中美规范中土石坝坝顶高程计算差异性研究

岳朝俊　杨卫甲　吴超　张超

摘要：为使参与涉外工程建设的中国水电企业工程人员了解和掌握国内外水电工程规范的差异，在分析中国和美国现行土石坝水电规范条文的基础上，运用工程算例计算了土石坝坝顶高程。分析结果表明，中国规范确定的土石坝坝顶高程大于美国规范的计算值，可满足美国规范要求。研究成果可为类似国外土石坝工程建设提供参考。

关键词：土石坝; 坝顶高程; 中美规范

中图法分类号：TV697 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.016

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0095 - 06

0 引 言

随着“一带一路”倡议的实施，中国在沿线国家境内投资建设的水利水电工程越来越多。因此，熟悉和掌握这些国家通用的美国规范，并了解水利水电工程设计及计算中的中美规范差异，对中国水电企业开拓海外市场非常重要。

土石坝作为历史最为悠久的坝型之一，具有就地、就近取材，能适应各种地形、地质和气候条件，施工方便，节省钢材、水泥、木材等重要建筑材料等优点，因而在世界水电工程建设中的应用最为广泛且发展最快[1-2]。土石坝坝顶高程的确定关系到工程运行安全和经济效益，需要在确保工程运行安全的条件下，合理选择坝顶高程，使工程投资效益最大化[3]。

虽然中国土石坝建设在世界上处于领先地位[4]，但海外土石坝项目建设依然以美国规范为主要参考依据，在实践中也缺乏中美规范的对比研究，不利于中国规范走出国门，给中国工程技术人员开展海外项目建设造成了一定困难[5]。本文通过对比中美相关水利水电标准中土石坝坝顶高程计算相关规定，结合工程实例计算，分析研究了二者的差异，可为从事国际工程的技术人员提供有益参考，也有助于中国规范走向世界。

1 标准选定

中美规范在坝顶高程计算中均需涉及到专业术语。在中国规范中，坝顶高程计算主要术语如下。

（1） 坝顶超高。水库静水位至坝顶（或防浪墙顶）的高差。不同的水库静水位对应不同的坝顶超高，不同级别的土石坝也对应不同的坝顶超高。

（2） 波浪爬高。波浪沿建筑物坡面爬升的垂直距离（由静水位起算）。

（3） 风壅高度。风壅水面高度的简称，是指在风的拖拽力作用下，水面升高，风壅水面高出原来水位的垂直距离。

（4） 安全超高。为防止波浪壅高时发生漫坝，坝顶在水库静水位加风壅高度和波浪爬高之上的安全高度。应根据坝的等级和运用条件来确定。

（5） 沉降超高。土石坝填筑过程中，随着坝体有效应力的增大，大坝将进一步沉降。为保证工程投入运行后坝顶实际高程等于设计高程，在施工中进行一定高度的超填。

美国规范中波浪爬高、风壅高度及沉降超高的定义与中国规范一致，无安全超高的要求。坝顶超高是指水库最高水位至坝顶的垂直距离，与土石坝级别无关。

对于土石坝坝顶高程的确定，中国主要采用的是NB/T 10872-2021和SL 274-2020《碾压式土石坝设计规范》，而美国现通用的是美国垦务局发布的（第13号设计标准：土石坝）（Design Standard No.13：Embankment dams），且该规范中对坝顶高程的计算是在美国陆军工程师团（USACE）对土坝和堆石坝的设计及施工（EM-1110-2-2300 General Design and Construction Consideration for Earth and Rock-fill Dams）规定基础上简化更新的。同时， NB/T 10872-2021和SL 274-2020《碾壓式土石坝设计规范》中对土石坝坝顶高程确定的相关规定完全一致，因此本次主要选择中国的NB/T 10872-2021《碾压式土石坝设计规范》和美国垦务局的（第13号设计标准：土石坝）进行对比。

2 中国规范

2.1 设计工况

根据NB/T 10872-2021《碾压式土石坝设计规范》中的相关规定，坝顶高程=水库静水位+坝顶超高，应分别按以下运用条件计算，取其最大值。即：① 设计洪水位加正常运用条件下的坝顶超高;② 正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高;③ 校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高;④ 正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高，再加地震安全加高。

在水库静水位以上的坝顶超高按下式计算：

y=R+e+A （1）

式中：y为坝顶超高，m;R为波浪在坝坡上的爬高，m;e为风壅高度，m;A为安全超高，m。

2.2 风况影响

风壅高度e受风速、风区长度、风向及风的延时等因素的直接影响。

2.2.1 设计风速

设计风速的取值应根据历年满库运行期实测最大风速资料，并按以下规则取值：① 正常运用条件下的1～2级坝，采用多年平均最大风速的1.5～2.0倍;② 正常运用条件下的3～5级坝，采用多年平均最大风速的1.5倍;③ 非常运用条件下，采用多年平均最大风速。

