水库环形堤坝设计综述范文

《海河水利》2017年第1期

［摘要］阐述了汾阳市杏花村水库环形堤坝工程地质情况，对环形堤坝坝坡稳定进行了分析，结合地质情况计算确定了正常运用条件下和非正常条件下坝坡稳定安全系数，并对环形堤坝渗透稳定进行了分析，根据计算结果，坝坡稳定和大坝渗透均满足要求。

［关键词］环形堤坝；坝顶设计；坝坡稳定分析；环形坝渗透分析；杏花村

1工程概况

杏花水库坝址位于汾阳市杏花村安上河上，流域内有安上河、小相河和吊桥沟三条河流，坝址断面控制总流域面积74.5km2。坝型为土坝，属平原区小（一）型水库。

2环形堤坝设计

2.1环形堤坝总体布置

环形堤坝平面呈葫芦形布置，四周全长3826m，东西长1003m，南北宽约540m，库底设计高程735.3m，坝顶设计高程740.7m，不设防浪墙，坝高5.4m。设计坝顶宽4m，迎水面坡度1∶3.0，背水面坡度1∶2.0。迎水面护坡在739.52m以下至库底采用40cm干砌石防护，高程739.52m以上至坝顶采用草皮护坡，坝顶路面为30cm碎石路面。根据地勘资料，库区表层土0.5～1.5m为粉土，之下为黏土层，渗透系数较小且厚度较大，库区渗漏主要通过粉土层沿坝基向四周进行。为此，沿环形堤坝四周护坡采用土工布（两布一膜）进行防渗，并从坡脚嵌入到黏土层以下垂直深度0.5～1.0m，土工布上先设10cm土垫层，再做20cm反滤层后砌筑干砌石护坡。

2.2堤基工程地质

拟建杏花水库工程为人工四周围堤形成的人工湖，采用挖填结合的填筑方案，主要由北堤、东堤、南堤和西堤组成，库区东西向长约1600m，南北向宽约600m，堤为土堤，堤高约5.0m。

2.2.1北堤工程地质

北堤堤基发育地层主要为第四系全新统洪冲积及人工堆积，根据地层岩性、分布特征及土工试验资料，北堤持力层为全新统洪冲积低液限黏土、低液限粉土，工程地质特性尚好，建议新建堤段应清除地表人工堆积物及含植物根系的低液限粉土，将堤基置于全新统洪冲积低液限黏（粉）土层上，并碾压或夯实。建议堤基第一层低液限粉土的地基承载力为70～80kPa，第二层低液限黏土的地基承载力为90～110kPa，第三层低液限粉土的地基承载力为110～130kPa。临时开挖边坡水上1∶0.75～1∶1，水下1∶1～1∶2。

2.2.2东堤工程地质

拟建东堤位于杏花村镇南杏师路西约570m处，长约600m。该处地形较平坦，地面高程736.87～737.30m。勘探期间地下水位埋深1.2～1.5m。发育地层主要为第四系松散堆积物及人工堆积物。堤基为全新统洪冲积低液限粉土和低液限黏土，工程地质特性尚好，主要存在渗漏和渗透稳定工程地质问题，低液限粉土及部分低液限黏土存在地震液化问题。建议对堤基进行防渗处理，防止渗漏和地基土渗透变形，并采取适当的方法防止或减弱堤基土地震液化影响。

2.2.3南堤工程地质

拟建南堤位于杏花村镇南环路南约760m处，南堤长约1600m。该处地形较平坦，地面高程736.17～736.99m。勘探期间地下水位埋深0.5～1.5m。发育地层主要为第四系松散堆积物及人工堆积物。堤基为全新统洪冲积低液限粉土及低液限黏土，工程地质特性尚好，主要存在渗漏和渗透稳定等工程地质问题，上部低液限粉土存在地震液化问题。建议对堤基进行防渗处理，防止渗漏和地基土渗透变形，并采取适当方法防止或减弱堤基土地震液化影响。

2.2.4西堤工程地质

拟建西堤位于杏花村镇南，杏花村镇污水处理厂西约50m处，西堤长约600m。该处地形较平坦，地面高程736.17～736.72m。勘探期间地下水位埋深0.5～1.1m。发育地层主要为第四系松散堆积物及人工堆积物。堤基为全新统洪冲积低液限粉土及低液限黏土，工程地质特性尚好，主要存在渗漏和渗透稳定等工程地质问题，低液限粉土存在地震液化问题。建议对堤基进行防渗处理，防止渗漏和地基土渗透变形，并采取适当方法防止或减弱堤基土地震液化影响。

