體料的質(zhì)地、級配、透水性、細(xì)粒含量；黏性土的壓實(shí)度，砂礫石和砂的填筑標(biāo)準(zhǔn)作了規(guī)定及要求。JDH水庫按《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL251-2015）對心墻防滲土料、壩體風(fēng)化料、反濾料、排水體堆石料等進(jìn)行了勘察及試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)成果、資料整理規(guī)定及工程類比綜合確定計(jì)算參數(shù)。壩體各區(qū)物理力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表2 大壩計(jì)算物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)

3.2.3 計(jì)算斷面

JDH水庫為4級中壩，按二維滲流進(jìn)行滲流分析。水庫兩岸地形起伏不大、地質(zhì)條件相似、不同壩體材料在壩體結(jié)構(gòu)中所占比例與河床最大壩高斷面基本相同。經(jīng)綜合分析，確定最大壩高斷面為滲流及穩(wěn)定分析的控制斷面。計(jì)算斷面采用概化斷面，共分五區(qū)：Ⅰ區(qū)—壩殼料；Ⅱ區(qū)—防滲心墻；Ⅲ區(qū)—排水棱體；Ⅳ區(qū)—壩基土；Ⅴ區(qū)—壩基巖體。計(jì)算斷面見圖2。

3.3 滲流計(jì)算分析

滲流計(jì)算主要內(nèi)容包括確定壩體浸潤線及其下游溢出點(diǎn)位置；確定壩體與壩基的單寬滲流量和總滲流量；確定下游壩殼與壩基面之間的滲透比降，壩坡出逸段的出逸比降，以及不同土層之間的滲透比降；確定庫水位降落時上游壩坡內(nèi)的浸潤線位置或孔隙壓力[1]。

JDH水庫兩岸坡地形起伏不大、壩基透水層厚度基本一致，采用壩體最大橫斷面求出單寬滲流量，再根據(jù)縱斷面概化等效壩體長度得到總滲流量。滲流計(jì)算成果見表3，設(shè)計(jì)洪水位滲流分析圖見圖3。

圖3 設(shè)計(jì)洪水位滲流分析圖

表3 大壩滲流及穩(wěn)定計(jì)算成果表

土石壩對滲漏量沒有定量控制要求，根據(jù)開發(fā)目標(biāo)不同以滲漏量不影響工程效益而定[2]。JDH水庫正常蓄水位時壩體單寬滲流量q=2.0m3/m.d，概化壩長71m，則年滲漏量為2.59萬m3（以水庫滿蓄6個月計(jì)）。

3.4 滲透穩(wěn)定計(jì)算分析

土石壩允許滲漏但不允許滲透破壞。為防止?jié)B透破壞，《規(guī)范》強(qiáng)制性條文5.6.2 土質(zhì)防滲體與壩殼、與壩基透水層之間以及下游滲流出逸處，應(yīng)設(shè)置反濾層。滲透穩(wěn)定計(jì)算內(nèi)容主要為判別土的滲透變形型式；判別壩和壩基土體的滲透變形穩(wěn)定；判別壩下游滲流出逸段的滲透穩(wěn)定[1]。

JDH水庫心墻防滲體為黏土，壩體土為粉砂質(zhì)泥巖風(fēng)化料，壩基土為強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)對黏土防滲體、下游壩坡出逸處、下游壩腳出逸處進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算分析。

3.4.1 滲透變形類型

（1）黏土心墻：防滲心墻土料為CL黏土，滲透變形為流土。

（2）壩體土：壩體土為粉砂質(zhì)泥巖風(fēng)化料，按無黏性判別土滲透變形類型。根據(jù)壩體土體的級配狀況，確定壩土可能的滲透變形類型，壩體土的不均勻系數(shù)細(xì)粒含量P＝5.9%＜25%，故壩體土的滲透變形為管涌。

（3）壩基土：壩基土強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖為散體狀滲透結(jié)構(gòu)，中等透水，滲透變形為管涌。