年最大风速应采用水面上空10 m高度处10 min的平均风速。当仅能获得距水面其他高度的风速时，采用经验公式转换推求水面上空10 m高度处10 min的平均风速。风向宜按水域计算点处8个方位角确定，其允许偏差为±22.5°。

2.2.2 风区长度

风区长度和水库蓄水后的水域形状有关。当沿风向两侧的水域较宽广时，可采用计算点到对岸的距离;当沿风向有局部缩窄且缩窄处的宽度小于12倍计算波长时，可采用5倍宽度为风区长度，同时不小于自计算点至缩窄处的直线距离;当沿风向两侧水域较为狭窄或水域形状不规则或有岛屿等障碍物时（图1），应采用等效风区长度进行计算：

2.2.3 风壅高度

2.3 波浪影响

2.3.1 波浪要素

2.3.2 波浪爬高

2.4 安全超高

2.5 沉降超高

坝顶应预留竣工后的沉降超高。预留沉降超高应根据沉降计算、有限元应力应变分析、施工期监测和工程类比等综合分析确定。当坝顶沉降量与坝高的比值大于1%时，应在分析计算成果的基础上，论证选择的坝料填筑标准的合理性和采取工程措施的必要性[6]。还应在坝中段增大预留沉降超高0.3～0.5 m，在设计中考虑坝长与坝高。预留沉降超高不应计入坝的计算高度。

3 美国规范

在美国垦务局编制的第13号设计标准：土石坝中，土石坝应采用可能最大洪水（PMF）作为设计洪水，并在水库最高洪水位以上留出足够的超高，以防大坝在风、浪运动或地震作用下发生漫顶。

3.1 设计工况

在美国规范中确定土石坝坝顶高程主要考虑以下工况。

（1） 最小超高。最高库水位+3ft（1ft=0.304 8 m）;最高库水位+中等风速（P=10%）波浪爬高+对应的风壅高度。

（2） 正常超高。正常运行水位+100 mile/h（约44.7 m/s，1 mile=1 609.344 m）风速所引起的水面波浪爬高+对应的风壅高度。

（3） 校核超高。最高库水位-2ft（或4ft）+波浪爬高+风壅高度≤坝高（1，2，3工况）。

校核超高时的波浪爬高和风壅高度为设计入库洪水（IDF）期间可能遇到的风速所对应的最大波浪爬高和风壅水面高度。

3.2 风况影响

3.2.1 设计风速

3.2.3 风壅高度

3.3 波浪影响

3.3.1 波浪要素

3.3.2 波浪爬高

3.4 安全超高

美国规范中并无安全超高这一计算选项，但在坝顶高程计算中应考虑洪水过程特性、水库运行、溢洪道及其他泄水建筑物故障、坝顶裂缝、公共安全等因素，并结合实际情况具体分析。当坝顶高程的确定涉及重大公共安全等因素时，应报送美国垦务局公共安全管理部门审批。

3.5 沉降超高

美国规范中坝顶预留沉降超高主要包括地基和坝体允许的沉降，并在以往工程经验的基础上给出如下说明：对于基础压缩性较小的土石坝，常设置约1%坝高的超填量;对于坝基压缩性较大、预期沉降较大的土石坝，最大超填量应为最大坝高的1%～2%;在坝高计算中，不计入坝体或地基沉降造成的高度损失，只在施工期坝顶预留沉降超高时考虑。

4 工程算例

4.1 工程概况

某水库大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，大坝级别为5级，水库正常蓄水位314.40 m，設计洪水位317.00 m，校核洪水位（最高库水位）322.02 m，多年平均最大风速23.693 m/s，风区长度6 759 m，正常蓄水位时沿风区水深15.24 m，大坝上游坝坡为1V：3H，下游坝坡为1V：2H，地震引起的涌浪高度1.5 m。

4.2 计算结果

分别采用中美规范计算该堆石坝坝顶高程，具体结果见表2～3。

4.3 差异对比

通过对比表2和3可知：

（1） 正常运行条件下，在正常蓄水位314.40 m时，美国规范使用的风速为100 mile/h（44.7 m/s），超过中国规范采用的设计风速的1.5倍（35.54 m/s），其计算所得波浪爬高和风壅高度之和较大[2.743>（2.524+0.103）]，但因中国规范额外考虑了安全加高，所以在该条件下中国规范计算的坝顶高程仍然较大。

