陈鸿亮

（农二师设计院有限责任公司，新疆 库尔勒 841000）

恰拉水库大坝防浪护坡的稳定性分析

陈鸿亮

（农二师设计院有限责任公司，新疆 库尔勒 841000）

文中对恰拉水库大坝混凝土防浪护坡进行了稳定性分析，水库大坝护坡在风浪作用下引起破坏的主要原因是板上风浪压力、板下上托力和板上、板下水的静水压力及板自重。运行期考虑风浪作用时，护坡板的厚度不能满足抵抗风浪的要求，不能满足抗倾稳定要求。文中分析了致使护坡失稳下滑的原因，并给出了解决措施。

稳定性分析；防浪护坡；恰拉水库

1　工程概况

恰拉水库位于新疆天山南麓塔里木盆地东北边缘，塔河下游“绿色走廊”上段恰拉区域，巴音郭楞蒙古自治州尉犁县境内，距库尔勒市120 km。该水库是一座平原灌注式水库，修建于1958年，改扩建后水库设计库容1.61×108m3，设计水位875.00 m，死水位870.20 m，坝体总长28.27 km，属大（2）型水库。水库大坝护坡防渗结构采用了一布一膜（膜/布=0.5 mm/200 g），现浇混凝土板护坡，防冻采用苯板保温形式。主坝B坝段护坡结构分为3段：上部预制混凝土加糙板护坡，护坡结构从上往下依次为C20混凝土加糙板10 cm，M5砂浆找平层2 cm，一布一膜（膜/布=0.5 mm/200 g）；中部钢筋混凝土L型板护坡，护坡结构从上往下依次为C30混凝土板厚20 cm，保温苯板厚6 cm，一布一膜；下部现浇混凝土板护坡，护坡结构从上往下依次为C20混凝土板厚15 cm，保温苯板厚4 cm，一布一膜，坡脚设有混凝土阻滑墙。

2005年6月25日，恰拉水库新建坝段（B坝段）蓄水位872.70 m（素混凝土护坡段分离缝以下0.3 m），早8时左右遭遇大风，风速为23～24 m/s。此情况下，水库B坝2+080～4+860 m坝段的部分现浇素混凝土板中的第一块被风浪掀起后滑落库中，还有部分护坡板下滑0.1～0.5 m。鉴于次工况运行条件下大风对护坡的破坏，需对水库大坝混凝土护坡进行稳定性分析计算。情的主要原因是由于风浪引起的，水库大坝护坡在风浪作用下引起破坏的主要原因是风浪拖曳力、吸拔力和板下水的扬压力。因此对已破坏的护坡板主要从板自身和风浪作用下的稳定性两方面进行分析计算。

根据工程地质勘察资料，恰拉水库B坝段土质资料：γ，土壤的干容重，1.7 t/m3；φ，土壤的内摩擦角，30.83°；c，土壤的粘聚力，6.3 kPa；γ1，土壤的浮容重，0.7 t/m3；θ，土壤的水下内摩擦角，25.83°。

通过对水库大坝护坡各层面的直剪试验研究，其实验成果见表1。

2　对已破坏护坡的稳定性分析

由于此次恰拉水库新建坝段（B坝段）出现险

2.1护坡板自身抗滑稳定性分析

水库B坝段迎水坡坡度为1∶2.5，设混凝土板护坡厚度为h；沿坝坡轴向的分缝长度为a；沿坝坡坡向的分缝长度为b。对单块板进行受力分析，计算简图如图1。

沿着坝坡方向取力的平衡得，N-Gcosα=0，即N=Gcosα。

安全系数K=fN/Gsinα=f/ctanα

式中：G为混凝土板的自重；N为坡向阻滑力；α为坝坡坡角。

恰拉水库为大（2）型水库，按碾压式土石坝设计（SL274-2001），其结构稳定的安全系数为1.35。故要使护坡板在坝坡上保持平衡，必须有混凝土与苯板、苯板与土工膜、土工膜与基土之间均满足稳定要求。

图1　单板计算简图

根据水库大坝护坡各层面的直剪试验研究的成果，对护坡板自身稳定性计算如表2。

表2　恰拉水库护坡结构自身稳定安全系数

通过计算，在静力学条件无外力支撑条件下，水库护坡板自身可以保持稳定，但其稳定的安全系数不满足规范要求。

2.2坡脚阻滑墙抗滑稳定的分析计算

施工中先修建坡脚阻滑墙，再由下向上浇筑混凝土板，在稳定的分析计算中，应考虑阻滑墙的作用，阻滑墙结构尺寸见图2。

对单宽阻滑墙进行受力分析，计算简图如图3。

图2　阻滑墙结构图

图3　阻滑墙受力简图

对水平方向取平衡得，P1-Ncosα=0，在护坡板沿坝坡方向下滑力作用下，阻滑墙下的土体将产生被动土压力，计算被动土压力考虑如下两种情况。2.2.1阻滑墙后填土不饱和情况

根据工程地质资料，工程的上坝土料的粘性较小，在后面的被动土压力计算时，假设成为非粘性土，使计算得以简化。α为墙背与竖直线的夹角，以竖直线为准，顺时针为负，逆时针为正，α=0；β为填土与水平面之间的夹角，水平线以上为正，水平线以下为负，β=0；δ为墙背与填土之间的摩擦角，这里取δ=0，可按朗肯土压力理论计算被动土压力。