2.3坝体填筑设计

根据土料场地质勘察成果，库区内的粉土层土量较多，经估算地下水位以上的粉土量有25万～30万m3，其含水率与最优含水率比较接近，其他现有指标均满足规范均质坝土料质量要求，可作为筑堤材料，设计坝体回填土压实度不低于94%。

2.4坝顶高程计算

依据《碾压式土石坝设计规范》，坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，按以下运用条件计算，取大值。分四种工况，分别为：工况一：设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；工况二：正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；工况三：校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；工况四：正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再按规范规定加地震安全加高。工程区地震基本烈度为Ⅶ度，根据《水工建筑物抗震设计规范》，取地震壅浪高度为0.5m，地震沉降不考虑。根据大坝不同运行条件下的波高、波周期、波长和波浪爬高确定坝顶高程。得出工况一情况计算结果最大，坝顶高程由设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高决定。最终确定坝顶高程设计为740.7m，坝顶至库区底高度为5.4m。

3上游护坡及坝顶设计

环形堤坝上游迎水面坡度设计为1∶3.0，护坡以设计洪水位738.99m为界，以下至库底采用30cm干砌石加40cm砂砾石垫层防护，设计水位以上至坝顶采用草皮护坡防护。坝顶设计宽度为4m，上游侧采用30cm厚混凝土进行压顶，路面用为30cm碎石路面。环形堤坝迎水面砌石护坡厚度计算采用《碾压式土石坝设计规范》相关公式计算。护坡防护高程为正常蓄水位加波浪爬高加风雍水面高度加安全加高。经计算，护坡防护高程为739.52m。

3.1环形坝坝坡稳定分析计算

3.1.1计算工况

环形堤坝在设计洪水位和校核洪水位时暴涨暴落，难以形成稳定渗流。因此，根据《碾压式土石坝设计规范》要求，坝坡稳定计算如下工况：正常蓄水位738.42m时上、下游坝坡稳定；设计洪水位738.99m时上游坝坡稳定；校核洪水位739.54m时上游坝坡稳定；设计洪水位738.99m骤降至正常蓄水位738.42m时，上游坝坡稳定。

3.1.2计算参数

3.1.3计算方法与计算断面

坝坡抗滑稳定计算采用北京理正软件开发公司编制的《稳定计算分析软件》，计算方法为计及条块间作用力的简化Bishop法。计算断面选择一个代表断面：坝高5.4m，顶宽4m，上游坡度1∶3，下游坡度1∶2。3.1.4稳定计算结果环形坝为4级建筑物，依据规范正常运用条件下坝坡稳定安全系数最小为1.25，非常运用条件下坝坡抗滑稳定安全系数最小为1.15。

3.2环形坝渗透稳定分析计算

3.2.1计算工况

对于北方河流，洪水属暴涨暴落型，设计洪水位和校核洪水位经历时间短，难以形成稳定渗流，因此仅计算上游兴利水位738.42m与下游相应最低水位（即库区外最低地下水位735.60m）时的渗流工况。3.2.2计算参数根据《杏花水库工程初步设计阶段地质勘察报告》确定有关参数。

3.2.3计算方法与计算断面

渗流计算采用北京理正软件开发公司编制的《渗流计算分析软件》计算方法，采用有限元法。计算断面选择一个代表断面：坝高5.4m，顶宽4m，上游坡度1∶3，下游坡度1∶2。

3.2.4渗流稳定计算结果

坝体土主要由低液限粉土和低液限黏土组成，坝体土的渗透变形破坏类型为流土，最小允许水力坡降为0.44。坝基土渗透变形破坏类型为流土，最小允许水力坡降为0.44。

4结论及建议

汾阳市杏花村水库的建设，能够改善下游杏花村镇、贾家庄镇、肖家庄镇共0.1万hm2耕地的灌溉问题，提高作物产量；既能够为杏花村镇的发展提供生态绿化用水，减少对地下水的开采，保护地下水可持续利用，又能够形成一片50多万m2的蓄水面积，改善汾阳杏花村小生态环境，为旅游开发创造经济效益；另外还能够解决肖家庄科技工业园区100万m3工业用水缺口，效益显著，建议工程尽早实施。

作者：李云丽 单位：吕梁市水利勘测设计研究院