冯立平

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

东许水库大坝设计分析

冯立平

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

介绍了东许水库工程概况，通过对工程大坝设计情况的分析，综合考虑地形、地质、材料及管理因素，确定采用碾压均质土坝，阐述了碾压均质土坝选址、坝型确定、筑坝材料选择、坝基处理等设计过程，可为类似工程大坝设计提供借鉴。

碾压均质土坝；大坝设计；东许水库

1 工程概况

东许水库位于孝义市梧桐镇东许村北侧东许河上，距孝义市区约10km。东许河为孝河一级支流，发源于孝义市大会村，自西向东流经下智峪、西许、王家庄水库后汇入孝河。全长15.6km，流域面积20.6km2，坡降14.8‰。水库总库容358万m3，大坝采用碾压式均质土坝，最大坝高34m。水库规模为小（一）型，工程等别Ⅳ等，大坝为4级，临时建筑物为5级。

2 坝址坝型选择

东许水库位于孝义市梧桐镇东许村北侧约800m的东许河上。该处河谷呈“S”形，谷底宽约70m。河床地形较为平缓，地面高程793.0～798.0m。主河槽位于右侧，左侧为河漫滩，宽约40m。库区左岸有天然冲沟，适宜布置泄洪建筑物，两河连通条件较好。

从地质条件来看，坝址左右两岸均为土质岸坡，河床及河漫滩堆积有第四系全新统洪冲积和中更新统洪冲积级配不良砾、卵石混合土等，厚16～18m，坝基覆盖层深厚，两岸均为土质岸坡，没有建设重力坝和面板坝的条件。从建筑材料来看，坝址附近无岩石出露，土料丰富，适合修建土坝，因此确定东许水库大坝为碾压均质土坝。

3 大坝设计

大坝轴线为曲线型，凸向下游，坝长286m，坝顶高程827m，最大坝高34m，坝顶宽8m。上游布置浆砌石防浪墙，高1.2m，水库正常蓄水位824.00m，设计洪水位824.04m，校核洪水位824.85m。

3.1 坝顶高程

坝顶高程827.0m，考虑1.2m高的浆砌石防浪墙，相应防浪墙顶高程为828.2m。

3.2 坝顶构造

大坝坝顶长286m，宽8m。坝顶公路为沥青路面，路面横向坡度2%，坡向下游，以便于坝顶排水。坝顶上游侧设宽0.3m、高1.2m的浆砌石防浪墙，墙顶高程828.2m，防浪墙伸入坝体1m，坝顶下游侧设纵向浆砌石排水沟兼作坝顶公路下游路缘，与下游坝坡横向排水沟相通。

3.3 坝坡设计

大坝上游坝坡1∶3，不设马道。下游高程800.0m以上坝坡1∶2.5，在高程813.0m处设一级马道，宽2m。河床段下游坝脚设置堆石排水棱体，排水棱体顶高程800.0m，顶宽2m，上游边坡1∶1.5，下游边坡1∶1.5。排水棱体与坝体填土间设有反滤层，反滤料采用中砂和细砾，厚度均为500mm。为防止坝体土与坝基混合土卵石之间发生渗透，河床段坝基防渗墙下游坝体与坝基覆盖层间设反滤层，反滤料采用中砂、细砾，厚度均为300mm。

大坝上游坝面采用干砌石护坡，护至坝脚。干砌石护坡厚40cm，护坡与坝体土间设置一层30cm厚砂卵石垫层，大坝下游坝坡采用草皮护坡。

3.4 基础处理

坝基河床及河漫滩为第四系全新统洪冲积和中更新统洪冲积物，表层为淡黄色低液限粉土，厚1～2.5m，其下为级配不良砾、卵石混合土等，厚16～18m，且在坝基及上下游连续分布。据钻孔注水及探坑渗水试验，该级配不良砾、卵石混合土等的渗透系数为13.7～26.7m/d，平均值为17.5m/d，具强透水性。下伏基岩为二迭系上统石千峰组紫红色、砖红色泥岩夹薄层状暗红色粉细砂岩及砾岩。据钻孔压（注）水试验，下伏基岩的渗透系数为0.8～1.6m/d，具弱—中等透水性。

