水城县营盘水库大坝高程设计及稳定性分析

陆彦平

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550000）

1 工程概况

在建造堤坝之前，大坝高程设计对整个水库大坝后期运行的稳定性和抵抗自然灾害的能力至关重要[1-4]。不合理的水库大坝高程设计严重威胁人民生命财产安全，因此确定合理大坝高程设计方法具有重要意义[5-9]。

本次研究的营盘水库位于长江流域乌江水系六冲河右岸一级支流引底河源头段下马田河上、贵州省水城县金盆乡营盘村境内，距六盘水市中心城区约64 km，距金盆乡政府约4 km；自中心城区起沿232 县道行至63 km 处接新建0.984 km 上坝公路即可通达坝址区。水库集雨区分水岭最高高程2400.5 m，坝址河谷最低高程1797.80 m，相对高差599.2 m，枯期基流11.8 L/s（2014年3月1日三角堰实测值），主河道长2.678 km。本文以该水库为例，研究了坝顶高程和建基面确定方法，同时探讨了大坝应力分析及稳定计算方法和结果，研究方法可为相关大坝工程提供参考。

2 大坝建筑物设计

2.1 坝顶高程和建基面确定

大坝为复合土工膜防渗碾压风化料坝，最大坝高18.23 m，坝顶高程1814.00 m，根据地质情况，坝轴线处建基面高程1798.90 m。经综合考虑，坝顶宽度定为4.5 m，采用C20 混凝土路面，坝顶长度89.06 m。大坝采用复合土工膜防渗，坝基采用沿上游趾墙布设单排灌浆帷幕孔防渗，上游坝坡为1∶2.2，下游坝坡为1∶1.8，下游坝坡采用干砌石护坡并在高程1803.10 m 处设置排水棱体，坝坡与两岸连接处设置排水沟。

2.2 坝顶高程计算

2.2.1 坝顶超高确定

坝顶在水库静水位以上的超高由三部分组成，即波浪爬高、风壅水面高度和安全加高，计算公式如下：

式中：y为坝顶超高（m）；R为最大波浪在坝坡上的爬高（m）；e为风浪引起的坝前水位壅高（m）；A为安全加高（m），取值详见表1。本工程大坝级别为5级，处于山区、丘陵区，设计洪水位时A取0.5 m，校核洪水位时A取0.3 m。

表1 安全加高值

2.2.2 波浪爬高计算

风浪要素采用《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录A.1.5莆田试验站公式计算：

式中：hm为平均波高（m）；Lm为平均波长（m），需试算确定；Tm为平均波周期（s）；W为风速（m/s）；D为风区长度（m）；Hm为水域平均水深（m）；g为重力加速度（m/s2），取9.81m/s2；H为坝前水深（m）。

依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），波浪高度计算所用的设计风速在设计洪水情况下采用多年平均最大风速的1.5倍、校核洪水情况下采用多年平均最大风速，水城县气象站实测多年平均年最大风速为15.7 m/s，即W设计=1.5Wm=1.5×15.7=23.55（m/s）、W校核=Wm=15.7 m/s。

本工程风区长度采用库区等效风区长度值，库区等效风区长度De依据库区1/2000 水库水域平面图计算。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001），等效风区长度De按下式计算：

式中：De为等效风区长度（m）；Di为计算点至水域边界的距离（m），i取0、±1、±2、±3、±4、±5、±6；αi为第i条射线与主射线的夹角（°），等于i×7.5°。

根据计算结果，设计洪水位时，等效风区长度De=307.4 m。等效风区长度计算如图1所示，计算成果详见表2。

图1 风区长度计算简图

表2 风浪要素计算成果

设计波浪爬高根据工程等级确定，5 级坝采用累积频率为5%的爬高值R5%。R5%/Rm可以由表3 查得。大坝上游坝坡系数m为2.2，当m=1.5～5.0 时，平均波浪爬高Rm采用下式计算：

表3 波浪爬高计算成果

式中：K△为斜坡的糙率渗透性系数（m/s），上游采用六角形混凝土板护坡，查表得K△=0.9；KW为经验系数（m/s），经验系数由即风速和坝前水深确定，本工程中设计洪水位时== 2.02、查表并用插值法求得KW=1.08，校核洪水位时1.32、查表求得KW=1.013；m为坝坡系数，取2.2，无量纲；hm为平均波高（m）；Lm为平均波长（m）。