式中：H为墙高，0.8 m；Kp为朗肯被动土压力系数；α′为墙背与竖直线的夹角，以竖直线为准，顺时针为负，逆时针为正，α′=0。

要使护坡板保持平衡，必须有护坡板自重沿坡向向下的分力与护坡向上的摩擦力和阻滑墙沿护坡向上支撑力保持平衡。考虑阻滑墙作用的抗滑稳定安全系数计算式为：

2.2.2阻滑墙后填土饱和情况

墙后填土饱和时，计算被动土压力时采用土的浮容重和土的水下内摩擦角，同时要考虑水压力的作用，抗滑稳定安全系数计算式为：式中：γw为水的重度，t/m3。考虑阻滑墙作用且墙后填土上述两种情况时，混凝土护坡板抗滑稳定安全系数计算结果见表3。

从表3的结果得出，如考虑阻滑墙作用的情况下，抗滑稳定安全系数均能够满足规范K≥1.35之要求。根据护坡板在施工期、运行期均无下滑的现象分析，护坡板在无风浪作用情况下是稳定的。

表3　考虑阻滑墙作用后护坡板抗滑稳定安全系数值

3　运行期考虑风浪作用下护坡板的稳定分析

水库大坝护坡在风浪的作用下引起破坏的主要原因是，板上风浪压力、板下上托力和板上、板下水的静水压力及板自重。恰拉水库为平原灌注式水库，其特点是水浅坝长，水面宽度较大、吹程较长等，选用莆田试验站公式计算，结果见表4。

表4　恰拉水库大坝（B坝段）风浪爬高及护坡厚度计算成果一览表

素混凝土护坡在风浪作用下的稳定性分析计算按《土坝设计（上册）》第六章，混凝土板护坡设计的公式计算。考虑作用于板上的力有5种：板上波浪压力；板下上托力；板上静水压力；板下静水压力；板自重（含苯板浮力）。

3.1板上浪压力计算

计算混凝土板的稳定性时，需要考虑的是当波浪从坡面下拖时，板上的浪压力小了而板下的上托力却大了的情况。此时，板面上最大局部波浪压力按公式（6）计算，波浪压力分布按公式（8）计算，计算结果见图4。为计算安全起见，板的下部边缘应考虑位于静水位下hy处，因此点板上浪压力系指向坡外的引力，系最大值。式中：hy为最大压力点深度；x为以板的最低点为原点沿板面计算的坐标距离；η，m为系数，m=2.0～3.5，η=1.0；2 h为波浪高度。

3.2板下的上托力计算

板下的上托力按下列公式逐步计算，计算库水位为872.70 m时上托力分布见图5。

图5　板下的上托力示意图

式中：hB为波浪爬高。板下的上托力呈梯形分布，最大压力等于0.85 h。

3.3板上、下静水压力计算

板上最大静水压力为γhy，板上最大静水压力为γ（hy+t）。式中t为板厚在垂直方向的高度。

3.4板自重（含苯板浮力）计算

为防止混凝土护坡板冻涨破坏，在其下设有4 cm厚的苯板，在板下有水情况下，苯板对护坡板将产生一定的浮力，苯板体积质量为20 kg/m3，在不考虑自重的情况下，其产生的体积浮力为430 N/m3。

将风浪作用下所得的各种力分别对板的下缘点进行力矩计算，其结果如下：

1）浪压力力矩为：-2.16×0.59=-1.27 kN·m；

2）板下的上托力力矩为：（-4.44×0.92/2）×（0.92/3×2+1.79）+［-4.44× 0.285×（1.79+0.92+0.285/2）］=-8.06 kN·m；

3）板上、下静水压力力矩为：

（3.64×2.19/2）×（2.19/3）=2.91 kN·m，

（-5.9×2.76/2）×（2.76/3）=-7.49 kN·m；

4）板自重、苯板浮力力矩为：

24×t×3×1.393=100.3 t/（kN·m）；

-0.43×3×1.393=-1.80 kN·m。

在不考虑安全系数的情况下，以上各力力矩的和为零，混凝土护坡板在风浪作用下是稳定的，计算板厚t为：

-1.27+2.91+100.3 t-8.06-7.49-1.8=0

t=0.16 m

水库护坡板原设计厚度为0.15 m，不能满足抵抗风浪的要求，护坡板在风浪作用下处于不稳定状态。

4　加固措施分析

上述分析可以看出，致使护坡失稳下滑的主要原因是：板下的上托力和板下静水压力，而上托力又与波浪在护坡上的爬高有关。要解决此问题，需从两方面考虑：1）增加护坡板的厚度和重量，使板在风浪的作用下自身能够稳定；2）消减波浪在护坡上的爬高或在板上设置排水孔来减小上托力、板下静水压力。

5　结　　语

本文对恰拉水库大坝混凝土防浪护坡的稳定性进行了复核计算，发现水库大坝混凝土防浪护坡在阻滑墙的作用下是满足抗滑稳定的，施工中有下而上先修建阻滑墙后浇筑混凝土板是满足要求的。

运行期考虑风浪作用时，护坡板的厚度不能满足抵抗风浪的要求，处于失稳状态，不能满足抗倾稳定要求。

［1］碾压土石坝设计规范［M］.北京：水利电力出版社，2002：48—57.

［2］土坝设计（上册）［M］.北京：水利电力出版社，1978：443—447.

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