坝基表层低液限粉土厚度小，含植物根系。河床左侧岸坡较陡，局部陡立，坡度为40°～60°。右侧岸坡较缓，坡度一般为25°～45°，局部较陡，受岸坡卸荷及雨水冲刷淘蚀影响，地表沟壑纵横，土体宽大裂隙发育。坝体填筑前，应清除坝基表层低液限粉土和含植物根系的级配不良砾、卵石混合土等，将坝体置于下部较为密实的低液限黏（粉）土和级配不良砾之上，并对其进行压实处理；两岸土质岸坡应清除表面腐殖土，对右坝肩地表沟壑纵横，土体中宽大裂隙发育段全部挖除，并对其下土体进行压实，将坝头嵌入左、右两岸低液限黏土中。两岸坡开挖坡度不得陡于1∶1.5，两岸坡变坡角控制在20°以内。

水库蓄水后，坝基级配不良砾及卵石混合土层构成坝基渗漏层，为坝后渗流提供了条件。在渗透压力作用下，坝基级配不良砾、卵石混合土可能产生渗透变形。为截断坝基渗漏通道，在河床段桩号0+158.5—0+237范围坝基覆盖层内布置塑性混凝土防渗墙。防渗墙位于坝体上游侧，距坝轴线25.0m，墙长78.5m，墙厚0.8m。墙顶部伸入坝体2m，底部伸入基岩2m，墙顶高程795.0m，墙底高程773.0m，墙高22m。

3.5 坝体填土设计

根据地质勘察成果，上坝土料选定距坝址300～400m的左、右岸两个取土场。

左岸土料场位于库区东许河左岸一山梁处，距离大坝约400m，该土料场的出露地层为第四系中更新统洪积紫红色低液限黏土，天然含水率低于土料的最优含水率，击实后渗透系数偏大，施工时应对料场上部土体适量加水。该土料场有用层储量约95万m3。

右岸土料场位于库区东许河右岸一山梁处，距离大坝约280m。该土料场的出露地层为第四系中更新统洪积紫红色低液限黏土，天然含水率低于土料的最优含水率，击实后渗透系数偏大，施工时应对料场上部土体适量加水。该土料场有用层储量约98万m3。

黏性土的填筑标准以压实度和最优含水率作为设计控制指标，根据《建筑地基基础设计设计规范》要求，压实度取97%，设计最优含水率取试验最优含水率的平均值，经计算，最优含水率为14.8%。填筑含水率范围应控制在最优含水率的+3%～-2%之间。为增强土料的塑性，便于与刚性基础连接，在坝基塑性混凝土防渗墙顶部，填筑含水率应稍高于最优含水率，控制在最优含水率的+3%～+1%之间。上坝土料含水量的调节应在料场进行。每层土料填筑厚度30cm，压实机械采用凸块振动碾，层面结合采用刨毛处理。

3.6 坝面及岸坡排水

大坝坝顶下游侧设一道浆砌石排水沟，作为坝面排水。在下游坝坡马道及坝脚均设一道纵向浆砌石排水沟；下游坝坡沿坝轴线每50m左右设一道横向排水沟与纵向排水沟连通，在大坝下游汇流入排水沟后导入下游河道。同时在左右坝端与两岸黄土台地连接处设浆砌石排水沟，以防黄土岸坡坡积水冲刷坝体。

3.7 大坝渗透稳定分析

3.7.1 渗流稳定计算

渗流计算采用河海大学开发的水工结构有限元分析系统计算，计算采用有限元法。计算断面选用坝体最大坝高横断面。计算参数根据土工实验成果并结合三轴试验结果确定，见表1。

表1 土坝渗流计算参数表

坝体、坝基及防渗墙的最大水力比降见表2。

表2 大坝渗流稳定计算成果表

由表2可以看出，各水位下、坝基坝体土以及岸坡台地出逸点渗透坡降均小于允许水力比降，大坝渗流满足规范要求。

3.7.2 大坝坝坡抗滑稳定计算

大坝坝坡抗滑稳定采用河海大学开发的水工结构有限元分析系统计算，计算方法为计及条块间作用力的简化毕肖普法。根据《碾压式土石坝设计规范》要求，在稳定渗流期计算采用有效应力法计算，施工期和水位降落期计算同时采用有效应力法和总应力法计算，以较小的安全系数为准。

依据《碾压式土石坝设计规范》，本次抗滑稳定计算考虑以下四种工况：竣工期的上、下游坝坡；稳定渗流期的上、下游坝坡（上游坝坡稳定计算水位取不利水位，为813.5m）；库水位降落期的上游坝坡；正常运用遇地震的上、下游坝坡（上游坝坡稳定计算水位取不利水位，为813.5m），计算断面选择坝体最大断面。计算参数根据土工实验成果并结合三轴试验结果确定。结果见表3。

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1004-7042（2016）06-0041-02