杏花村水庫環(huán)形堤壩設(shè)計綜述

李云麗

（呂梁市水利勘測設(shè)計研究院，山西 呂梁 033000）

杏花村水庫環(huán)形堤壩設(shè)計綜述

李云麗

（呂梁市水利勘測設(shè)計研究院，山西 呂梁 033000）

闡述了汾陽市杏花村水庫環(huán)形堤壩工程地質(zhì)情況，對環(huán)形堤壩壩坡穩(wěn)定進行了分析，結(jié)合地質(zhì)情況計算確定了正常運用條件下和非正常條件下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)，并對環(huán)形堤壩滲透穩(wěn)定進行了分析，根據(jù)計算結(jié)果，壩坡穩(wěn)定和大壩滲透均滿足要求。

環(huán)形堤壩；壩頂設(shè)計；壩坡穩(wěn)定分析；環(huán)形壩滲透分析；杏花村

1 工程概況

杏花水庫壩址位于汾陽市杏花村安上河上，流域內(nèi)有安上河、小相河和吊橋溝三條河流，壩址斷面控制總流域面積74.5 km2。壩型為土壩，屬平原區(qū)?。ㄒ唬┬退畮臁?/p>

2 環(huán)形堤壩設(shè)計

2.1 環(huán)形堤壩總體布置

環(huán)形堤壩平面呈葫蘆形布置，四周全長3 826m，東西長1 003 m，南北寬約540 m，庫底設(shè)計高程735.3m，壩頂設(shè)計高程740.7m，不設(shè)防浪墻，壩高5.4m。設(shè)計壩頂寬4m，迎水面坡度1∶3.0，背水面坡度1∶2.0。迎水面護坡在739.52m以下至庫底采用40 cm干砌石防護，高程739.52m以上至壩頂采用草皮護坡，壩頂路面為30 cm碎石路面。根據(jù)地勘資料，庫區(qū)表層土0.5～1.5m為粉土，之下為黏土層，滲透系數(shù)較小且厚度較大，庫區(qū)滲漏主要通過粉土層沿壩基向四周進行。為此，沿環(huán)形堤壩四周護坡采用土工布（兩布一膜）進行防滲，并從坡腳嵌入到黏土層以下垂直深度0.5～1.0m，土工布上先設(shè)10 cm土墊層，再做20 cm反濾層后砌筑干砌石護坡。

2.2 堤基工程地質(zhì)

擬建杏花水庫工程為人工四周圍堤形成的人工湖，采用挖填結(jié)合的填筑方案，主要由北堤、東堤、南堤和西堤組成，庫區(qū)東西向長約1 600m，南北向?qū)捈s600m，堤為土堤，堤高約5.0m。

2.2.1 北堤工程地質(zhì)

北堤堤基發(fā)育地層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積及人工堆積，根據(jù)地層巖性、分布特征及土工試驗資料，北堤持力層為全新統(tǒng)洪沖積低液限黏土、低液限粉土，工程地質(zhì)特性尚好，建議新建堤段應(yīng)清除地表人工堆積物及含植物根系的低液限粉土，將堤基置于全新統(tǒng)洪沖積低液限黏（粉）土層上，并碾壓或夯實。建議堤基第一層低液限粉土的地基承載力為70～80kPa，第二層低液限黏土的地基承載力為90～110 kPa，第三層低液限粉土的地基承載力為110～130 kPa。臨時開挖邊坡水上1∶0.75～1∶1，水下1∶1～1∶2。

2.2.2 東堤工程地質(zhì)

擬建東堤位于杏花村鎮(zhèn)南杏師路西約570m處，長約600 m。該處地形較平坦，地面高程736.87～737.30m?？碧狡陂g地下水位埋深1.2～1.5m。發(fā)育地層主要為第四系松散堆積物及人工堆積物。堤基為全新統(tǒng)洪沖積低液限粉土和低液限黏土，工程地質(zhì)特性尚好，主要存在滲漏和滲透穩(wěn)定工程地質(zhì)問題，低液限粉土及部分低液限黏土存在地震液化問題。建議對堤基進行防滲處理，防止?jié)B漏和地基土滲透變形，并采取適當?shù)姆椒ǚ乐够驕p弱堤基土地震液化影響。