3.4.2 允許坡降

式中：Jcr—土的臨界水力比降；Gs—土粒比重；n—土的孔隙率（以小數(shù)計(jì)）；d5、d20—分別為小于該粒徑的含量占總土重的5%和20%的顆粒粒徑（mm）。

（2）壩基強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖為軟巖，參照類似工程取允許坡降為0.2-0.3。

3.4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

分析計(jì)算結(jié)果見表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：防滲心墻變形類型為流土、壩基土變形類型為管涌，在各工況水位下最大出逸坡坡均小于允許坡降，滲透穩(wěn)定安全；大壩下部壩體在各工況水位下，最大出逸水力坡降均大于相應(yīng)的允許坡降，大壩將發(fā)生管涌破壞。

為保證滲透安全，根據(jù)《規(guī)范》強(qiáng)制性條文5.6.2，在防滲心墻兩側(cè)設(shè)置反濾層、在大壩下游坡腳設(shè)置排水棱體，排水體頂高程高于最大浸潤線逸出點(diǎn)。

3.5 壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析

土石壩壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算應(yīng)進(jìn)行①施工期臨時填筑坡和下、下游壩坡；②穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡；③庫水位降落期的上游壩坡；④正常運(yùn)用遇地震的上、下游壩坡等工況[2]。

壩坡抗滑穩(wěn)定采用剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，抗震穩(wěn)定采用擬靜力法計(jì)算。采用條塊間作用的摩根斯頓-普賴斯法進(jìn)行計(jì)算。

庫水位非常降落上游壩坡穩(wěn)定分析須對壩體內(nèi)浸潤線下降滯后程度進(jìn)行判別，采用來判別[5]。當(dāng)為庫水位驟降情況，當(dāng)＞60為庫水位極緩慢下降情況，當(dāng)為庫水位緩降情況。式中：k——壩體滲透系數(shù)，m/d；v——庫水位的下降速度，m/d；μ——壩體土的給水度，

JDH水庫正常蓄水位為2010.20m，相應(yīng)庫容為86.66萬m3，輸水隧洞進(jìn)口高程1996.00m，相應(yīng)庫容為18.17萬m3。隧洞最大過流量為9.30m3/s，隧洞控制閘門尺寸1.0m×1.0m。若遇非常情況需盡快放空庫水，最不利情況為從正常蓄水2010.20m至隧洞進(jìn)口高程1996.00m，需0.94天，降落速度為15.1m/d。

本工程k=0.864m/d、μ=0.115、v=15.1m/d，經(jīng)計(jì)算為庫水位緩降情況，按照緩降過程計(jì)算浸潤線下降的位置。

根據(jù)本工程實(shí)際情況分析確定計(jì)算工況，通過AutoBank7.7穩(wěn)定分析軟件計(jì)算不同工況下的最小安全系數(shù)，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4。下游壩坡最危險工況為設(shè)計(jì)洪水位2012.77m+Ⅷ度地震，此工況對應(yīng)的最危險滑裂面見圖4。

圖4 設(shè)計(jì)洪水位（2012.77m）+Ⅷ度地震上下游壩坡穩(wěn)定分析圖

從計(jì)算結(jié)果看出，各工況最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，所擬定的壩坡經(jīng)濟(jì)、安全、合理。

4 大壩沉降計(jì)算

土石壩應(yīng)進(jìn)行沉降分析，估算在土體自重和其他荷載作用下，壩體和壩基竣工時的沉降量和最終沉降量?！兑?guī)范》強(qiáng)制性條文5.3.7 壩頂應(yīng)預(yù)留竣工后的沉降超高；5.5.3第5條 土質(zhì)防滲體頂部應(yīng)預(yù)留竣工后沉降超高。土石壩設(shè)計(jì)中需解決的是控制不致產(chǎn)生大的變形和不均勻變形。根據(jù)筑壩材料變形特性確定合適的壓實(shí)度控制較大變形，通過兩相鄰分區(qū)材料性能差異分析不均勻變形并采取相應(yīng)的變形協(xié)調(diào)措施。

