杨梅山水库粘土心墙风化料坝设计

杨梅山水库粘土心墙风化料坝设计

杨金艳

（昆明市西山区水务局  云南   昆明   650051）

摘要：大坝心墙采用超常规、高液限粉土（液限＞65%，塑性指数＞30）防渗；坝体变形量小，防渗效果良好。基于周边可用土石料，坝壳采用半透水风化料筑坝，坝体渗流稳定可控，大大降低了工程造价。     

关键词：大坝；设计；高液限；半透水；风化料

1工程概况

杨梅山水库位于西山区碧鸡镇黑荞母村，距昆明市区约25公里，有公路通往，交通便利。杨梅山水库是以灌溉、供水为主的综合利用工程。工程建设主要解决黑荞母村委会3个村民小组836人、579头大牲畜的人畜饮水，碧鸡镇黑荞母村委会与海口镇白鱼村委会小黑荞村、禄海新村共计2264亩农田灌溉的问题，并通过修建具有一定调节性能的蓄水工程，提高当地水源工程供水能力，为位于水库坝址附近的云南省大型生态旅游项目之一的世界蝴蝶生态园提供用水保障。水库控制流域面积3.68km2，水库正常蓄水位1952.5m，总库容100.37万m3，属Ⅳ等小（1）型工程，主要建筑物由粘土心墙风化料坝、溢洪道和输水隧洞和灌溉输水工程等建筑物组成，工程按Ⅷ度地震设防[1]。

2大坝结构布置

粘土心墙风化料坝最大坝高34.5m，坝轴线长122m，坝顶高程EL.1955.500m，坝顶上游侧设1.2m高防浪墙，坝顶宽度5m，上游坝坡坡度为1:2.5，下游坝坡坡度为1:2.0，上游坝坡采用混凝土预制块护坡，下游采用钢筋混凝土网格植草护坡。大坝基本剖面采用为中央粘土直心墙，心墙两侧为反滤，反滤层以外为风化料坝壳,粘土心墙基础最低建基面高程为1921.000m，心墙顶部高程为1954.650m，顶宽3m，上下游坡度均为1:0.25，心墙底部设置0.5m厚混凝土垫层，大坝下游坝脚设置排水棱体，坝脚下游设置量水堰。坝体最大横剖面见图2.1。

图2.1  坝体最大横剖面

3坝料设计

（1）心墙土料

粘土心墙料来源于西合园土料场。西合园土料场属非分散性土，为高液限粉土即红粘土[2]。土料试验结果表明击实功能595KJ/m3的最大干密度平均值为1.375g/cm3，最优含水量平均值为35.23%。土料压实度按98%[2]，则设计干密度为1.35 g/cm3，填筑含水量宜在最优含水量的-1％～＋2％范围内[3][4]，具体约34%～37%，渗透系数为小于1×10-5cm/s。

（2）反滤料Ⅰ、反滤料Ⅱ

反滤料Ⅰ、反滤料Ⅱ由附近石料场灰岩或白云岩人工轧制而成，反滤料应具有排水滤土、低压缩性和高抗剪强度。反滤料Ⅰ最大粒径20mm，渗透系数大于1.0×10-3cm/s，设计干密度均为2.0g/cm3，相对密度为0.7。反滤料Ⅱ最大粒径80mm，渗透系数大于5.0×10-3cm/s，设计干密度均为2.0g/cm3，相对密度为0.7，严格控制反滤料的细粒含量，小于0.075mm的颗粒含量小于5％。

（3）风化料

风化料来源于溢洪道、心墙基础、输水隧洞开挖料及2#石料场，为半透水材料。风化料设计干密度2.02g/cm3，渗透系数>5×10-3cm/s，孔隙率小于22.5%，最大粒径为600mm，小于0.075mm的颗粒含量不超过5%[2][3]。利用开挖料的风化料小于5mm的颗粒含量不超过25%，2#石料场开采的风化料小于5mm的颗粒含量不超过32%。

（4）排水体

排水体毛块石来源于工程开挖的部分坚硬完整的弱风化砂岩及附近石料场购买的灰岩料，大坝下游的排水棱体的饱和抗压强度大于40MPa，软化系数大于0.85，块石最大边长与最小边长之比不大于2.0。

坝料级配曲线见图3.1。

图 3-1  坝料级配曲线

（5）坝料分区

坝壳料主要采用枢纽区的溢洪道和输水隧洞明挖可用料、土料场剥离后的下层料及石料场开挖料。

坝壳料设计的思路，一是要满足坝坡稳定安全，二是尽量利用各枢纽建筑物的开挖石料，三是满足水力过渡准则。

本工程的设计思路为最大可能的利用建筑物开挖料，尽量减少弃渣料。分区设计的原则为：坝壳区上下游均采用风化料填筑，为保证下游坝壳排水通畅，在下游坝脚下游设置有水平褥垫的堆石棱体。

