呼延调蓄工程坝体抗滑稳定性分析

张广涛

（山西省水利水电勘测设计研究院，太原030024）

1 工程概况

山西省万家寨引黄工程联接段备用水源呼延调蓄工程位于太原市呼延村西崛山围山下的好李子沟内，北临呼延村通往崛山围山旅游区的公路，南连7号隧洞出口工程区，东接呼延村至7号隧洞出口引黄专用公路，距7号隧洞出口输水箱涵不足200m。

呼延调蓄工程是万家寨引黄工程的配套工程，其任务是当引黄连接段输水系统因故障或设备检修不能正常供水时，作为近期备用水源向太原市呼延水厂供水。呼延调蓄工程的主要建筑物包括调蓄池、连接7 号隧洞出口疏水箱涵与调蓄池的进水线路、从调蓄池至连接段尾部消力池的出水线路及进场公路4 部分。联接段备用水源呼延调蓄工程调蓄池大坝采用非土质材料防渗体坝，最大坝高34m，总容积200 万m3。

山西省万家寨引黄工程联接段主体工程为Ⅱ等工程，呼延调蓄工程是其主要的配套工程，按照SL252—2000 《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定，经综合考虑，确定呼延调蓄工程为Ⅲ等，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。

2 坝轴线、坝型的选择

2.1 坝轴线

调蓄池位于太原市呼延村西与联接段7号隧洞出口之间好李子沟内，地貌上属于山前黄土丘陵区，东邻冲洪积黄土坡。地面高程878～935m，整体上西高东低。好李子沟由两条冲沟交汇而成，在平面上呈“Y”字型展布，交汇后走向为E，两条冲沟均呈不对称“V”字型，南部沟的南岸和北部沟的北岸岸坡较陡，两沟之间黄土梁坡度较缓。坝址地段即两沟交汇处下游50m处为引黄联接段7号隧洞开挖时的弃渣场，为一大平台。

要实现已建7号隧洞出口箱涵自流入池和池内蓄水自流入呼延水厂，其相对高程关系及好李子沟地形决定了调蓄池的工程位置。

呼延调蓄池工程区地势西高东低，东边筑坝西边开挖，池盆系挖填而成。跨过调蓄池北岸坡后为呼延村通往崛山围山旅游区的公路，东接呼延村至7号隧洞出口引黄专用公路，公路以东地形高程急剧下降，所以其地形条件和这两条公路的位置使得坝轴线的选择具有唯一性。

2.2 坝型比较

呼延调蓄池位于边山黄土冲沟区，坝址区为深厚的第四系松散沉积物覆盖，地质勘察结果表明，调蓄池工程区覆盖层土料可作为坝体填筑土料，因此选择当地材料坝较为适宜。

若修筑堆石坝或其他坝型，一方面需开辟新的石料场；另一方面，本工程池盆开挖出的大量土方又要弃掉，无形中加大了弃渣量，使工程投资增大；若修筑土坝，从坝基工程地质条件看，工程区土料丰富，且经地质勘察、岩土实验证明，西部岸坡开挖出的低液限黏土可以直接上坝，加之本工程为调蓄水池，不存在溢洪、施工导流等建筑物布置问题，而且土坝具有坝基地质条件要求较低、便于组织机械化快速施工、施工简单等优点，无论从经济上、技术上均有明显优势，故不再对其他坝型进行比较。

3 坝体及坝坡稳定性计算

3.1 大坝渗流计算及渗流稳定性分析

大坝渗流计算的目的是为了进行大坝渗透稳定分析，并为坝坡稳定计算提供渗流场。基于本工程采用复合土工膜防渗体坝，如果施工质量达到规范要求，复合土工膜以其优良的防渗透性能，在膜后不能形成稳定的渗流，故渗流计算仅对坝坡稳定计算提供参考。

3.2 坝体抗滑稳定性计算

3.2.1 计算工况

依据SL274—2001 《碾压式土石坝设计规范》有关规定，结合本调蓄池工程的运行特点，大坝抗滑稳定计算应考虑以下4种工况：

工况1：施工期，主要核算上、下游坝坡；

工况2：联接段线路正常供水至呼延水厂，呼延调蓄池维持正常蓄水位897.7m的工况，主要核算上、下游坝坡；

工况3：联接段线路处于事故检修期，需利用呼延调蓄池的蓄水向呼延水厂不间断供水的工况，主要核算水位降落时的上游坝坡；

工况4：调蓄池正常蓄水位（897.7m）遭遇地震时的上、下游坝坡。

3.2.2 计算公式

呼延调蓄池大坝为均质坝，抗滑稳定计算采用北京理正软件开发公司编制的《稳定计算分析软件》（3.4版），计算方法采用计及条块间作用力的简化毕肖普（Simplified Bishop）法。