JDH水庫由于壩基范圍內(nèi)已有基巖出露、壩基土層較薄，壩基的沉陷量忽略不計(jì)，壩體沉降量按單向壓縮分層總和法計(jì)算，采用規(guī)范公式計(jì)算并通過經(jīng)驗(yàn)公式及經(jīng)驗(yàn)值對比驗(yàn)證，綜合確定。

4.1 規(guī)范公式

a.對黏土心墻和壩基的竣工時的沉降量和最終沉降量用分層總和法按下式計(jì)算[1]：

式中：st—壩體最終沉降量；ei0—第i土層的起始孔隙比；—第i土層相應(yīng)于竣工或最終的豎向有效應(yīng)力作用下的孔隙比；hi—第i計(jì)算土層厚度；n—土層分層數(shù)。

大壩壩高45.7m，按層厚5m分層計(jì)算的施工期沉降量為181cm，運(yùn)用期最終沉降量為219cm，兩者差值38cm，即為竣工后心墻頂部應(yīng)預(yù)留的沉降量。

b.對壩殼料壩體和壩基的最終沉降量采用下式計(jì)算[1]：

式中：S∞—壩體最終沉降量；ip—第i計(jì)算土層由壩體荷載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力；iE—第i計(jì)算土層的變形模量。

經(jīng)計(jì)算，壩殼料壩體和壩基的最終沉降量為40.8cm。

4.2 經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)顧慰慈經(jīng)驗(yàn)公式[4]計(jì)算：

土石壩在施工中的沉降量so=0.001496H1.646，土石壩在運(yùn)用期的沉降量：

式中：So—土石壩施工中的沉降量，m；St—大壩在運(yùn)用t年后的沉降量，m；H—大壩填筑高度，m；t—計(jì)算土石壩沉降的年數(shù)，自土石壩竣工開始運(yùn)用時算起；e—自然對數(shù)的底；K—系數(shù)，與壩型有關(guān)，對于表面防滲型土石壩K= 0.004331，對于塑性斜墻壩K= 0.0098，對于塑性心墻壩K=0.016l；n、m—均為指數(shù)，與壩型有關(guān)，對于表面防滲型的土石壩n=1.2045，m=1.746；對于塑性斜墻壩n=1.0148，m=1.4755；對于塑性心墻壩n=0.876，m=1.0932。

經(jīng)計(jì)算：施工期沉降量so=80.7cm，水庫運(yùn)用期（50年）沉降量St=44.8cm；

4.3 經(jīng)驗(yàn)值

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，土質(zhì)防滲體壩壩頂預(yù)留沉降超高一般為壩高的1%[2]，即St=45.7cm。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析及選擇

通過以上計(jì)算可知，施工期黏土心墻施工期沉降量181cm、壩殼料沉降量80.7cm，心墻與壩殼料之間沉降存在不一致性，通過適當(dāng)提高黏土心墻壓實(shí)度及利用心墻與壩殼料之間反濾層消除心墻沉降時的拱效應(yīng)。不同方法計(jì)算壩體竣工后沉降量在38～45.7cm之間，相差不大，壩頂預(yù)留竣工后沉降超高取45cm，JDH水庫壩頂設(shè)計(jì)高程為2014.10m，則工程竣工時壩頂高程為2014.55m。工程竣工時壩頂各部位控制高程見表5。

5 結(jié)論

土質(zhì)防滲體土石壩是應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的一種壩型，而此種壩型又以小型水庫最多，為滿足其安全與功能要求，《規(guī)范》以強(qiáng)制性條文形式對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了規(guī)定。本文以JDH小型水庫為例，結(jié)合《規(guī)范》強(qiáng)條及AutoBank軟件，對小型土質(zhì)防滲體土石壩的壩頂高程確定、壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)、滲流計(jì)算分析、滲透穩(wěn)定計(jì)算分析、穩(wěn)定計(jì)算分析、壩體沉降計(jì)算等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了介紹，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。