水库坝体护坡的计算与比选

2015-08-19张进宝杨冬冬

河南水利与南水北调 2015年12期

□张进宝 □武斌 □杨冬冬

（1虞城县水务局灌溉服务站；2商丘市水利建筑勘测设计院）

1 工程概述

豫东某水库位于平原黄河故道上，是一座以灌溉、防洪、养殖等综合利用的中型水库。该水库控制流域面积1155.00 km2，于1958年建成蓄水，1961年大水时，大坝被迫扒口放水，水库同时停止运用。1974年大坝缺口堵复，水库恢复运用，2013年进行除险加固。该水库主要由主坝、副坝、溢洪道、灌溉闸组成。主坝长1110.00m，副坝长1713.00m，为均质土坝。主坝为南北向，最大坝顶宽7.00～22.00m，最大坝高6.80m，现状坝体上下游坝坡均为土质；副坝位于水库右岸，为东西向，最大坝顶宽25.00m，最大坝高12.55m。该水库死水位51.50m，死库容30.00万m3，兴利水位55.00m，相应库容1100.00万m3。

2 主要设计参数

一是工程等别及建筑物级别：根据《防洪标准》及《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定，该水库的工程等级为Ⅲ等，相应主要建筑物级别为3级。二是主要设计参数：水库大坝防洪标准重现期，设计为50 a，最高洪水位56.20m，相应库容2077.00万m3；校核为200 a，最高洪水位56.79m，总库容2569.00万m3；上下游坝坡设计坡比均为1:10；地震动峰值加速度0.05 g；年平均最大风速12.00m/s（非常运用条件下平均最大风速14.40m/s，正常运用条件下平均最大风速21.60m/s）；风区长度1570.00m。

3 坝体存在主要问题

多年来水库一直带病运行，工程存在着严重的安全隐患，主坝存在以下主要问题：主坝填筑质量差，坝体干密度合格率仅为22.20%；坝体填筑材料主要为砂壤土，局部为中粉质壤土；坝基土主要为砂壤土和重粉质壤土、砂壤土互层，坝基处理不彻底，不符合规范要求；由于地质条件先天不足及坝基处理不彻底，且坝基、坝体均为砂壤土，渗透性较大；坝前无防渗、坝后无反滤排水设施。多年来水库一直在低水位运行，严重影响供水效益。

4 工程地质条件

第一层，②砂壤土（Q4al）：该层为主坝坝基持力层及左坝肩，厚度9.50～12.45m。呈棕黄色，湿，中密状，斜交层理发育，摇振反应中等，干强度低，韧性差，局部夹薄层状重粉质壤土。干密度平均值1.47 g/cm3，天然含水量平均值27.10%，压缩模量13.90Mpa，压缩系数0.13 MPa-1，具中压缩性，渗透系数范围值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，内摩擦角18.80°，地基承载力允许值为125.00kPa。

第二层，重粉质壤土、砂壤土互层（Q4al）：该层为主坝坝基受力层，厚度4.00～4.70m。重粉质壤土呈棕黄～灰黄色，软塑～可塑状，层状构造，层理清晰，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，干密度平均值1.34 g/cm3，天然含水量平均值33.80%，压缩模量5.20Mpa，压缩系数0.39MPa-1，具中压缩性，渗透系数范围值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，内摩擦角4.70°；砂壤土呈棕黄～灰黄色，湿，中密状，斜交层理发育，摇震反应中等，干强度低，韧性差。干密度平均值1.47 g/cm3，天然含水量平均值28.30%，压缩模量14.00Mpa，压缩系数0.13MPa-1，具中压缩性，渗透系数范围值（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，内摩擦角18.00°。地基承载力允许值为100.00 kPa。

第三层，粉质粘土（Q4al）：该层为主坝坝基受力层下部，厚度4.50～4.90m。棕黄～灰黄色，可塑状，层状构造，层理清晰，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。天然含水量平均值33.20%，渗透系数平均值1.97×10-5cm/s，弱透水性，压缩模量5.40Mpa，压缩系数0.38MPa-1，中压缩性土，地基承载力允许值为110.00 kpa。

