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1、水庫環(huán)形堤壩設(shè)計綜述
水庫環(huán)形堤壩設(shè)計綜述
2017/04/21
《海河水利》2017年第1期
[摘要]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(jìn)行了分析,結(jié)合地質(zhì)情況計算確定了正常運(yùn)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(jìn)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。
[關(guān)鍵詞]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
2、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74.5km2。壩型為土壩,屬平原區(qū)?。ㄒ唬┬退畮?。
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3826m,東西長1003m,南北寬約540m,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(hù)坡在739.52m以下至庫底采用40cm干砌石防護(hù),高程739.52m以上至壩頂采用草皮護(hù)坡,壩頂路面為30cm碎石路面。根據(jù)地勘資
3、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(jìn)行。為此,沿環(huán)形堤壩四周護(hù)坡采用土工布(兩布一膜)進(jìn)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)10cm土墊層,再做20cm反濾層后砌筑干砌石護(hù)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1600m,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
4、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(yàn)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(shí)。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90~110kPa,第三層低液限粉土的地基承載力為110~130kPa。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600m。該處地形較平坦,地面高程
5、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(jìn)行防滲處理,防止?jié)B漏和地基土滲透變形,并采取適當(dāng)?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1600m。該處地形較平坦,地面高程736.17~736.99m??碧狡陂g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
6、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(jìn)行防滲處理,防止?jié)B漏和地基土滲透變形,并采取適當(dāng)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
7、粉土存在地震液化問題。建議對堤基進(jìn)行防滲處理,防止?jié)B漏和地基土滲透變形,并采取適當(dāng)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(biāo)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(shí)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(yùn)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(yùn)用條件的壩頂超高
8、;工況二:正常蓄水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高;工況三:校核洪水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高;工況四:正常蓄水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高,再按規(guī)范規(guī)定加地震安全加高。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(yùn)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(yùn)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(hù)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(hù)坡以設(shè)計洪水位738.99m為界
9、,以下至庫底采用30cm干砌石加40cm砂礫石墊層防護(hù),設(shè)計水位以上至壩頂采用草皮護(hù)坡防護(hù)。壩頂設(shè)計寬度為4m,上游側(cè)采用30cm厚混凝土進(jìn)行壓頂,路面用為30cm碎石路面。環(huán)形堤壩迎水面砌石護(hù)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(hù)坡防護(hù)高程為正常蓄水位加波浪爬高加風(fēng)雍水面高度加安全加高。經(jīng)計算,護(hù)坡防護(hù)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
10、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)
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(yùn)用條件下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小為1.25,非常運(yùn)用條件下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小為1
11、.15。
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5.4m,頂寬4m,上游坡度1∶3,下游坡度1∶2
12、。
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?yàn)樾踊ù彐?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(hù)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(jì)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(shí)施。