徐 進(jìn)
(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)
山西省萬(wàn)家寨引黃入晉工程北干線由分水閘起向東,經(jīng)偏關(guān)、平魯、朔州、山陰、懷仁至大同市附近趙家小村水庫(kù)止,線路全長(zhǎng)161.115 km。北干線近期工程按年輸水量2.96億m3的規(guī)模建設(shè),根據(jù)水資源供需平衡,考慮年調(diào)節(jié)和引黃各個(gè)供水區(qū)事故備用相結(jié)合的原則,在北干沿線選擇了大梁、耿莊、尚希莊和趙家小村四座調(diào)節(jié)水庫(kù),總調(diào)節(jié)庫(kù)容為3 158萬(wàn)m3。其中尚希莊水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容1 005萬(wàn)m3,總庫(kù)容1 055萬(wàn)m3。主要建筑物有大壩、水庫(kù)進(jìn)水口、出水口、山陰供水口(泄水口)以及泄水明渠等。
尚希莊水庫(kù)大壩呈環(huán)型布置,為半挖半填型平原圍封水庫(kù),壩軸線總長(zhǎng)3 992.6m,壩型為碾壓均質(zhì)土壩。水庫(kù)最高蓄水位1 114.50 m,死水位1 103.05 m,壩頂高程1 116.00 m,寬度6.0 m,最大壩高17 m,上游壩坡 1∶2.5,下游壩坡 1∶2.0。
依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》,壩頂高程等于水庫(kù)靜水位與壩頂超高之和。其數(shù)值按最高蓄水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表1。
表1 尚希莊水庫(kù)壩頂高程計(jì)算成果表
根據(jù)表1成果,考慮1.20 m高的漿砌石防浪墻,壩頂高程1 116.00 m,防浪墻頂高程1 117.20 m。
壩頂長(zhǎng)3 992.6 m,寬度因無(wú)特殊要求,定為6 m,壩面鋪設(shè)150 mm厚的預(yù)制C30F200混凝土塊,下墊300 mm厚的碎石墊層。大壩上游壩肩設(shè)頂寬0.5 m、高1.2 m漿砌石防浪墻,墻頂高程1 117.20 m,防浪墻伸入壩體1.8 m,表面用20 mm厚的水泥砂漿抹面。壩面橫向坡度2%,坡向下游,大壩下游壩肩沿大壩軸線方向設(shè)漿砌石縱向排水溝。
大壩上游壩坡比為1∶2.5,采用150 mm厚預(yù)制六邊形C30F200混凝土防護(hù),下設(shè)土工布反濾層,反濾層下鋪設(shè)300 mm厚細(xì)砂墊層,墊層下為防滲復(fù)合土工膜,復(fù)合土工膜為二布一膜,其中膜厚0.5 mm,土工布采用長(zhǎng)絲針刺土工布,復(fù)合土工膜單位面積質(zhì)量0.9 kg/m2;下游碾壓斷面壩坡 1∶2.0。
依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》,結(jié)合本調(diào)蓄水庫(kù)的運(yùn)行特點(diǎn),大壩滲流按以下兩種工況計(jì)算:
工況一:上游最高蓄水位1 114.50 m,下游最低水位1 100.00 m。
工況二:庫(kù)水位由最高蓄水位1 114.50 m降落至1 100.00 m,驟降速度平均為1.96 m/d。
計(jì)算三種斷面:最大壩高(17 m)斷面3+620.4壩后有壓重、最大壩高(17 m)斷面3+620.4壩后無(wú)壓重、壩后無(wú)壓重的最大壩高(12.3 m)斷面。
2.4.1 滲流計(jì)算參數(shù)
壩基低液限黏土、低液限粉土及粉土質(zhì)砂層可能發(fā)生的滲透變形為流土,允許水力比降J允許=0.45。壩基卵石混合土可能發(fā)生的滲透變形為管涌,允許水力比降J允許=0.20。
2.4.2 計(jì)算假設(shè)
計(jì)算假設(shè)上游防滲復(fù)合土工膜全部失效,由壩體防滲考慮;若相鄰兩地基土層滲透系數(shù)相差10倍,可視為不透水層。
2.4.3 計(jì)算方法
滲流計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正巖土計(jì)算程序5.0版》
2.4.4 計(jì)算結(jié)果及分析
計(jì)算得尚希莊水庫(kù)每天滲漏量約62 285 m3。
滲流分析:若大壩不設(shè)防滲體,每天的滲漏量為62 285 m3,作為遠(yuǎn)距離輸水供水工程,如此大的滲漏量是非常不經(jīng)濟(jì)的,因此,對(duì)整個(gè)尚希莊水庫(kù)大壩樞紐來(lái)講,防滲尤為重要。