第四层，粉砂层（Q4al）：为主坝坝基下卧层。褐黄色，湿～很湿，中密状，主要成份是长石、石英。该层没有揭穿，最大揭露厚度3.90m。

5 护坡材料选择

《碾压式土石坝设计规范》强制性条文规定“坝表面为土、砂、砂砾石等材料时应设专门护坡”，护坡的形式、厚度应根据坝的等级、运用条件和当地材料情况，进行经济技术比较确定。参考国内已建水库护坡形式，上游护坡过去常用干砌块石或浆砌块石，近年来混凝土护坡使用越来越多，如碧口、刘家峡黄山副坝、陆浑等工程，效果都很好。以此，确定采用干砌块石、预制混凝土块和现浇混凝土板三种护坡类型进行方案比选。

6 护坡方案比选

根据确定的护坡材料，从经济和技术上进行方案比选，现分述如下。

6.1 经济方面比选

6.1.1 波浪平均波高hm和平均波长Lm

波浪的平均波高hm和平均波长Lm采用莆田试验站公式计算:

式中：Tm—平均波周期，s；Hm—水域的平均水深，按计算工况水位减去死水位确定，m；m—斜坡的坡度系数；hm—平均波浪高，m；Lm—平均波长，m；D—风向长度，m；W—对应最大风速，m/s。计算结果见表1。

表1 波浪平均波高和波长计算表

6.1.2 不同累积频率下的波高计算

不同累积频率下的波高hp可由平均波高与平均水深的比值，按规定的系数计算求得。计算结果见表2。

6.1.3 方案1：干砌块石护坡

干砌块石护坡在最大局部波浪压力作用下所需的换算球形直径和厚度按下式确定:

表2 不同计算工况下累积频率计算表

当Lm/hp≤15时：

当Lm/hp>15时

式中：D—石块的换算球形直径，m；D50—石块的平均粒径，m；t—护坡厚度，m；Kt—随坡率变化的系数，取1.20；ρk—块石密度，取2.20 t/m3；—水的密度，取1.00 t/m3；hp—累积频率为5%的波高，取计算工况最大值；Lm—平均波长，m。代入数据，干砌石护坡计算厚度t=0.13m，根据块石构造要求砌石护砌厚度应≥0.30m，取护坡厚度0.30m。

6.1.4 方案2：干砌混凝土预制块护坡

护坡厚度计算按下式计算:

式中：η—系数，对装配式护面板取1.10；hp—累积频率为1%的波高，m；Lm—平均波长，m；m—上游坝坡坡率；b—沿坝坡向板长，按0.80m计算；ρc—混凝土块密度，取2.40 t/m3；ρw—水的密度。代入数据，干砌混凝土块计算厚度t=0.25m，取护坡厚度0.25m。

6.1.5 方案3：现浇混凝土板护坡

护坡厚度按下式计算:

式中：η—系数，对整体式大块护面板取1.00；hp—累积频率为1%的波高，m；Lm—平均波长，m；m—上游坝坡坡率；b—沿坝坡向板长，按2.00m；ρc—混凝土板密度，取2.40 t/m3；ρw—水的密度。代入数据，现浇混凝土护坡计算厚度t=0.09m，取护坡厚度0.15m。

6.1.6 经济比选

根据计算的护砌厚度，确定单位造价，计算结果见表3。

表3 不同设计方案经济比选表

6.2 技术方面比选

方案1干砌砌石护坡，石材质地坚硬，不易损坏。由于项目区地处豫东平原，当地石料缺乏，需从较远料场购买，运输困难，施工较为麻烦，铺筑质量不能保证，维修困难，一次购买量少，工期较长，造价偏高。方案2干砌混凝土预制块，需预制场所，二次搬运，施工较为麻烦，造价最高，但质量易保证，工期短、维修管理方便。方案3现浇混凝土板施工较为简单，质量易保证，工期短、维修管理较方便，造价最低。