4大坝渗流稳定计算

4.1渗流计算

选取大坝坝体最大断面进行平面渗流计算。因本阶段复核所得防洪特征水位均低于上阶段成果值，故本次坝体相关计算分析涉及的设计、校核等特征水位仍沿用初设阶段成果值，为计算方便，在进行单元划分时，将大坝剖面和基础做了适当简化。采用三角形单元，共划分单元4330个，节点数8865个，计算网格模型见图4.1-1。

图4.1‑1  渗流计算模型

（1）计算参数

计算参数根据《杨梅山水库初步设计报告（地质部分）》[1]，并与其他工程类比确定，计算参数详见表4.1-1。

表4.1-1  渗流计算参数表

（2）计算工况

表4.1‑2  渗流计算工况表

备注：在进行水库水位骤降计算时，根据泄洪建筑物的泄流能力，且考虑采用控制泄流的措施，假定72小时内库水位从1952.5m降至死水位1939.50m。

（3）计算成果及附图

表4.1‑3  渗流计算成果表

图4.1‑2稳定渗流浸润线及等势线分布图

（正常蓄水位）

图4.1‑3稳定渗流浸润线及等势线分布图

（设计洪水位）

图4.1‑4稳定渗流浸润线及等势线分布图

（校核洪水位）

图4.1‑5非稳定渗流浸润线及等势线分布图

根据计算成果，由于正常蓄水位工况上下游水位差最大，计算出的单宽渗流量最大。坝基渗流量占总渗流量的绝大部分，约为95%，坝体渗流量很小。当库水位为正常水位1952.5m、稳定渗流时，坝体单宽流量q=8.89×10-6m3/s·m，日渗流量约46m3，年渗漏量16790m3，占总库容的1.67%。

心墙内的最大渗流梯度[5]（21.7）均远小于试验得出的土料破坏坡降（92.5），且心墙上下游均设置有反滤料保护，故大坝心墙的渗透稳定满足要求。

4.2坝坡稳定计算

（1）计算方法及计算工况

稳定计算的目的是保证大坝在自重、各种情况下的孔隙压力和外荷载的作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝体和坝基的剪切破坏。坝坡稳定计算考虑了下表所示的工况。

表4.2-1 坝坡稳定计算工况表

计算方法为刚体极限平衡法，采用土石坝坝坡稳定程序[2][3]进行计算。

（2）计算参数

表4.2-2  坝料线性强度计算参数

（3）计算成果及附图

表4.2-3  线性计算成果表

图4.2-1竣工期上下游坝坡危险滑裂面

图4.2-2稳定渗流期上、下游坝坡（上游水位：死水位1939.5m）危险滑裂面

图4.2-3稳定渗流期上、下游坝坡（上游水位：正常蓄水位1952.5m）危险滑裂面

图4.2-4稳定渗流期上、下游坝坡（上游水位：设计洪水位1953.99m）危险滑裂面

图4.2-5稳定渗流期上、下游坝坡（上游水位：校核洪水位1954.63m）危险滑裂面

图4.2-6上游水位从1952.5m降至1939.5m时上游坝坡危险滑裂面

图4.2-7遭遇8度地震时上、下游坝坡（上游水位：死水位1939.5m）危险滑裂面

图4.2-8遭遇8度地震时上、下游坝坡（上游水位：正常蓄水位1952.5m）危险滑裂面

从计算成果看，各计算工况下，坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范[2]允许的安全系数，说明上下游坝坡是稳定的。

5结论

综合上述各方面的计算分析成果，可以得出：从渗流角度分析，在现有模型计算参数和计算条件下，杨梅山水库心墙堆石坝设计方案是可行的，在渗流、坝坡稳定等方面均可满足坝体安全性的要求。

工程于2018年2月下闸蓄水以来，坝体渗流及沉降可控，坝坡稳定，整体运行正常，该大坝设计及施工管理经验值得在类似工程中推广应用。

参考资料

[1]徐建，刘强等，中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，西山区杨梅山水库工程初步设计报告，2012.9.

[2]SL274-2020，碾压式土石坝设计规范，北京：中国水利水电出版社.

[3]水工设计手册（第二版）第六卷 土石坝

[4]DL/T 5129-2013，碾压式土石坝施工规范，北京：中国电力出版社.

[5]SL55-2005，中小型水利水电工程地质勘察规范，北京：中国水利水电出版社.