东台子水库坝体稳定分析

王阿敏，贾庆稳

（1.辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110003；2.辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006）

1 工程概况

东台子水库枢纽工程位于内蒙古赤峰市林西县新城子镇下场乡，西拉木伦河与一级支流苇塘河汇合口下游，控制流域面积10764.4 km2，总库容3.21×108m3。西拉木伦河流域属于大兴安岭南段山地与燕山山脉交汇处，境内以山地、丘陵为主，地势呈西北高、东南低，最高点海拔高度为1880 m，最低点西拉木伦河河谷，海拔高度为645 m。

东台子水库所在的工程区位于华北地台与兴蒙古生代地槽褶皱系分界的北侧，属于内蒙古中部地槽褶皱系、苏尼特右旗晚华力西褶皱带、哲斯—林西复向斜。西拉木伦河断裂位于华北地台与兴蒙古地台分界处，该断裂规模较大。工程区位于西拉木伦河断裂带及影响范围内，经研究分析该断裂为古老非活动性断裂。依据坝址区地层结构特征及清基厚度，将工程区分为山前堆积段、阶地段、低漫滩及河床段、右岸高漫滩段。由于坝体长，地形变化大，覆盖层厚度不一，坝基地层岩性有差异，坝高及坝体荷载差异均较大，沿坝轴线方向存在不均匀沉降问题，

本文利用里正岩土计算及Midas GTS NX 岩土通用有限元分析软件对大坝坝体进行稳定分析，进行渗流及渗透稳定计算、坝体稳定计算、坝体、坝基应力及变形计算[1]。

2 坝体基本模型

东台子水库是一座以防洪、供水为主，兼顾灌溉和发电为建设任务的综合利用大（二）型Ⅱ等水利枢纽工程。主要建筑物有：沥青混凝土心墙堆石坝、右岸泄洪建筑物、引水建筑物、电站和鱼道等。

主坝坝型选用沥青混凝土心墙堆石坝，堆石坝主要坐落在河床及左侧阶地段，坝顶高程678.53 m，最大坝高45.8 m。建筑物的洪水标准设计100 a 一遇，校核2000 a 一遇。抗震设防烈度采用地震基本烈度为Ⅵ度，设计地震动峰值加速度采用场地50 a 超越概率10%地面水平地震动峰值加速度为0.06g。

图1 堆石坝典型断面图

堆石坝典型断面见图1。堆石坝上游坡比1∶1.7，高程668.0 m 以上采用干砌料石护坡，高程668.0m 以下采用1.0 m厚大块石理砌块石护坡，上游不设马道；下游坡比为1∶1.7，采用框格混凝土碎石护坡，护坡厚度为0.3 m。在大坝下游坝坡高程660 m 处设置2.0 m 宽马道。

坝体中部偏上游侧设置一道沥青混凝土心墙，心墙顶高程为676.50 m，厚度为0.50 m，心墙上部与钢筋混凝土防浪墙相接，下部与基础混凝土防渗墙相连，最大高度为42.60 m。心墙两侧设两层过渡层。第一层过渡层铺设水平宽度2.0 m 厚的砂砾石，顶高程与沥青心墙相同；第二层过渡层为台阶状，顶高程672.3 m，水平宽度2.0 m，在高程650.0 m 处扩展为4.0 m，在高程642.0 m 处扩展为6.0 m。心墙与基础混凝土防渗墙连接时，在相接处设置混凝土基座，基座呈倒“凸”字型，加厚的沥青混凝土心墙座落于基座上。

碾压式沥青混凝土心墙在国内应用较多，特别是最近几年现代化的专用摊铺碾压设备应用较多，加快了施工速度，提高了施工质量，施工工艺先进并且施工质量容易保证，选用碾压式沥青混凝土心墙作为土石坝的防渗体[2]。

3 堆石坝整体稳定

3.1 渗流及渗透稳定计算

根据规范规定，应采用数值法进行渗流计算。选择具有代表性的五个典型断面1-1（桩号主坝0+209）、2-2（桩号主坝0+397）、3-3（桩号主坝0+787）、4-4（桩号主坝1+080）、5-5（桩号主坝1+208），作为平面稳定渗流计算问题进行处理，并利用分段综合的方法计算主坝渗流量，分别对正常蓄水位和设计水位下大坝的渗流稳定开展计算。两种计算工况基本指标如下：①正常蓄水位：上游水位672.3 m，下游水位635.50 m；②设计洪水位：上游水位673.75 m，下游水位636.87 m。

