王 孟

（大连河海水利水电勘测设计有限公司,辽宁 大连 116021）

1 引言

渗流及坝坡滑动破坏是挡水建筑物常见的破坏形式,对工程安全影响较大。因此,在挡水建筑物设计阶段需要对渗流及抗滑移稳定性进行分析。在渗流及抗滑移分析研究中常用的方法包括：数值模拟、理论计算等,均取得了良好的应用效果[1-3]。

2 坝体结构设计

2.1 防浪墙设计

塘坝上游侧设混凝土防浪墙,防浪墙高1.0 m,基础埋深1.0 m,墙厚0.4 m,墙顶高程为8.4 m,其中墙踵、墙趾高0.5 m,宽0.15 m,底部与复合土工膜形成封闭的防渗体。防浪墙每隔10 m设一道分缝,缝内设止水。防浪墙顶采用切割花岗岩帽石,尺寸为520 mm×120 mm（宽×厚）,防浪墙靠近坝顶路侧罩面采取切割花岗岩石板,尺寸为500 mm×700 mm×40 mm（长×高×厚）,其余位置采用镶嵌20 mm厚切割花岗岩板,防浪墙靠近库区侧罩面采取切割花岗岩石板,尺寸为500 mm×880 mm×40 mm（长×高×厚）,本次防浪墙外侧花岗岩板采用干挂型式,用M10×200、M10×250膨胀螺栓固定,相邻花岗岩石板之间通过注胶分缝,防止挤裂破碎。

2.2 坝顶及坝坡设计

蚂蚁岛塘坝坝型为复合土工膜防渗体坝,坝顶高程7.4 m,坝长43.0 m,最大坝高6.6 m,坝顶宽度4.0 m,在上游侧设高于坝顶1.0 m的混凝土防浪墙,底部与复合土工膜形成封闭的防渗体,坝顶路面采用0.2 m厚混凝土结构,向下游做成2%的坡度。大坝上游坝坡坡度为1∶2.5,大坝下游坝坡坡度为1∶2.0。上游坡面护坡形式采用0.22 m厚干砌花岗岩方整石护坡、0.20 m厚碎石垫层和0.18 m厚粗砂反滤,砂垫层下方铺设400 g/m2复合土工膜,土工膜嵌入坝基以内2 m深,护坡基础为干砌石固脚,埋深为1 m,底宽1 m、顶宽3 m。下游坝坡采用花岗岩方整石护坡,其中高程5.29 m以上护坡厚度为0.22 m,高程5.29 m以下护坡厚度0.4 m,护坡下方铺设0.2 m厚碎石垫层,垫层下方铺设400 g/m2无纺布反滤,碎石护坡自坝顶护至与棱体排水连接处。

坝体下游排水采用棱体排水,自坝脚设至坝体浸润线以上1.0 m。棱体排水自坝体向外依次设置0.15 m厚粗砂垫层、0.15 m厚碎石垫层以及堆块石排水棱体,棱体顶宽2 m、高2.5 m,内坡坡比为1∶1,外坡坡比为1∶1.5,考虑防潮需求和计算,排水棱体主体块石粒径为300 mm～400 mm,块石采用干砌石块石,强度不低于MU40,外侧干砌单层粒径为400 mm的花岗岩方整石。棱体排水下游设施石笼防冲护坦,尺寸为38 m×5 m×0.5 m,下方铺设400 g/m2无纺布反滤。

（1）上游护坡反滤层设计

上游护坡反滤层计算公式如下：

式中：D为石块的换算球形直径,m；Q为石块的质量,t；D50为石块的平均直径,m；Q50为石块的平均质量,t；t为护坡厚度,m；m为护坡坡比；Kt为随坡率变化的系数；ρk为块石密度,t/m3；ρw为水的密度,t/m3；Lm为平均波长,m；hp为累计频率为5%的波高。

经计算,护坡厚度为0.18 m（设计工况控制）,考虑受坝体防洪和防潮双向影响,为保证安全,本次设计上、下游坝坡方整石厚度取0.22 m。

（2）下游护坡反滤层设计

斜坡堤干砌石护坡的护面厚度t（m）可按下式计算：

式中：K1为系数,条石或方整石取0.225；rb为块石的重度,kN/m3；取27 kN/m3；r为水的重度,kN/m3；取10 kN/m3；H为计算波高,m,当d/L≥0.125时,取H4%；当d/L＜0.125时,取H13%；d为堤前水深,m。

