岳朝俊　楊衛(wèi)甲　吳超　張超

摘要：為使參與涉外工程建設(shè)的中國(guó)水電企業(yè)工程人員了解和掌握國(guó)內(nèi)外水電工程規(guī)范的差異，在分析中國(guó)和美國(guó)現(xiàn)行土石壩水電規(guī)范條文的基礎(chǔ)上，運(yùn)用工程算例計(jì)算了土石壩壩頂高程。分析結(jié)果表明，中國(guó)規(guī)范確定的土石壩壩頂高程大于美國(guó)規(guī)范的計(jì)算值，可滿足美國(guó)規(guī)范要求。研究成果可為類似國(guó)外土石壩工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：土石壩; 壩頂高程; 中美規(guī)范

中圖法分類號(hào)：TV697 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.016

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）07 - 0095 - 06

0 引 言

隨著“一帶一路”倡議的實(shí)施，中國(guó)在沿線國(guó)家境內(nèi)投資建設(shè)的水利水電工程越來(lái)越多。因此，熟悉和掌握這些國(guó)家通用的美國(guó)規(guī)范，并了解水利水電工程設(shè)計(jì)及計(jì)算中的中美規(guī)范差異，對(duì)中國(guó)水電企業(yè)開拓海外市場(chǎng)非常重要。

土石壩作為歷史最為悠久的壩型之一，具有就地、就近取材，能適應(yīng)各種地形、地質(zhì)和氣候條件，施工方便，節(jié)省鋼材、水泥、木材等重要建筑材料等優(yōu)點(diǎn)，因而在世界水電工程建設(shè)中的應(yīng)用最為廣泛且發(fā)展最快[1-2]。土石壩壩頂高程的確定關(guān)系到工程運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)效益，需要在確保工程運(yùn)行安全的條件下，合理選擇壩頂高程，使工程投資效益最大化[3]。

雖然中國(guó)土石壩建設(shè)在世界上處于領(lǐng)先地位[4]，但海外土石壩項(xiàng)目建設(shè)依然以美國(guó)規(guī)范為主要參考依據(jù)，在實(shí)踐中也缺乏中美規(guī)范的對(duì)比研究，不利于中國(guó)規(guī)范走出國(guó)門，給中國(guó)工程技術(shù)人員開展海外項(xiàng)目建設(shè)造成了一定困難[5]。本文通過(guò)對(duì)比中美相關(guān)水利水電標(biāo)準(zhǔn)中土石壩壩頂高程計(jì)算相關(guān)規(guī)定，結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算，分析研究了二者的差異，可為從事國(guó)際工程的技術(shù)人員提供有益參考，也有助于中國(guó)規(guī)范走向世界。

1 標(biāo)準(zhǔn)選定

中美規(guī)范在壩頂高程計(jì)算中均需涉及到專業(yè)術(shù)語(yǔ)。在中國(guó)規(guī)范中，壩頂高程計(jì)算主要術(shù)語(yǔ)如下。

（1） 壩頂超高。水庫(kù)靜水位至壩頂（或防浪墻頂）的高差。不同的水庫(kù)靜水位對(duì)應(yīng)不同的壩頂超高，不同級(jí)別的土石壩也對(duì)應(yīng)不同的壩頂超高。

（2） 波浪爬高。波浪沿建筑物坡面爬升的垂直距離（由靜水位起算）。

（3） 風(fēng)壅高度。風(fēng)壅水面高度的簡(jiǎn)稱，是指在風(fēng)的拖拽力作用下，水面升高，風(fēng)壅水面高出原來(lái)水位的垂直距離。

（4） 安全超高。為防止波浪壅高時(shí)發(fā)生漫壩，壩頂在水庫(kù)靜水位加風(fēng)壅高度和波浪爬高之上的安全高度。應(yīng)根據(jù)壩的等級(jí)和運(yùn)用條件來(lái)確定。

（5） 沉降超高。土石壩填筑過(guò)程中，隨著壩體有效應(yīng)力的增大，大壩將進(jìn)一步沉降。為保證工程投入運(yùn)行后壩頂實(shí)際高程等于設(shè)計(jì)高程，在施工中進(jìn)行一定高度的超填。

美國(guó)規(guī)范中波浪爬高、風(fēng)壅高度及沉降超高的定義與中國(guó)規(guī)范一致，無(wú)安全超高的要求。壩頂超高是指水庫(kù)最高水位至壩頂?shù)拇怪本嚯x，與土石壩級(jí)別無(wú)關(guān)。