近似取渗透系数水平和垂直方向相等。心墙料、坝壳料渗透系数选择见表1。

表1 渗透系数取值表

渗漏量计算选取正常蓄水位时计算工况；渗透稳定计算选取设计洪水位时计算工况。

土石坝正常蓄水位时渗漏量为：Q=61.2 万m3/a。主坝浸润线及主坝最小k 值滑弧位置见图2。

图2 正常水位浸润线及稳定滑弧图

堆石坝下游坝坡不会出现渗透破坏的问题，故只计算坝基处的渗透坡降。依据经过渗流计算成果绘制成流网图，分析后计算得出坝基处的渗透坡降。得出坝基表面的最大出逸比降为J=0.06<[J]=0.27，是满足要求的[3]。

3.2 稳定计算

土石坝抗滑稳定安全系数成果见表2。

计算成果表明：设计选定的坝坡，其抗滑稳定满足规范要求。

3.3 坝体、坝基应力及变形计算

采用《岩土通用有限元分析软件Midas GTS NX》计算，该程序由北京迈达斯技术有限公司编制。

本次采用了邓肯E-B 模型进行心墙坝二维有限元计算。坝壳料、砂砾石过渡料、基础垫层料和沥青混凝土心墙料等，也同样采用邓肯E-B 模型本构模型。防渗墙及基座选用线弹性材料，混凝土标号为C25[4]。静力计算参数见表3～表6。防渗墙厚度为1.0 m。防渗墙、心墙、基座全部选取四边形单元，坝体选取四边形、少量退化的三角形单元。心墙、基座、过渡料、防渗墙与覆盖层地基土交界面等位置选用4 节点Goodman 单元。本构关系（接触面）选用邓肯和克拉夫提出的双曲线模型，典型断面有限元网格见图3。

表2 土石坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数

图3 典型断面的整体有限元模型

表3 筑坝材料静力计算参数

表4 覆盖层地基土静力计算参数

表5 泥皮静力计算参数

表6 混凝土材料静力计算参数

模拟坝体填筑和蓄水有限元荷载步，将其分成19 级，大坝的施工过程进行分层模拟，第十九步为竣工期。将坝体填筑完成，开始稳态渗流分析，得到渗流计算的结果，进行提取，然后施加在坝体进行下一步的应力计算。

坝体及心墙计算结果见表7。

表7 计算最大值（应力以压为正）

1）坝体位移

竣工期坝体分别向上、下游变形，中心线为心墙和防渗墙，水平向上游位移最大值为0.18 m，水平向下游位移最大值为0.16 m；坝体竖向沉降基本上呈对称分布，心墙和防渗墙为中心线，最大值竖向沉降值为0.76 m[5]。满蓄期，坝体向上游变形区域和数值减小，最大值为0.09 m；向下游变形区域和数值增大，最大值为0.25 m；坝体沉降最大为0.62 m，较竣工期有所降低[6]。

最大沉降发生在坝壳与覆盖层交界处，表明地基模量对大坝变形影响较大，可采取一定的工程措施提高坝基密实指标，减小坝基的沉降。

2）心墙应力

竣工期心墙最大压应力为4.58 MPa，满蓄期心墙最大压应力为1.81 MPa，最大压应力部位位于心墙底部，心墙未出现拉应力，竖向应力大于水压力，不会发生水力劈裂或拉裂现象[7]。

4 结语

本文以东台子沥青混凝土心墙堆石坝为研究对象，通过不同工况下大坝渗流稳定计算分析，得出如下结论：东台子水库覆盖层最大深度达122 m，水平层次显著且具有强渗漏带，选用施工工艺先进并且施工质量容易保证的碾压式沥青混凝土心墙作为土石坝的防渗体，保证了坝体渗漏及渗流安全[8]。为保证坝体整体变形协调，在沥青混凝土心墙上下游侧与坝壳堆石料之间设置两层砂砾石过渡料，并将第二层过渡料阶梯型布置，充分发挥其变形过渡作用，可为同类工程的设计提供参考和方案借鉴。

因现场取样和试验误差等多种原因，有限元计算参数无法完全拟合实际的物理参数，在施工及运行过程中，还应加强对坝体应力和变形的监测，为工程的安全复核和现场管理提供依据。