糯扎渡高土石坝心墙类型对坝坡稳定影响研究

摘 要：依据糯扎渡实际工程，总结高土石坝心墙类型对坝坡稳定的影响，并依据计算结果对高土石坝坝坡稳定安全评价标准进行初步探讨。直心墙和斜心墙各工况下安全系数均满足现行规范要求，坝坡稳定不是影响高土石坝修建的决定性因素。斜心墙上向下的渗透力分量较大，增加了心墙下游侧的应力从而使得斜心墙方案坝坡危险滑裂面位置较直心墙方案距坝顶稍近。

关键词：高土石坝；心墙类型；坝坡稳定；安全系数；

引言

糯扎渡心墙土石坝是我国第一批建造的超高200m的土石坝[1]，当时尚无修建200m级以上的心墙土石坝的成熟技术和经验，国外可借鉴的是经验也很少，糯扎渡200m级以上心墙土石坝属于特殊、重要的的土石坝，其设计不能简单的套用现行设计规范，必须进行专门的研究，建立相应的设计准则及安全评价系统。从已建200m级高土石坝的建设经验来看，大坝的安全运行主要取决于坝坡的抗滑稳定、筑坝材料的渗透稳定，以及坝体变形稳定，而其中土石坝坝坡及坝体在设计及运行期的稳定性则是设计中最为关键的因素。坝体的抗滑稳定与坝体的应力状态和应力水平密切相关，在一定的外力水平条件下心墙的类型是影响坝体应力状态的主要因素。

世界上已建的坝高在200m以上的心墙土石坝中，有4座采用直心墙，其余7座均采用斜心墙的形式，本文以糯扎渡土石坝为依托，对心墙土石坝的直心墙和斜心墙两种心墙形式对坝坡稳定的影响进行比较研究。

一、工程基本资料

糯扎渡水电站[2]是澜沧江中下游河段梯级规划的第五级，枢纽位于云南省普洱市翠云区和澜沧县境内，糯扎渡水电站工程主要以发电为主，兼有下游城市、农田防洪及改善航道的综合利用任务。糯扎渡坝址区河道总体比较顺直，两岸谷坡较陡，河谷断面呈不对称的V形。岩体结构多为碎裂、镶嵌碎裂和散体结构，在心墙部位坝基岩体质量以IVa和IVb类为主。

坝体为砾质土直心墙坝，心墙两侧为反滤层，反滤层以外为堆石体坝壳。坝顶宽为18m，心墙基础建基面高程560m，最大坝高261.5m，上游坝坡坡度1：1.9，下游坝坡坡度为1：1.8，坝体典型剖面如图1所示。

图1 糯扎渡坝体典型剖面图

二、计算参数

土石坝堆石料的抗剪强度指标具有明显的非线性特点，一般来说上覆土体每增加50cm，其内摩擦角减少8°～10°。因此对堆石材料使用非线性强度指标进行坝坡稳定分析，已成为坝工界的共识。水利部颁发的“碾压式土石坝设计规范”规定对堆石料进行非线性强度稳定分析。糯扎渡心墙坝坝料参数确定过程中收集了国内外37个重要水利工程坝体硬岩和软岩堆石料的三轴固结排水实验资料，并用矩法和线性回归方法统计了堆石料抗剪强度线性指标邓肯非线性对数指标与德迈洛非线性指标的参数，得到了水利工程大坝堆石抗剪强度指标的一般分布规律，其中统计得到的硬岩堆石料的邓肯非线性抗剪强度指标结果如表1所示。

表1坝料物理性质指标计算参数

坝料 干密度（g/cm3） 比重 渗透系数（cm/s） 孔隙率（%） φ0（°） Δφ（°）

I区堆石料 2.00 2.63 5×100 24 53.12 11.26

II区堆石料 2.11 2.70 8×10-2 22 50.91 10.32

掺砾土料 1.90 2.68 2×10-6 37.91 10.34

细堆石过渡料 2.04 2.61 2×10-1 22 52.00 7.8

I区反滤层 1.94 2.61 2×10-3 51.35 8.7

II区反滤层 1.89 2.61 4×10-1 52.60 10.16

本文采用STAB程序分别对糯扎渡大坝直心墙土石坝和斜心墙土石坝的最大坝剖面进行各种工况坝坡稳定安全系数进行了计算，各种工况下安全系数均应满足现行规范相应的要求。正常蓄水期安全系数大于1.5，竣工期和库水位骤降时大于1.3，地震时安全系数大于1.2。计算方法为毕肖普法。

