张学森，范 涛，黄琳琳

(红河哈尼族彝族自治州水利水电工程地质勘察咨询规划研究院，云南 红河哈尼族彝族自治州 661199)

水库大坝是水利工程建设的重点，对大坝进行科学合理的设计，是大坝结构安全的关键。郑源以鲁家坝水库为例，对大坝加高扩建进行方案比选，认为加高扩建后大坝稳定得到提高；于子介介绍了STAB在水利大坝设计中的应用，并对设计大坝进行稳定性分析，该软件在水利大坝设计中较为方便；康振生以应县小石口水库为例，对水库大坝设计进行研究，并提出了相应的施工管理措施；田雪梅等以浩口水电站工程为例，对混凝土重力坝结构优化设计进行分析研究，为类似工程提供参考；叶祥飞等以海南一水电站为例，对大坝设计进行研究，经过实际监测，渗流量在可控范围内；郑红等以明朗水库为例，认为坝基帷幕灌浆+坝脚排水棱体组合的方式具有较好的防渗效果；李建霞等以白石水库为例，对坝体、坝基防渗处理方案设计进行研究；甄文学、王珏、陈洪军等结合工程实例，对水库大坝浸润线、渗流稳定性进行分析，为工程设计提供参考。在前人研究基础之上，以营盘水库为例，对大坝结构设计和渗流稳定性进行分析。

1 工程概况

营盘水库建设目的为灌溉和提供生活用水。水库建设总库容为110.58×104m3，最大坝高设计为44.51m，设计输水流量为0.133m3/s。设计洪水重现期为30年一遇；校核洪水重现期为300年一遇。水库建设完成后，可为5600多人提供生活用水，灌溉面积达100hm2。各建筑物采用的洪水标准及相应流量见表1。

表1 主要水工建筑物洪水设计标准

2 坝体结构设计

2.1 坝顶结构

营盘水库大坝，属于中型坝，设计坝顶宽为5.0m，坝体长为133.0m，大坝顶部兼具过河交通作用，坝体顶部使用级配碎石垫层和混凝土进行表面处理。路面排水从上游至下游排水，使用单向排水，坡度为3%。下游侧路面每隔10.0m设置一排水管，将路面积水排除，坝顶上游侧设置防浪墙，高于坝顶1.0m。下游侧路肩上设高度为0.3m的浆砌粗料石路缘。

2.2 坝体分区

使用风化料作为大坝坝壳填筑材料，设计参数为：干密度2.00g/cm3；内摩擦角27°；凝聚力25.0kPa；渗透系数≥1.0×10-3/cm/s，使用粘土作为防渗材料，防渗体上、下游均使用一层砂、碎石反滤料，在坝脚部位设置排水棱体和总排水沟。

2.3 坝坡结构布置

上、下游坝坡的戗台宽度考虑坝面排水、检修、观测，上游坝坡坡比1∶2.25，下游坝坡为两级变坡：一级坡坡比1∶2.0、二级坡坡比1∶2.25，变坡高程为1433.30m，变坡处设2.0m宽的戗台。

2.4 防渗体

防渗体为粘土心墙，心墙轴线布置于坝轴线上游侧0.5m。心墙顶宽3.00m，顶部高程1453.00m，与防浪墙紧密结合，底部高程1409.39m，心墙最大高度43.61m，上下游边坡坡比均为1∶0.25，最大底宽24.80m，在心墙底部设0.5m厚的C15混凝土灌浆盖板。心墙料设计指标为：干密度1.31g/m3；最优含水率28%；内摩擦角15°；凝聚力20kPa；渗透系数≤1×10-5cm/s。

2.5 反滤层、过渡层与坝体排水

为了保护防渗体心墙料不发生渗透变形，协调心墙料、坝壳料之间的变形，在心墙下游设置了反滤层，反滤层根据心墙料、坝壳料的颗粒级配，经反滤设计确定为砂、碎石反滤料各一层，为满足施工要求，参照防渗体下游反滤层的设计，在防渗体上游亦设置砂、碎石料过渡层各一层，各层过度料的水平厚度均为1.5m，过度层水平厚度共3.0m。砂反滤层粒径为0.25～5mm，碎石反滤层粒径为5～20mm。

为有效降低下游坝体浸润线和下游坝体内孔隙水压力，保证下游坝体边坡稳定，坝脚采用棱体排水设施，棱体顶宽2m，内坡比1∶1，外坡比1∶1.5。

2.6 护坡及坝面排水

坝面拟采用C15混凝土预制块护坡，预制混凝土板在浮力作用下稳定的面板厚度可按式(1)计算，计算结果见表2。

(1)

式中，η—系数，对装配式护面板取1.1；hp—累积频率为1%的波高，m；b—沿坝坡向板长，0.3m；ρc—板的密度，2.4t/m3；ρw—水的密度，1.0t/m3；m—坝坡坡度系数，2.5；Lm—平均波长，m。

表2 护坡计算表

经计算，预制混凝土块厚度为89mm可满足浮力作用下的稳定要求。根据近似工程实例，上游护坡采用预制混凝土块与现浇混凝土块交错布置的型式，即预制混凝土块厚120mm，尺寸为300mm×500mm×120mm，相连块间隔300mm，行间对空布置，形成300mm×300mm四周封闭空格，采用C15现浇混凝土填充作现浇混凝土块护坡，厚度：低侧120mm，高侧60mm。

