(四川大学工程设计研究院有限公司，成都，610065)

1 工程概况

仓库湾水库枢纽坐落在通江县至诚镇场镇中心西北侧的龙王庙沟上，距至诚镇场镇中心0.7km，距通江县城区约40km。水库控制集水面积0.71km2，多年平均径流量46.14万m3。仓库湾水库是一座以场镇供水为任务的小(2)型水利工程，设计供水人口2.22万人。水库主要建筑物包括大坝、泄洪洞、放空洞、取水浮船、输水管线等。大坝分为主、副坝，其中主坝按纵向增强体土石坝进行设计[1、2]，副坝为重力坝。水库总库容62.34万m3，正常蓄水位1030.00m，相应库容55.42万m3，兴利库容52.59万m3，死库容2.83万m3。

仓库湾水库主坝采用纵向增强体(混凝土心墙)堆石坝[3]，坝轴线长83.25m，坝顶高程1031.70m，防浪墙高1.2m，最大坝高34.15m，坝顶宽6m。上游坝坡设3级坡，从上至下坡比分别为1∶2、1∶2.25、1∶3，高程1020.50m设2m宽马道，高程1010.00m设3m宽马道。下游坝坡设3级坡，高程1020.50m和1010.00m各设2m宽马道，从上至下坡比为1∶2、1∶2.25、1∶2.25。混凝土心墙厚按施工条件取为0.8m，轴线位于大坝轴线上游0.4m，增强体上游为2.2m厚砂岩过渡层(施工厚度为3m，填筑完成后混凝土心墙占用0.8m，实际厚度2.2m)，心墙下游设3.0m厚砂岩过渡层。大坝高程1028.37m处为增强体槽孔施工平台，平台宽18m。1028.37m至坝顶高程之间采用现浇混凝土心墙，两种施工方式的心墙之间采用钢筋连接。大坝采用新鲜、弱风化、强风化砂岩堆石分区填筑。下游1010.00m以下坝坡铺设1.0m厚大块石护坡以增强坝基排水性能。大坝分区横部图如图1所示。

图1 仓库湾增强体土石坝横断面示意

根据参考文献[1]和[2]，纵向增强体具有防渗、受力和抵抗变形三种作用，本文重点研究这种新坝型在仓库湾水库设计中的应用。

2 纵向增强体防渗设计

纵向增强体土石坝防渗体系为沿坝轴线“插入”混凝土刚性防渗墙，采用增强体墙下灌浆管通过帷幕灌浆形成坝基整体防渗结构。以最大坝高剖面(H=34.15m)进行设计计算。

依据水库正常水位等特征水位和筑坝材料特性进行坝体防渗与体型设计。混凝土纵向增强体作为防渗心墙在设计上应考虑计算心墙厚度δ和心墙下游面出露并高出下游水位的h0，以及维持下游坝壳渗流稳定的最低水平宽度L2，如图2所示。

图2 增强体心墙正常渗流简图

仓库湾水库特征水位值和坝体材料参数见表1。依据参考文献[1]、[2]所列的计算公式，计算增强体有关设计值，详见表2。

表1 仓库湾水库特征水位与筑坝材料参数

表2 仓库湾水库大坝增强体设计值成果

表2增强体设计值成果表明：(1)在上游水头作用下，增强体心墙下游侧渗透水出露高程约在下游水位以上8.62m；(2)增强体心墙满足渗透稳定的最小计算厚度为0.49m；(3)计算坝体的单宽渗漏量约为3.9010-5cm3/s，满足土石坝防渗设计要求；(4)计算所得下游坝壳维持渗透稳定的最小宽度为L2=8.80m，说明坝体边坡设计应以强度稳定性为控制因素，所以L1、L2坝底宽度、应由强度稳定性计算决定。

本次设计心墙厚度计算结果为0.49m，考虑到本坝型刚刚开始用于工程实际，有关观测数据和工程积累较少，为了充分考虑工程安全，并满足机械施工要求，心墙厚度参照方田坝水库[2]，取为0.8m，待工程建成后增强相关渗流观测，以期对后续建设项目提供相应的理论支持，达到更加安全、经济的目的。

