金普新區大螞蟻島集雨工程塘壩設計及穩定性分析

王 孟

（大連河海水利水電勘測設計有限公司,遼寧 大連 116021）

1 引言

滲流及壩坡滑動破壞是擋水建筑物常見的破壞形式,對工程安全影響較大。因此,在擋水建筑物設計階段需要對滲流及抗滑移穩定性進行分析。在滲流及抗滑移分析研究中常用的方法包括：數值模擬、理論計算等,均取得了良好的應用效果[1-3]。

2 壩體結構設計

2.1 防浪墻設計

塘壩上游側設混凝土防浪墻,防浪墻高1.0 m,基礎埋深1.0 m,墻厚0.4 m,墻頂高程為8.4 m,其中墻踵、墻趾高0.5 m,寬0.15 m,底部與復合土工膜形成封閉的防滲體。防浪墻每隔10 m設一道分縫,縫內設止水。防浪墻頂采用切割花崗巖帽石,尺寸為520 mm×120 mm（寬×厚）,防浪墻靠近壩頂路側罩面采取切割花崗巖石板,尺寸為500 mm×700 mm×40 mm（長×高×厚）,其余位置采用鑲嵌20 mm厚切割花崗巖板,防浪墻靠近庫區側罩面采取切割花崗巖石板,尺寸為500 mm×880 mm×40 mm（長×高×厚）,本次防浪墻外側花崗巖板采用干掛型式,用M10×200、M10×250膨脹螺栓固定,相鄰花崗巖石板之間通過注膠分縫,防止擠裂破碎。

2.2 壩頂及壩坡設計

螞蟻島塘壩壩型為復合土工膜防滲體壩,壩頂高程7.4 m,壩長43.0 m,最大壩高6.6 m,壩頂寬度4.0 m,在上游側設高于壩頂1.0 m的混凝土防浪墻,底部與復合土工膜形成封閉的防滲體,壩頂路面采用0.2 m厚混凝土結構,向下游做成2%的坡度。大壩上游壩坡坡度為1∶2.5,大壩下游壩坡坡度為1∶2.0。上游坡面護坡形式采用0.22 m厚干砌花崗巖方整石護坡、0.20 m厚碎石墊層和0.18 m厚粗砂反濾,砂墊層下方鋪設400 g/m2復合土工膜,土工膜嵌入壩基以內2 m深,護坡基礎為干砌石固腳,埋深為1 m,底寬1 m、頂寬3 m。下游壩坡采用花崗巖方整石護坡,其中高程5.29 m以上護坡厚度為0.22 m,高程5.29 m以下護坡厚度0.4 m,護坡下方鋪設0.2 m厚碎石墊層,墊層下方鋪設400 g/m2無紡布反濾,碎石護坡自壩頂護至與棱體排水連接處。

壩體下游排水采用棱體排水,自壩腳設至壩體浸潤線以上1.0 m。棱體排水自壩體向外依次設置0.15 m厚粗砂墊層、0.15 m厚碎石墊層以及堆塊石排水棱體,棱體頂寬2 m、高2.5 m,內坡坡比為1∶1,外坡坡比為1∶1.5,考慮防潮需求和計算,排水棱體主體塊石粒徑為300 mm～400 mm,塊石采用干砌石塊石,強度不低于MU40,外側干砌單層粒徑為400 mm的花崗巖方整石。棱體排水下游設施石籠防沖護坦,尺寸為38 m×5 m×0.5 m,下方鋪設400 g/m2無紡布反濾。

（1）上游護坡反濾層設計

上游護坡反濾層計算公式如下：

式中：D為石塊的換算球形直徑,m；Q為石塊的質量,t；D50為石塊的平均直徑,m；Q50為石塊的平均質量,t；t為護坡厚度,m；m為護坡坡比；Kt為隨坡率變化的系數；ρk為塊石密度,t/m3；ρw為水的密度,t/m3；Lm為平均波長,m；hp為累計頻率為5%的波高。

經計算,護坡厚度為0.18 m（設計工況控制）,考慮受壩體防洪和防潮雙向影響,為保證安全,本次設計上、下游壩坡方整石厚度取0.22 m。

（2）下游護坡反濾層設計

斜坡堤干砌石護坡的護面厚度t（m）可按下式計算：

式中：K1為系數,條石或方整石取0.225；rb為塊石的重度,kN/m3；取27 kN/m3；r為水的重度,kN/m3；取10 kN/m3；H為計算波高,m,當d/L≥0.125時,取H4%；當d/L＜0.125時,取H13%；d為堤前水深,m。