三、计算结果

3.1坝坡稳定

在考虑坝坡稳定分析时分为7个工况条件进行计算，计算工况和计算成果见表3。

表3 糯扎渡不同心墙类型稳定分析最小安全系数计算结果表

运行工况 计算工况 安全系数

编号 工 况 说 明 直心墙 斜心墙

正常 ① 稳定渗流期下游坝坡，上下游正常水位 1.675 1.699

② 稳定渗流期上游坝坡，最不利库水位 1.997 1.884

非常Ⅰ ③ 竣工期上游坝坡，上、下游无水作用 2.073 1.970

④ 竣工期下游坝坡，上、下游无水作用 1.869 1.859

⑤ 库水位由正常水位骤降至死水位的上游坝坡 1.800 1.691

非常Ⅱ ⑥ 工况①遭遇0.283g地震 1.423 1.456

⑦ 工况②遭遇0.283g地震，最不利库水位 1.589 1.512

计算成果表明，无论直心墙土石坝还是斜心墙土石坝，计算最小安全系数均大于允许安全系数，表明坝体是稳定安全的。坝坡稳定并不是影响高土石坝修建的决定性因素，现行土石坝设计规范对坝坡抗滑稳定的规定可以用来指导设计超过200m的高土石坝坝坡稳定。

3.2坝坡最危险滑弧

直心墙方案在蓄水后稳定渗流期[4-5]，上下游正常水位情况下的安全系数为1.675，其破坏形式也是上游堆石体主动破坏与下游边坡滑动的复合破坏形式，但而上游主动破坏区范围较大且明显，直心墙方案最危险滑块位置涵盖上游坝坡2/3部位。

斜心墙方案水位骤降至库底时的安全系数为1.691，滑裂面大部分出现在上游边坡的软岩料区。在坝体的上下游均有滑裂面出现，这表明此时上下游坝坡的安全系数大致相等，也即上游坝坡的安全系数相对有所减少，下游坝坡安全系数两者相差很小。

稳定渗流期上游坝坡最不利水位时直心墙方案安全系数1.997，斜心墙方案安全系数为1.844，再此工况施加地震时，最不利滑面依旧为圆滑裂面，在进行土石坝坝坡加固或者设计时坝顶位置加固是影响坝坡稳定的关键。

四、 结论

4.1现行土石坝设计规范可以对超过200m级土石坝坝坡稳定进行指导设计，正常蓄水期安全系数大于1.5，竣工期和库水位骤降时大于1.3，地震时安全系数大于1.2，糯扎渡土石坝符合土石坝设计规范规定，坝坡稳定不是影响高土石坝修建的决定性因素。

4.2所有斜心墙方案下游坝坡危险滑裂面位置较直心墙方案距坝顶稍近，由于作用在斜心墙上向下的渗透力分量较大，增加了心墙下游侧的应力从而提高了其抗剪强度所致。稳定渗流期上游坝坡最不利水位时危险滑裂面与施加地震后坝坡危险滑裂面位置一致。在进行土石坝坝坡加固或者设计时坝顶位置加固是影响坝坡稳定的关键。

参考文献

[1]张宗亮. 糯扎渡水电站工程特点及关键技术研究[J]. 水力发电， 2005， 31（5）： 4-7.

[2]张宗亮， 袁友仁， 冯业林. 糯扎渡水电站高心墙土石坝关键技术研究[J]. 水力发电，2007，32（11）： 5-8.

[3]陈祖煜. 土质边坡稳定分析 原理・ 方法・ 程序[M].北京.中国水利水电出版社， 2003.

[4]李国英， 王禄仕， 米占宽. 土质心墙土石坝应力和变形研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2004， 23（8）： 1363-1369.

[5]连镇营， 韩国城， 孔宪京. 强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性[J]. 岩土工程学报， 2001， 23（4）： 407-411.