亭口水库工程大坝坝型设计

杨 砾

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

均质土坝作为一种当地材料坝，在水利工程中得到了非常广泛的应用。本文结合亭口水库工程，在均质土坝设计中，针对其特殊的运行方式——汛期低水位排沙（水库水位骤降），提出了一种新型设计方案：压坡均质坝，与均质土坝进行设计比较，分析压坡均质坝的优越性。

1 工程概况

亭口水库工程位于咸阳市长武县境内的泾河一级支流黑河干流下游，是陕西省在建的重点水库工程之一，为大（二）型Ⅱ等工程，水库正常蓄水位893.0m，校核洪水位896.67m，总库容2.47亿m3，工程区地震基本烈度为Ⅵ度。本工程河流为多泥沙河流，多年平均流量为7.37m3/s，平均含沙量为49.7kg/m3，年平均悬移质输沙量为1378万t。流域具有水沙关系协调、年际变化大、年内分配不均、河流泥沙主要为悬移质的特点。根据水沙调节数模分析计算成果，为保证水库长期运用的调节库容，水库确定的运用方式为汛期降低水位或敞泄排沙，汛期库水位骤降范围为正常蓄水位893m至排沙最低水位859m。

2 坝型设计

由于本水库冲沙运行特点，运行期间经常出现较大幅度水位变化或水位快速降落，很容易引起上游坝坡失稳。为满足骤降期的稳定性要求，上游坝坡需设计很缓，但上游坝坡越缓，坝体排水条件越不利，形成的饱和土体范围就越大，将引起对坝坡稳定产生不利影响的更大的渗透水压力。因为均质土坝上游坝坡很缓，导致坝体断面增大很多，大幅度增加工程投资，且施工工期延长。根据以上情况，设计经过分析，在坝体上游采用透水性好的坝壳材料，水位变幅对滑坡稳定的影响较小，以适应大幅骤降的库水位。结合地质勘查结果，当地有适宜做坝壳料的砂砾石，故对均质土坝上游坡进行砂砾料压坡处理，为压坡均质坝。

大坝设计坝顶高程897.0m，坝顶宽7m，最大坝高49.0m，坝顶长476.2m，坝底宽度258.5m；上游坝坡分为4级，坡比分别为1∶2.5、1∶3.0、1∶3.5 和 1∶2.0，在高程885m、873m处各设宽2m的马道，在高程861m处设置宽5m的马道，下游坝坡自排水棱体以上坡比均为1∶2.2，在高程885.0m和872.5m处设宽2.0m的马道，排水棱体顶高程860.5m，顶宽3m，下游坡比为1∶1.5。

大坝上游区为砂砾石区，中部为土料填筑区，下游区为石渣填筑区。砂砾石区由861m高程分为两部分，861m高程以上的砂砾石料要求较强的透水性，设计要求的压实后的相对密度为 0.7＜Dr＜0.75，861m 高程以下不受库水位变化影响，要求提高坝料的强度，设计要求的压实后的相对密度为Dr＞0.80 ；土料填筑区上游坡比为 1∶1.35，下游坡比为1∶1.8，顶部厚度3m；土料填筑区与上游砂砾石区之间设置两层反滤，砂反滤层水平厚度0.5m，砾石反滤层水平厚度1m；土料填筑区与下游石渣填筑区之间设置一层水平宽度3m的过渡层，采用坝基开挖的砂砾石料填筑；下游坝基设两层反滤层，砂反滤层厚度0.4m，砾石反滤层厚度0.6m。坝体典型断面见图1所示。

图1 压坡均质坝坝体典型断面

表1 计算参数表

图2 压坡均质坝方案库浸润线图

图3 压坡坝方案水位骤降上游稳定计算结果

3 压坡均质坝计算分析

3.1 渗流计算

3.1.1 计算工况与计算参数

本文采用的计算工况：①上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；②库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。

水库大坝渗流计算按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）相关的计算原理和有关规定，采用南京水利水电科学研究院编制的《二维渗流有限元计算程序UNSST2》进行计算。渗流计算参数见表1。

库存水位降落期由正常蓄水位降至859m高程进行计算，渗透系数取土料的小值平均值。

3.1.2 计算结果

由于洪水过程历时较短，不能形成稳定渗流，因此仅绘出正常蓄水位及库水位骤降时的坝体等势线图，见图2。

压坡均质坝渗透坡降计算成果表明：压坡坝砂砾石区渗透性较好，浸润线虽不与库水位同步降落，其下降幅度较均质土坝方案大得多，这对于减少坝体下滑力、降低孔隙水压力有很好的作用，对坝坡稳定明显有利。

3.2 稳定计算

3.2.1 计算工况与计算参数

本文稳定计算工况：①稳定渗流期的上、下游坝坡；②水库水位降落期的上游坝坡。

计算程序采用中国水利科学院陈祖煜院士开发的《土质边坡稳定分析程序STAB》，坝坡稳定计算采用的材料力学指标见表1。

稳定渗流期计算方法采用毕肖普法的有效应力法，土料强度指标采用固结不排水剪有效应力指标。水库水位降落期坝体土料填筑区浸润线降落非常缓慢，由于计算过程中孔隙水压力的消散过程很难确定，因此采用总应力法计算结果进行控制。

3.2.2 计算结果

计算结果表明，正常蓄水位工况下上游坡最小安全系数为2.280；水位骤降工况下上游坡最小安全系数为1.358，均大于允许最小值，满足规范要求。图3为压坡坝方案水位骤降上游稳定计算结果图。

4 结论

本文重点通过对压坡均质坝在水位骤降情况下的设计分析表明：水位骤降情况作为正常运用工况时，压坡坝坝体内浸润线在水位骤降前后的变化情况与均质土坝方案存在较大的差异，后者土体内的浸润线变化很小，但压坡坝砂砾石区渗透性较好，浸润线虽不与库水位同步降落，其下降幅度较均质土坝方案大得多，这对于减少坝体下滑力、降低孔隙水压力有很好的作用，对坝坡稳定明显有利；另外，压坡土石坝方案缩小坝体断面，利于工程布置，同时节省工程投资，提高安全性，是一种合理的设计优化坝型。陕西水利

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