將各參數代入上式中,計算得t=0.26 m。結合險工護岸工程的實際經驗,護坡厚度確定為0.40 m。

3 塘壩滲流計算

（1）建筑物等級

螞蟻島塘壩參照為V等工程,正常運用設計洪水標準為10年一遇,非常運用校核洪水標準為20年一遇。根據相應規定,土壩按5級建筑物進行滲流穩定計算。

（2）水位資料

校核洪水位6.95 m,下游水位0.00 m；設計洪水位6.83 m,下游水位0.00 m；正常蓄水位6.30 m,下游水位0.00 m。

（3）壩體及壩基材料滲透系數（表1）

表1 主壩壩體材料滲透系數統計表

（4）大壩全長43 m,壩體及壩基情況基本一致,滲流復核選取大壩最高斷面。

圖1 滲流計算簡圖

（5）滲流計算邊界及計算工況

塘壩為復合土工膜防滲體壩,坐落在粉質黏土基礎上,覆蓋層厚度約1 m左右,塘壩基礎粉質黏土可視為相對不透水層。

大壩滲流計算工況如下：①上游正常蓄水位與下游不利水位：6.30 m（上游）+下游無水；②上游設計洪水位與下游不利水位：6.83 m（上游）+下游無水；③上游校核洪水位與下游不利水位：6.95 m（上游）+下游無水。

（6）滲流及滲透穩定計算

對于穩定滲流,符合達西定律的非均各向異性二維滲流場,水頭勢函數滿足微分方程二維滲流方程：

式中：Kx、Ky為x向和y向的滲透系數；H為滲流場中某一點的滲壓水頭,m。

滲流計算成果見表2。

表2 滲流計算成果

滲流量按正常蓄水水位計算為19.38 m3/d（滲漏壩基長43.0 m）。

從2表可以看出,由于均質壩滲透系數相對較大,浸潤線呈緩慢下降趨勢,復合土工膜滲透系數小,浸潤線降幅較大,溢出點位于棱體排水體內[4-6]。

現狀棱體排水高度2.5 m,滿足正常蓄水工況下逸出點高程要求。

（7）滲透穩定計算

滲透變形型式判別采用《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487-2008）中附錄G的方法判別。

壩體粉土滲透變形類型為流土。

流土臨界水力坡降：

允許比降：

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土的顆粒密度與水的密度之比；K為安全系數,根據工程重要性選取1.5。

根據土工試驗成果,粉土比重為2.69,孔隙比0.853,孔隙率為46.0%。

經計算,壩體粉土允許比降為0.61。

滲透穩定計算成果見表3。從表3得知：滲透比降均小于允許比降,壩體及壩基滲透穩定均滿足要求。

圖2 正常蓄水位滲流

表3 滲透穩定計算成果表

4 壩體抗滑穩定驗算

大壩全長43.0 m,壩體及壩基情況基本一致,穩定復核選取大壩最高斷面。壩體及壩基材料穩定計算參數見表4。

表4 壩體材料穩定計算參數表

（1）計算工況的確定

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）規定,核算大壩穩定工況如下：

①上游壩坡

正常運用條件：庫水位降落時（庫水位從設計洪水位降至正常高水位）。

非常運用條件I：空庫運行期；庫水位降落時（庫水位從校核洪水位降至正常高水位）。

非常運用條件II：正常運用條件遇地震。

②下游壩坡

正常運用條件：正常高水位穩定滲流期；設計洪水位穩定滲流期。

非常運用條件I：空庫運行期；校核洪水位穩定滲流期。

非常運用條件II：正常運用條件遇地震。

（2）壩坡穩定計算采用程序

計算方法采用簡化畢肖普法,計算穩定滲流期或水庫水位降落期的安全系數計算公式：

式中：W為土條重量,kg；μ為作用于土條底面的孔隙壓力,N；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角,（°）；b為土條寬度,m；c'、φ'為土條底面的有效應力抗剪強度指標。

（3）壩體邊坡穩定計算成果

壩體邊坡穩定計算成果見表5。

表5 大壩壩體邊坡穩定計算成果表

從表4可以看出,大壩在抵御洪水標準下各工況均滿足大壩最小抗滑穩定安全系數要求。

5 結論

（1）均質壩滲透系數相對較大,浸潤線呈緩慢下降趨勢,復合土工膜滲透系數小,浸潤線降幅較大,溢出點位于棱體排水體內?，F狀棱體排水高度2.5 m,滿足正常蓄水工況下逸出點高程要求。

（2）計算結果表明滲透比降小于允許比降,壩體及壩基滲透穩定均滿足要求。

（3）大壩在抵御洪水標準下各工況均滿足大壩最小抗滑穩定安全系數要求。