（2） 非常运用条件下，在校核洪水位（最高库水位）322.02 m时，美国规范采用的设计风速为超越概率为10%的典型风19 mile/h（8.493 m/s），比中国规范取用的多年平均最大风速23.693 m/s小，导致计算所得波浪爬高和风壅高度之和较小[（0.442+0.006）<（1.614+0.027）]，同时中国规范设有安全超高，因此在校核洪水位工况下中国规范计算的坝顶高程较大。

（3） 该工程为5级土石坝，可作为一般4～5级坝的代表。在中国规范中，其坝顶高程一般受校核洪水位和非常运用条件下的坝顶超高的工况控制，在美国规范中一般受最高库水位+3ft的工况控制，中国规范计算的坝顶高程大于美国规范计算的数值。

（4） 对于正常运用条件下的3级土石坝，安全超高值增加为0.7 m，且3级坝采用累计频率1%的波浪爬R，而美国规范则无变化，在该条件下中国规范计算的坝顶高程进一步增大;非常运用条件下，在校核洪水位（最高库水位）时，安全超高值增加为0.5m，且3级坝采用累计频率1%的波浪爬R1%，而美国规范则无变化，在该条件下中国规范计算的坝顶高程也进一步增大。

（5） 对于正常运用条件下的1～2级土石坝，中国规范可采用多年平均最大风速的1.5～2.0倍，采用累计频率1%的波浪爬R1%，其波浪爬高和风壅高度也将变大，安全超高值也增至1.5 m和1.0 m，美国规范则无变化，在该条件下中国规范计算的坝顶高程进一步增大;非常运用条件下，在校核洪水位（最高库水位）时，安全超高值增加为1.0 m和0.7 m，采用累计频率1%的波浪爬R，美国规范则无变化，在该条件下中国规范计算的坝顶高程也进一步增大。

综上所述，中国规范确定的土石坝坝顶高程一般大于美国规范确定的坝顶高程，能同时满足美国规范的要求。

5 结 论

（1） 通过对比现行的中国NB/T 10872-2021《碾压式土石坝设计规范》和美国第13号设计标准（土石坝）可知：两国规范对于土石坝坝顶高程的计算均考虑了多种工况，中国规范中坝顶高程为各工况静水位加上波浪高度、风壅高度及安全超高，对于地震区的安全超高还应考虑地震作用下的附加沉陷和地震涌浪高度等，美国规范则无专门的安全超高计算项。

（2） 中美規范对于风浪因素均进行了详细规定，中国规范以多年平均最大风速为计算依据，美国规范在最高水位时采用库水位处或接近最高水位时的风速，在正常水位时采用了最大可能风速。虽然中美规范计算的波浪爬高和风壅高度之和存在差别，但由于中国规范考虑了安全超高，一般情况下最终计算的坝顶高程较大，土石坝等级越高，差别越明显。因此，在国外项目采用中国规范确定的土石坝坝顶高程，一般均可同时满足美国规范要求。

（3） 在计算土石坝坝顶高程时，两国规范均未考虑坝体或地基沉降造成的高度损失，主要通过在施工期超填作为预留沉降来考虑，在河床及两岸根据坝高或覆盖层的厚度不同，考虑不同的预留沉降量。

参考文献：

[1] 林继镛.水工建筑物[M].北京： 中国水利水电出版社，2010.

[2] 王柏乐.中国当代土石坝工程[M].北京：水利水电出版社，2004.

[3] 夏德志，谭敏枚.浅谈对土石坝的认识 [J].建工科技， 2015， 26（4）： 131.

[4] 赵琪.土石坝设计研究综述.土石坝技术2014年论文集[M].北京：中国电力出版社，2014： 52-57.

[5] 孔令学，董绍尧，冯业林.中外土石坝标准体系研究 [J].云南水力发电， 2021， 37（11）： 229-234.

[6] 袁光裕，胡志根.水利工程施工[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

（编辑：唐湘茜）

Difference research on embankment dam crest elevation between Chinese and American specifications

YUE Chaojun YANG Weijia WU Chao ZHANG Chao

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Dali Bai Autonomous Prefecture

Institute of Hydraulic Survey， Design and Research， Dali  671000， China）

Abstract：For Chinese hydropower entrepreneur engineers involved in international projects to acknowledge and acquire the hydropower specification difference between Chinese and foreign countries， based upon analyzing Chinese and USA hydropower specifications， the embankment dam crest elevation is obtained by one project calculation. The results demonstrate that the embankment dam crest calculated by Chinese specification is higher than the one calculated by USA and meet USA demands. These achievements may be taken as a reference for similar foreign projects.

Key words： embankment dam; dam crest elevation; specifications of Chinese and USA