2.2.3 南堤工程地質(zhì)

擬建南堤位于杏花村鎮(zhèn)南環(huán)路南約760m處，南堤長約1 600m。該處地形較平坦，地面高程736.17～736.99m。勘探期間地下水位埋深0.5～1.5m。發(fā)育地層主要為第四系松散堆積物及人工堆積物。堤基為全新統(tǒng)洪沖積低液限粉土及低液限黏土，工程地質(zhì)特性尚好，主要存在滲漏和滲透穩(wěn)定等工程地質(zhì)問題，上部低液限粉土存在地震液化問題。建議對堤基進行防滲處理，防止?jié)B漏和地基土滲透變形，并采取適當方法防止或減弱堤基土地震液化影響。

2.2.4 西堤工程地質(zhì)

擬建西堤位于杏花村鎮(zhèn)南，杏花村鎮(zhèn)污水處理廠西約50m處，西堤長約600m。該處地形較平坦，地面高程736.17～736.72m。勘探期間地下水位埋深0.5～

1.1m。發(fā)育地層主要為第四系松散堆積物及人工堆積物。堤基為全新統(tǒng)洪沖積低液限粉土及低液限黏土，工程地質(zhì)特性尚好，主要存在滲漏和滲透穩(wěn)定等工程地質(zhì)問題，低液限粉土存在地震液化問題。建議對堤基進行防滲處理，防止?jié)B漏和地基土滲透變形，并采取適當方法防止或減弱堤基土地震液化影響。

2.3 壩體填筑設(shè)計

根據(jù)土料場地質(zhì)勘察成果，庫區(qū)內(nèi)的粉土層土量較多，經(jīng)估算地下水位以上的粉土量有25萬～30萬m3，其含水率與最優(yōu)含水率比較接近，其他現(xiàn)有指標均滿足規(guī)范均質(zhì)壩土料質(zhì)量要求，可作為筑堤材料，設(shè)計壩體回填土壓實度不低于94%。

2.4 壩頂高程計算

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和，按以下運用條件計算，取大值。分四種工況，分別為：工況一：設(shè)計洪水位加正常運用條件的壩頂超高；工況二：正常蓄水位加正常運用條件的壩頂超高；工況三：校核洪水位加非常運用條件的壩頂超高；工況四：正常蓄水位加非常運用條件的壩頂超高，再按規(guī)范規(guī)定加地震安全加高。

壩頂超高計算公式根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，壩頂在水庫靜水位以上的超高應(yīng)按下式計算：

式中：y——壩頂超高，m；

R——最大波浪在壩坡上的爬高，m；

e——最大風壅水面高度；

A——安全加高，m。4級土石壩，設(shè)計情況下，為

0.50m；校核條件下，為0.30m；

B——地震安全加高，包括地震沉降和地震壅浪

高度，m。

工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》，取地震壅浪高度為0.5m，地震沉降不考慮。

根據(jù)大壩不同運行條件下的波高、波周期、波長和波浪爬高確定壩頂高程。得出工況一情況計算結(jié)果最大，壩頂高程由設(shè)計洪水位加正常運用條件的壩頂超高決定。最終確定壩頂高程設(shè)計為740.7m，壩頂至庫區(qū)底高度為5.4m。

3 上游護坡及壩頂設(shè)計

環(huán)形堤壩上游迎水面坡度設(shè)計為1∶3.0，護坡以設(shè)計洪水位738.99m為界，以下至庫底采用30 cm干砌石加40 cm砂礫石墊層防護，設(shè)計水位以上至壩頂采用草皮護坡防護。壩頂設(shè)計寬度為4m，上游側(cè)采用30 cm厚混凝土進行壓頂，路面用為30 cm碎石路面。環(huán)形堤壩迎水面砌石護坡厚度計算采用《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》相關(guān)公式計算。護坡防護高程為正常蓄水位加波浪爬高加風雍水面高度加安全加高。經(jīng)計算，護坡防護高程為739.52m。