（1）断面选择具有代表性的断面，采用主坝最大坝高断面。

（2）参数采用土工实验成果并结合类似工程经验，具体数值如表1。

表1 坝体填土抗剪强度应力指标

（3）地震烈度取用8°。

（4）土体的抗剪强度，均采用有效应力法。

工况1公式为：

工况2、工况3、工况4公式为：

式中 l为单个土条的滑动面长度（m）；b为条块宽度（m）；W为条块实重（kN），W=W1+W2+γwZb；W1为在坝坡外水位以上的条块实重（kN）；W2为在坝坡外水位以下的条块浮重（kN）；Z为坝坡外水位高出条块底面中点的距离（m）；u为稳定渗流期或调蓄池水位降落期坝体或地基中的孔隙压力（kPa）；β为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角（°）；γw为水的重度（kN/m3）；mθ为坡度。

3.2.3 抗剪强度及抗滑稳定系数

坝体填土的抗剪强度应力指标如表1，稳定计算结果如表2。

表2 抗滑稳定系数计算成果

呼延调蓄池大坝为3级建筑物，依据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》，采用简化毕肖普法计算坝坡抗滑稳定安全系数时，正常运用条件即稳定渗流期坝坡抗滑稳定最小安全系数1.30，非常运用条件Ⅰ即施工期、检修期水位下降的坝坡抗滑稳定最小安全系数1.20，非常运用条件Ⅱ即正常蓄水位与地震组合的坝坡抗滑稳定最小安全系数1.15。计算结果表明，坝坡稳定安全系数达到规范要求。另经核算，当土工膜失效，在调蓄池供水的水位降落期坝坡抗滑稳定安全系数不满足要求，说明为达到坝体有效防渗的目的，确保土工膜施工质量是至关重要的。

3.3 大坝沉降计算

大坝沉降计算采用SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》中附录E分层总和法，计算断面选取最大坝高断面。

黏性土坝体和坝基竣工时的沉降量和最终沉降量按式（3）计算：

式中 St为竣工时或最终的坝体和坝基总沉降量；ei0为第i层的起始孔隙比；eit为第i层相应于竣工时或最终的竖向有效应力作用下的孔隙比；hi为第i层土层厚度；n为土层分层数。

沉降计算中坝体土的压缩特性指标系土料场击实后压缩试验成果提供的。

经计算，大坝坝顶最大沉降值41cm，约为坝高的1.2%，根据已建类似工程经验，大部分均质土坝的沉降率大于坝高的0.7%。综合考虑上述因素和工程具体情况，确定坝顶最大预留超高为45cm，约为坝高的1.3%，即坝顶填筑高程为900.25m。

坝顶预留超高沿坝轴线分布，大致随坝高变化而变化。在主坝0+370坝段坝顶填筑高程为900.1m，向左右坝头逐渐降低到设计高程899.8m。

副坝可预留超高10cm，即坝顶填筑高程为899.9m，向左右坝头逐渐降低到设计高程899.8m。

3.4 土工膜防渗体的稳定性分析

坝坡上游面护坡由上至下分为护坡干砌石、碎石、砂垫层、土工膜（两布一膜）、砂垫层。稳定性验算，仅针对防护层与上垫层与土工膜之间的抗滑稳定，验算的最不利工况为调蓄池水位正常下降。

计算方法采用极限平衡法，土工膜上保护层透水性良好，其抗滑稳定安全系数为：

式中 δ为上垫层土料与土工膜之间的摩擦角；α为坝坡与水平面的夹角，坝坡1∶3，故α为18.4°。

上垫层土料与土工膜之间的摩擦角δ可采用上垫层土料内摩擦角的2/3，上垫层土料内摩擦角为37°，则取δ为25°。

计算结果F=1.40>1.20，故满足抗滑稳定。

4 结语

（1）抗滑稳定性分析目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。当岸坡坝段地形陡峻时，还需核算这些坝段在三向载荷作用下的抗滑稳定性。

（2）坝体滑动失稳3种模式为沿坝基平面滑动和沿地在中缓倾角断层或软弱夹层滑动，本工程采用单一的安全系数法计算抗剪强度，不考虑凝聚力，偏于安全，凝聚力作为安全储备，所以规定的安全系数较低。正确选定抗剪断参数是抗剪断公式计算精度的关键因素。

（3）依据工程实践提高坝体抗滑稳定性可采取以下措施：①选好坝基，以微风化、新鲜，产状以倾向上游为佳，若坝基岩石质量不理想，要进行地基处理，使其承载力及应变满足规范要求；②坝体横截面抗滑稳定计算，安全系数要满足规范要求，如仅为提高坝体的抗滑稳定性，可把截面做大一些，这样坝体就重，相应的抗滑力就大，抗滑力由坝体自重和坝体混凝土与坝基的摩阻力、黏结力构成；③要确保坝基处理、混凝土的施工质量。

［1］山西省水利水电勘测设计研究院.山西省万家寨引黄工程联接段备用水源呼延调蓄工程可行性研究报告［R］.

［2］山西省水利水电勘测设计研究院.山西省万家寨引黄工程联接段备用水源呼延调蓄工程初步设计地质勘察专题报告［R］.

［3］梁桂萍.呼延调蓄工程的工程选址与方案比选［J］.山西水利科技，2006（3）.

［4］刘文涛.连接段备用水源呼延调蓄工程调蓄池的防渗设计［J］.科技情报开发与经济，2007（17）.

［5］SL252—2000，水利水电工程等级划分及洪水标准［S］.

［6］SL274—2001，碾压式土石坝设计规范［S］.