将各参数代入上式中,计算得t=0.26 m。结合险工护岸工程的实际经验,护坡厚度确定为0.40 m。

3 塘坝渗流计算

（1）建筑物等级

蚂蚁岛塘坝参照为V等工程,正常运用设计洪水标准为10年一遇,非常运用校核洪水标准为20年一遇。根据相应规定,土坝按5级建筑物进行渗流稳定计算。

（2）水位资料

校核洪水位6.95 m,下游水位0.00 m；设计洪水位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）坝体及坝基材料渗透系数（表1）

表1 主坝坝体材料渗透系数统计表

（4）大坝全长43 m,坝体及坝基情况基本一致,渗流复核选取大坝最高断面。

图1 渗流计算简图

（5）渗流计算边界及计算工况

塘坝为复合土工膜防渗体坝,坐落在粉质黏土基础上,覆盖层厚度约1 m左右,塘坝基础粉质黏土可视为相对不透水层。

大坝渗流计算工况如下：①上游正常蓄水位与下游不利水位：6.30 m（上游）+下游无水；②上游设计洪水位与下游不利水位：6.83 m（上游）+下游无水；③上游校核洪水位与下游不利水位：6.95 m（上游）+下游无水。

（6）渗流及渗透稳定计算

对于稳定渗流,符合达西定律的非均各向异性二维渗流场,水头势函数满足微分方程二维渗流方程：

式中：Kx、Ky为x向和y向的渗透系数；H为渗流场中某一点的渗压水头,m。

渗流计算成果见表2。

表2 渗流计算成果

渗流量按正常蓄水水位计算为19.38 m3/d（渗漏坝基长43.0 m）。

从2表可以看出,由于均质坝渗透系数相对较大,浸润线呈缓慢下降趋势,复合土工膜渗透系数小,浸润线降幅较大,溢出点位于棱体排水体内[4-6]。

现状棱体排水高度2.5 m,满足正常蓄水工况下逸出点高程要求。

（7）渗透稳定计算

渗透变形型式判别采用《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）中附录G的方法判别。

坝体粉土渗透变形类型为流土。

流土临界水力坡降：

允许比降：

式中：Jcr为土的临界水力比降；Gs为土的颗粒密度与水的密度之比；K为安全系数,根据工程重要性选取1.5。

根据土工试验成果,粉土比重为2.69,孔隙比0.853,孔隙率为46.0%。

经计算,坝体粉土允许比降为0.61。

渗透稳定计算成果见表3。从表3得知：渗透比降均小于允许比降,坝体及坝基渗透稳定均满足要求。

图2 正常蓄水位渗流

表3 渗透稳定计算成果表

4 坝体抗滑稳定验算

大坝全长43.0 m,坝体及坝基情况基本一致,稳定复核选取大坝最高断面。坝体及坝基材料稳定计算参数见表4。

表4 坝体材料稳定计算参数表

（1）计算工况的确定

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）规定,核算大坝稳定工况如下：

①上游坝坡

正常运用条件：库水位降落时（库水位从设计洪水位降至正常高水位）。

非常运用条件I：空库运行期；库水位降落时（库水位从校核洪水位降至正常高水位）。

非常运用条件II：正常运用条件遇地震。

②下游坝坡

正常运用条件：正常高水位稳定渗流期；设计洪水位稳定渗流期。

非常运用条件I：空库运行期；校核洪水位稳定渗流期。

非常运用条件II：正常运用条件遇地震。

（2）坝坡稳定计算采用程序

计算方法采用简化毕肖普法,计算稳定渗流期或水库水位降落期的安全系数计算公式：

式中：W为土条重量,kg；μ为作用于土条底面的孔隙压力,N；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角,（°）；b为土条宽度,m；c'、φ'为土条底面的有效应力抗剪强度指标。

（3）坝体边坡稳定计算成果

坝体边坡稳定计算成果见表5。

表5 大坝坝体边坡稳定计算成果表

从表4可以看出,大坝在抵御洪水标准下各工况均满足大坝最小抗滑稳定安全系数要求。

5 结论

（1）均质坝渗透系数相对较大,浸润线呈缓慢下降趋势,复合土工膜渗透系数小,浸润线降幅较大,溢出点位于棱体排水体内。现状棱体排水高度2.5 m,满足正常蓄水工况下逸出点高程要求。

（2）计算结果表明渗透比降小于允许比降,坝体及坝基渗透稳定均满足要求。

（3）大坝在抵御洪水标准下各工况均满足大坝最小抗滑稳定安全系数要求。