3.1 環(huán)形壩壩坡穩(wěn)定分析計算

3.1.1 計算工況

環(huán)形堤壩在設(shè)計洪水位和校核洪水位時暴漲暴落，難以形成穩(wěn)定滲流。因此，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》要求，壩坡穩(wěn)定計算如下工況：正常蓄水位738.42m時上、下游壩坡穩(wěn)定；設(shè)計洪水位738.99m時上游壩坡穩(wěn)定；校核洪水位739.54m時上游壩坡穩(wěn)定；設(shè)計洪水位738.99m驟降至正常蓄水位738.42m時，上游壩坡穩(wěn)定。

3.1.2 計算參數(shù)

大壩壩坡穩(wěn)定計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)表

3.1.3 計算方法與計算斷面

壩坡抗滑穩(wěn)定計算采用北京理正軟件開發(fā)公司編制的《穩(wěn)定計算分析軟件》，計算方法為計及條塊間作用力的簡化Bishop法。

計算斷面選擇一個代表斷面：壩高5.4m，頂寬4m，上游坡度1∶3，下游坡度1∶2。

3.1.4 穩(wěn)定計算結(jié)果

環(huán)形壩為4級建筑物，依據(jù)規(guī)范正常運用條件下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小為1.25，非常運用條件下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小為1.15。計算結(jié)果見表2。

表2 環(huán)形堤壩抗滑穩(wěn)定計算成果表

由結(jié)果可知，壩坡穩(wěn)定滿足要求。

3.2 環(huán)形壩滲透穩(wěn)定分析計算

3.2.1 計算工況

對于北方河流，洪水屬暴漲暴落型，設(shè)計洪水位和校核洪水位經(jīng)歷時間短，難以形成穩(wěn)定滲流，因此僅計算上游興利水位738.42m與下游相應(yīng)最低水位（即庫區(qū)外最低地下水位735.60m）時的滲流工況。

3.2.2 計算參數(shù)

根據(jù)《杏花水庫工程初步設(shè)計階段地質(zhì)勘察報告》確定有關(guān)參數(shù)。

3.2.3 計算方法與計算斷面

滲流計算采用北京理正軟件開發(fā)公司編制的《滲流計算分析軟件》計算方法，采用有限元法。

計算斷面選擇一個代表斷面：壩高5.4 m，頂寬4m，上游坡度1∶3，下游坡度1∶2。

3.2.4 滲流穩(wěn)定計算結(jié)果

壩體土主要由低液限粉土和低液限黏土組成，壩體土的滲透變形破壞類型為流土，最小允許水力坡降為0.44。壩基土滲透變形破壞類型為流土，最小允許水力坡降為0.44。

4 結(jié)論及建議

汾陽市杏花村水庫的建設(shè)，能夠改善下游杏花村鎮(zhèn)、賈家莊鎮(zhèn)、肖家莊鎮(zhèn)共0.1萬hm2耕地的灌溉問題，提高作物產(chǎn)量；既能夠為杏花村鎮(zhèn)的發(fā)展提供生態(tài)綠化用水，減少對地下水的開采，保護地下水可持續(xù)利用，又能夠形成一片50多萬m2的蓄水面積，改善汾陽杏花村小生態(tài)環(huán)境，為旅游開發(fā)創(chuàng)造經(jīng)濟效益；另外還能夠解決肖家莊科技工業(yè)園區(qū)100萬m3工業(yè)用水缺口，效益顯著，建議工程盡早實施。

TV641.2+2

C

1004-7042（2017）03-0041-02

李云麗（1976-），女，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水利水電工程專業(yè)，工程師。

2017-01-06；

2017-02-20