3 纵向增强体变形计算

该坝型的变形分析主要侧重两方面，一是上下游坝体填筑料相对于增强体心墙产生的向下的沉S；二是竣工期和蓄水运行期两种工况增强体心墙顶部的扰度y0、转角θ0等变形指标。

3.1 坝体沉降计算

根据参考文献[1]、[2]提供的计算公式：

(1)

最大沉降发生在坝高(1-n)H处，其值为：

(2)

式中：H——坝高，H=34.15m；

n——邓肯-张模型参数之一；

z——坝高变量；

Es0——筑坝料压缩模量初始值，取75MPa；

ρ——筑坝料平均密度。

具体参数详见表3。经过计算，坝顶沉降s=3.89cm，最大沉降Sm=5.27cm。

3.2 增强体变形计算

按竣工期和蓄水运行期分析增强体的受力情况，由于增强体为相对刚性材料，上下游坝体填筑料为相对柔性的材料，因而增强体在一定程度上改变了土石坝的应力与变形状况，其受力简图如图3所示。按照文献[1]的计算思路，T点以上至坝顶的通填区对增强体心墙的变形有限制作用，为了简化计算，将该部分力作为安全储备，在进行变形计算时，只考虑水平方向的受力。将增强体做为单位延向米的竖向的悬壁梁，如不计沿坝轴线方向的受力约束，这样从变形分析上讲，增强体顶部T点变位最大，故只对T点进行复核计算。

图3 增强体受力简图

根据挠曲微分方程[4]，可分别求得心墙顶部的转角θT和扰度yT等计算公式[1]，计算参数与计算结果分别见表3、表4。

表3 增强体变位计算参数

表4 增强体顶端变位值计算结果

注：表中上脚标(s)、(y)分别表示竣工期、运行期；转角单位为弧度，“-”值表示向上游。

从计算结果可以看出：(1)T点变位很小，在相应材料的允许范围内；(2)竣工期顶端变位很小，运行期的扰度和转角是竣工期的7～8倍；(3)运行期T点向上游偏转，表明上游土、水荷载作用于增强体并使其产生弯曲，表现在顶端产生向上游的偏移。

4 纵向增强体受力分析

由于在土石坝中“插入”了刚性的纵向增强体，因而导致土石坝中的应力状态发生变化，梁军等人[2，5]引入挡土墙理论，将增强体视为置于坝体中的一道挡土墙，其底部为固定端，顶部为自由端，如同一道薄薄的混凝土坝，只有依靠上下游堆石体提供强大的“围护”作用才能发挥作用。设计计算主要考虑三点，一是增强体作为挡土墙在不同工况下的受力表现，上下游的水平荷载都集中在墙体，采用受力安全系数来描述这一情况，并规定其值为被动力与主动力之比；二是不同工况下增强体底部的受力状态，主要复核底部受力不能超过材料的力学强度；三是增强体的结构配筋计算。

4.1 增强体受力复核

由于竣工期增强体“不偏不倚”地置于坝体中，起着承受上下游坝体荷载与抵抗变形的作用，增强体处于静止受力状态，此时增强体总是安全稳定的。本文仅复核蓄水运行、水位骤降二种基本荷载组合情况。

4.1.1 蓄水运行期

此时增强体受到上游水荷载水平推力和上游坝体主动土压力作用而倾向下游偏移，下游坝体则对其产生被动土压力作用。

(1)水荷载的水平推力：

(3)

式中：ρw——水的密度；

H1——计算剖面的增强体高度，为简单计，上游水头与增强体高度保持一致。

(2)上游堆石水平推力(主动土压力)：

(4)

(3)下游堆石体对增强体的被动土压力：

(5)

其余符号意义同上。

4.1.2 库水骤降期

同样，在水库水位发生骤降(卸载)，增强体就有向上游偏移的倾向，下游堆石对墙体的作用则由原来蓄水期的被动土压力变为主动土压力，而上游堆石体对墙体而言，便成为被动土压力，其最危险的工况是水荷载被卸去同时上游堆石尚未排水而整体处于饱水状态。