上游坝面C15混凝土块护坡范围为由坝顶至高程1436.50m处，由高程1436.50m至护坡起点高程1435.00m设干砌块石护坡蹬脚，护坡及蹬脚下依次为粗砂垫层(厚0.2m)，粒径2.0～5.0mm；碎石垫层(厚0.2m)，粒径5.0～30mm。上游坝坡与岸坡连接处设M7.5浆砌块石护岸挡墙，挡墙顶面高于坝面0.5m。

下游由坝顶(高程1453.40m)至棱体顶部(高程1416.00m)设C15混凝土框格草皮护坡。坝坡与岸坡连接处及戗台内侧设置40cm×40cmM7.5浆砌块石排水沟，防止山体和坝体地表水对坝坡冲刷。

在上、下游坝坡设置一道1.2m宽的C15混凝土人行阶梯。

3 坝体渗流计算

溢洪道出口距下游坝脚约85m，消能防冲洪水流量为5.56m3/s，下泄水流经由溢洪道出口可泄放至河道下游，水流在坝脚处不会形成积水，故渗流计算时按坝下游无水情况分析。

3.1 稳定渗流

坝体稳定渗流计算，如图1所示，按不透水地基上心墙坝渗流计算下游浸润线，同时按心墙坝下游有排水设备情况进行计算。计算公式如下：

(2)

(3)

坝体浸润线方程为：

(4)

式中，x、y—自由水面线上任意一点的坐标；H1、H2—坝体上、下游水深，m；h—心墙浸润线的溢出高度，m；q—通过坝体的单宽渗流量，m2/d；k1、k2—坝壳料的渗透系数和心墙料渗透系数，m/d。

图1 心墙坝稳定渗流浸润线计算简图

通过计算，各水位条件下稳定渗流的浸润线见表3。

表3 各水位稳定渗流浸润线方程

通过渗流计算，正常蓄水位时，防渗心墙下游浸润线逸出高度为3.11m，坝体单宽渗流量为0.242m3/(d·m)，总渗流量Q=16.94m3/d。在各特征水位下，其浸润线的计算成果如图2所示。

图2 不同工况下浸润线分布

3.2 非稳定渗流

按不透水地基上的心墙坝进行坝体非稳定渗流计算上游坝浸润线，如图3所示，在重力渗流的情况下，土坝坝体内自由水面线为一抛物线，用式(5)表示。

y=a+bx2

(5)

式中，a、b—系数；x、y—水面上一点的坐标。

图3 心墙坝非稳定渗流浸润线计算简图

经过计算，水位降落时的浸润线的计算成果见表4。

表4 正常蓄水位至不利水位浸润线

3.3 渗透稳定计算

岩土体性质和水力梯度均会对渗流稳定产生影响。大坝的心墙料为粘性土，其可能的渗透变形为流土。根据规范计算流土临界水力比降为：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(6)

式中，Jcr—土的临界水力比降；Gs—土的比重，Gs=2.76；n—土的孔隙率(以小数计)，n=0.52。

经计算，心墙防渗体的临界水力坡降Jcr=0.84，取安全系数K=1.5，则有允许水力比降J允=0.56，经计算心墙下游渗透出逸比降为J实=1.17～2.13，大于允许水力坡降，心墙可能会发生渗透破坏。为此，在心墙的上、下游设置反滤层对心墙进行保护。

4 坝体稳定性计算

根据土工试验结果，结合本工程的地质情况，坝体稳定计算时，物理指标取平均值，力学指标取小值均值，坝体、坝基采用的物理力学指标具体见表5。

表5 拦河坝稳定分析物理力学指标表

粘土心墙风化料坝的稳定计算，根据SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》的要求，坝坡抗滑稳定计算采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，计算程序采用河海大学编制的Autobank7.0程序计算，成果见表6。

5 动荷载作用下坝顶力学响应研究

根据上述大坝结构设计和坝体材料分区，建立数值模拟模型和数值模拟参数选取。

车辆荷载是垂直路面，方向向下的，保持车辆荷载在路面的作用位置保持不变，改变车辆的荷载。研究荷载在1s时间循环次数为10次的情况下，坝顶路基的应力-应变关系。

表6 大坝坝稳定计算成果表

车轮与路面接触位置的动应力响应特征如图4所示，接触点位置振动中心为150kPa，振幅为30kPa；与车轮距离0.5m处的振动中心为8kPa，振幅为2kPa；与车轮距离1.0m处的振动中心为6kPa，振幅为0.8kPa。距离车轮位置越远，振动越小，振幅越小。

图4 车轮处应力与时间关系曲线

车轮所在部位的横向应力最大，为180kPa，如图5所示，车轮中心(道路轴线)部位最大应力不大于10kPa。从图5可以看出，车辆荷载影响范围较小，不大于1.0m。与车轮距离越远，最大横向应力越小，且应力衰减较快。

图5 横向应力

6 结语

以营盘水库为例，对水库大坝方案设计进行研究，使用理论计算方法对大坝渗流进行分析，获取不同工况水位条件下，水库大坝的浸润线分布特征。

使用稳定渗流和非稳定渗流两种方法对大坝渗流稳定性进行分析，获取大坝在不同工况下的渗流稳定性情况，计算结果表明大坝稳定性较好。

使用数值模拟方法对坝体顶部道路车辆动荷载响应进行分析，车轮处为荷载最大的位置，随着与车轮位置的增大、深度的加大，荷载响应逐渐减小，坝体结构满足车辆动荷载要求。