滲透穩(wěn)定分析:由計(jì)算結(jié)果可知,壩體滿足滲透穩(wěn)定,壩基滲透比降超過(guò)規(guī)范規(guī)定的允許值,建議大壩坡腳設(shè)置排水體,防止?jié)B流出逸處發(fā)生滲透變形。
依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001),結(jié)合本調(diào)蓄水庫(kù)的運(yùn)行特點(diǎn),尚希莊水庫(kù)大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)考慮以下三種工況(計(jì)算假設(shè)上游防滲復(fù)合土工膜全部失效):
工況一:水庫(kù)位于最高蓄水位1 114.50 m時(shí),核算大壩上、下游壩坡的穩(wěn)定;
工況二:水庫(kù)水位降落時(shí)核算上游壩坡的穩(wěn)定;
工況三:水庫(kù)最高蓄水位(1 114.500 m)遭遇Ⅶ度地震時(shí)的上、下游壩坡的穩(wěn)定。
2.5.1 計(jì)算參數(shù)
尚希莊水庫(kù)壩型為碾壓均質(zhì)土壩,壩頂寬6.0 m,最大壩高17 m,大壩上游邊坡1∶2.5,下游碾壓斷面邊坡1∶2.0。壩頂高程1116.00m,最高蓄水位1 114.50m,死水位1 103.05 m。
尚希莊水庫(kù)大壩為2級(jí)建筑物,依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》,正常運(yùn)用條件壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.35;水庫(kù)水位非常驟降時(shí)最小安全系數(shù)為1.25,與地震組合的非常運(yùn)用條件壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.15。設(shè)計(jì)地震烈度Ⅶ度。
2.5.2 計(jì)算方法
抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《穩(wěn)定計(jì)算分析軟件》(理正巖土5.0版),計(jì)算方法采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法。
2.5.3 計(jì)算結(jié)果
計(jì)算選三種斷面:最大壩高(17 m)壩后有壓重和壩后無(wú)壓重、壩后無(wú)壓重的最大壩高(12.3 m)斷面。
抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2。由計(jì)算結(jié)果可知,各種計(jì)算工況,壩體均滿足抗滑穩(wěn)定要求。
表2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表
2.5.4 壩坡土工膜防滲體的穩(wěn)定
因筑壩土料滲透系數(shù)較大,上游壩坡采用復(fù)合土工膜防滲。復(fù)合土工膜上鋪設(shè)300 mm厚細(xì)砂墊層,砂墊層上鋪設(shè)一層土工布反濾,土工布上鋪設(shè)150 mm厚預(yù)制六邊形C30混凝土防護(hù)塊,大壩上游壩坡1∶2.5。
土工膜穩(wěn)定性驗(yàn)算,僅針對(duì)防護(hù)層、上墊層與土工膜之間的抗滑穩(wěn)定,驗(yàn)算最不利工況為水庫(kù)水位驟降。計(jì)算依據(jù)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》,計(jì)算結(jié)果得:K=1.45>1.20,滿足抗滑穩(wěn)定要求。為了增強(qiáng)復(fù)合土工膜防滲體的穩(wěn)定性,在鋪設(shè)時(shí),壩坡設(shè)置呈臺(tái)階形。
土壩應(yīng)進(jìn)行沉降分析,根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算壩體和壩基的沉降量,計(jì)算方法為分層總和法。
壩體土選用干密度1.74g/cm3的低液限黏土和干密度1.74g/cm3的低液限粉土兩種土料來(lái)計(jì)算;壩基選取較高壩段樁號(hào)2+920.4~3+020.4、地基土無(wú)濕陷性,和較高壩段樁號(hào)3+220.4~3+320.4、地基土具自重Ⅱ級(jí)(中等)濕陷性。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,建議地基進(jìn)行加固處理,消除不均勻沉陷;壩體考慮竣工后的沉降量,施工預(yù)留沉降超高1.0m。