(1)上游饱水堆石体为被动区，其被动土压力为：

(6)

ρ1m——上游筑坝料饱和密度，ρ1m=2.4t/m3；

其余符号意义同上。

(2)下游堆石对增强体的主动土压力：

(7)

(3)水位骤降期的受力安全系数Sf(z)：

(8)

式中：上脚标(z)表示水位骤降期。

(4)说明水位骤降工况下游堆石产生的主动水平推力使增强体心墙有向上游变形的趋势，但却获得了上游饱和堆石体对增强体的抵抗，这一抗力(被动水平压力)是上游推力的2.4倍，增强体背后(即上游侧)同样具有强大的“后盾”支撑，此工况增强体也是安全的(不计底部固端约束)。

4.2 增强体底部固定端强度复核

4.2.1 增强体底部固定端强度复核

4.2.2 结构配筋计算

以上计算分析表明，按挡土墙理论在各种工况下的增强体力学性能都是安全的，底部受力并没有超过其抗压强度，墙体本身的计算应力状态较为正常，增强体无须专门的结构配筋计算，施工过程中所需的钢桁架和预埋灌浆钢管实际上已起到结构骨架的作用。

5 洪水漫顶计算

一般土石坝是不允许洪水漫顶的，但在实际运行中，由于各种原因，土石坝出现洪水漫顶冲刷也是难免的，因而研究纵向增强体土石坝洪水漫顶及其安全性能是十分有意义的。根据参考文献[6]，洪水漫顶冲刷过程如图4所示。

(a) (b)

(a) (b)

表5 洪水漫顶冲刷计算表

因此，在水库遭遇200一遇的校核洪水时，如洪水漫顶，最大冲深可达3.93m，相应时间为5.89h；在20年一遇的设计工况下，如洪水漫顶，则坝下游最大冲深3.13m，相应时间为7.24h。

6 纵向增强体冲刷后的强度复核

洪水漫顶冲刷造成下游坝体一部分筑坝料被冲失，形成冲坑(槽)如图4(d)所示，由此造成墙体下游侧一定范围(Zm)临空，增强体单独抵抗上游土水荷载作用，其冲刷坑最低点截面的受力应满足不出现破坏失稳的要求。依据文献[6]，计算出在设计与校核工况下墙体是否出现破坏失稳：

(1)在设计工况时，漫顶冲刷的深度为3.13m，分别小于墙体单独抵抗上游荷载的极限深度7.5m，因而增强体是安全的；

(2)在校核洪水发生时，由于洪水漫顶冲刷深度为3.93m，仍然小于墙体单独承受上游荷载极限深度7.7m，因而墙体也是安全的。

因此，在遭遇200年一遇洪水和20年一遇洪水下，增强体土石坝并不会产生如同常规土石所谓溃决的极端情况，因而增强体起到了抵制土石坝漫顶溃坝的结构支撑作用，表明增强体土石坝的安全运行性能比常规土石坝更为出色。

7 结论

(1)通过以上计算，纵向增强体混凝土心墙的防渗性、受力及变形条件均能够满足设计要求。并且在校核洪水情况下发生洪水漫顶，计算不会出现洪水漫顶以致溃坝的极端情况，因而坝体是安全的。

(2)纵向增强体土石坝体现了“刚柔相济、漫而不溃、危而不倒”的特点，是对土石坝筑坝理念的一种突破，也终结了原有混凝土心墙土石坝只有工程实践、没有设计理论引导的经验做法，而将此类坝型上升为一种技术理论方法。将常规的土石坝和混凝土结构结合起来，即是防渗体系，又是结构体系，为土石坝的建设提供了一个新坝型、新体系。仓库湾水库的设计应用论证了该坝型的可行性，希望能够总结更多经验，获得更加丰富的相关数据，以期进一步完善纵向增强体土石坝的相关设计准则。

本文得到了四川水利厅总工程师梁军教高的悉心指导，在此深表谢意！