风壅水面高度e可按下式计算：

式中：K为综合摩阻系数，取3.6×10-6，无量纲；b为计算风向与坝轴线法线方向的夹角（°），取0；其余变量含义同上。

通过计算，设计洪水位时e为0.0045 m，校核洪水位时e为0.0019 m。超高计算成果，详见表4。

表4 超高计算成果

坝顶高程按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定确定，为水库静水位与坝顶超高之和。根据本工程特征，按照以下3 种应用条件计算，取其大者：①设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；③校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高。根据计算结果，大坝计算最大高程为1814.56 m，设1.1 m高防浪墙，防浪墙顶高程取1815.10 m，坝顶高程为1814.00 m，坝高计算成果详见表5。

表5 坝高计算成果

2.3 大坝应力分析及稳定分析

2.3.1 大坝应力分析

由于本工程大坝基本坐落在强风化基岩上，既使有小部分河床坝段坐落在冲洪积层和残破积层上，在施工时也需碾压夯实，且坝体填筑对坝基影响较小，本阶段未进行大坝沉降分析。

2.3.2 大坝稳定分析

本工程属Ⅴ等工程，水库的大坝、溢洪道、取水放空等主要建筑物为5级建筑物。本工程为碾压风化料坝，地震基本烈度为Ⅵ度，区域构造稳定性好。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）、《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）及《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-1997）相关规定，大坝结构可不进行抗震计算。大坝稳定分析的计算情况如下。

（1）计算条件。计算条件包括正常运用条件和非常运用条件。正常运用条件为工况1、工况2和工况3，工况1：库内水位由正常蓄水位1811.80 m降至死水位1806.05 m，对应库外无水，计算上游坝坡；工况2：库内水位处于正常蓄水位1811.80 m，对应库外无水，计算稳定渗流期的下游坝坡；工况3：库内水位处于设计洪水位1813.15 m，对应库外无水，计算稳定渗流期的下游坝坡。非常运用条件为工况4、工况5和工况6，工况4：库内水位处于校核洪水位1813.72 m，对应库外无水，计算稳定渗流期的下游坝坡；工况5：施工期库内外均无水（取地面高程），计算上游坝坡；工况6：施工期库内外均无水（取地面高程），计算下游坝坡。

（2）计算方法。大坝为5 级建筑物，按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）和《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）的规定，计算方法采用有效应力-瑞典圆弧法，利用理正岩土6.0软件进行坝坡稳定计算。计算参数包括：坝顶高程1814.00 m；正常蓄水位1811.80 m；设计洪水位1813.15 m；校核洪水位1813.72 m；死水位1806.05 m；强风化白云质泥岩抗剪强度φ=18°，c=70 kPa，承载力300 kPa，容重γ=2.3 g/cm3；强风化泥质灰岩抗剪强度φ=28°，c=75 kPa，承载力1500 kPa，容重γ=2.7 g/cm3；强风化白云质泥岩夹50%砂质黏土抗剪强度φ=16°，c=20 kPa，承载力200 kPa，容重γ=2.3 g/cm3；含粉粗黏～粗黏土抗剪强度φ=11°，c=60 kPa，承载力130 kPa，容重γ=2.15 g/cm3；上游坡比为1∶2.2，下游坡比为1∶1.8。

（3）坝坡稳定计算成果。各工况安全系数详见表6，由于篇幅原因，只给出了工况1的临界滑弧，如图2所示。经计算，各工况下大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范要求，大坝安全可靠。

图2 工况1：水位由正常蓄水位骤降至死水位上游坝坡（Fs=1.363）

表6 大坝边坡稳定计算成果

2.3.3 土工膜稳定计算成果

水库蓄水以后，水压力使复合土工膜对整平层施加很大压力，所以抗滑安全系数很大，不必计算，重点计算施工期的土工膜稳定性。上游坡比为1∶2.2，属于缓坡，计算公式如下：

式中：α为上游坡与水平面夹角（°）；f为复合土工膜与整平层间摩擦系数，无量纲，取0.48～0.62。

本工程中，α=24.444°，f=0.5，经计算得k=1.1，满足抗滑稳定要求。同时，为了增加土工膜与支持层之间的稳定系数，上游坝坡每隔8 m 设置1 道嵌固槽，采用C20混凝土作为嵌固槽的压重。

3 结论

本文以水城县营盘水库为例，研究了坝顶高程和建基面确定方法，同时还探讨了大坝应力分析及稳定计算方法和结果。根据计算结果，水库校核水位为1813.725 m，坝顶超高值为0.835 m，则大坝计算最高水位为1814.56 m，大坝坝顶设1.1 m 高防浪墙，防浪墙顶高程取1815.10 m，坝顶高程为1814.00 m，则坝顶高程大于水库校核水位，且防浪墙顶高程大于大坝计算最高水位，本工程大坝坝顶高程和防浪墙顶高程取值满足规范要求；各工况下，大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范要求，大坝安全可靠。