對(duì)于土石壩壩頂高程的確定，中國(guó)主要采用的是NB/T 10872-2021和SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，而美國(guó)現(xiàn)通用的是美國(guó)墾務(wù)局發(fā)布的（第13號(hào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：土石壩）（Design Standard No.13：Embankment dams），且該規(guī)范中對(duì)壩頂高程的計(jì)算是在美國(guó)陸軍工程師團(tuán)（USACE）對(duì)土壩和堆石壩的設(shè)計(jì)及施工（EM-1110-2-2300 General Design and Construction Consideration for Earth and Rock-fill Dams）規(guī)定基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化更新的。同時(shí)， NB/T 10872-2021和SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)土石壩壩頂高程確定的相關(guān)規(guī)定完全一致，因此本次主要選擇中國(guó)的NB/T 10872-2021《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和美國(guó)墾務(wù)局的（第13號(hào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：土石壩）進(jìn)行對(duì)比。

2 中國(guó)規(guī)范

2.1 設(shè)計(jì)工況

根據(jù)NB/T 10872-2021《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，壩頂高程=水庫(kù)靜水位+壩頂超高，應(yīng)分別按以下運(yùn)用條件計(jì)算，取其最大值。即：① 設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用條件下的壩頂超高;② 正常蓄水位加正常運(yùn)用條件下的壩頂超高;③ 校核洪水位加非常運(yùn)用條件下的壩頂超高;④ 正常蓄水位加非常運(yùn)用條件下的壩頂超高，再加地震安全加高。

在水庫(kù)靜水位以上的壩頂超高按下式計(jì)算：

y=R+e+A （1）

式中：y為壩頂超高，m;R為波浪在壩坡上的爬高，m;e為風(fēng)壅高度，m;A為安全超高，m。

2.2 風(fēng)況影響

風(fēng)壅高度e受風(fēng)速、風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度、風(fēng)向及風(fēng)的延時(shí)等因素的直接影響。

2.2.1 設(shè)計(jì)風(fēng)速

設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值應(yīng)根據(jù)歷年滿庫(kù)運(yùn)行期實(shí)測(cè)最大風(fēng)速資料，并按以下規(guī)則取值：① 正常運(yùn)用條件下的1～2級(jí)壩，采用多年平均最大風(fēng)速的1.5～2.0倍;② 正常運(yùn)用條件下的3～5級(jí)壩，采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍;③ 非常運(yùn)用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速。

年最大風(fēng)速應(yīng)采用水面上空10 m高度處10 min的平均風(fēng)速。當(dāng)僅能獲得距水面其他高度的風(fēng)速時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)換推求水面上空10 m高度處10 min的平均風(fēng)速。風(fēng)向宜按水域計(jì)算點(diǎn)處8個(gè)方位角確定，其允許偏差為±22.5°。

2.2.2 風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度

風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度和水庫(kù)蓄水后的水域形狀有關(guān)。當(dāng)沿風(fēng)向兩側(cè)的水域較寬廣時(shí)，可采用計(jì)算點(diǎn)到對(duì)岸的距離;當(dāng)沿風(fēng)向有局部縮窄且縮窄處的寬度小于12倍計(jì)算波長(zhǎng)時(shí)，可采用5倍寬度為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，同時(shí)不小于自計(jì)算點(diǎn)至縮窄處的直線距離;當(dāng)沿風(fēng)向兩側(cè)水域較為狹窄或水域形狀不規(guī)則或有島嶼等障礙物時(shí)（圖1），應(yīng)采用等效風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算：

2.2.3 風(fēng)壅高度

2.3 波浪影響

2.3.1 波浪要素

2.3.2 波浪爬高

2.4 安全超高

2.5 沉降超高

壩頂應(yīng)預(yù)留竣工后的沉降超高。預(yù)留沉降超高應(yīng)根據(jù)沉降計(jì)算、有限元應(yīng)力應(yīng)變分析、施工期監(jiān)測(cè)和工程類比等綜合分析確定。當(dāng)壩頂沉降量與壩高的比值大于1%時(shí)，應(yīng)在分析計(jì)算成果的基礎(chǔ)上，論證選擇的壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性和采取工程措施的必要性[6]。還應(yīng)在壩中段增大預(yù)留沉降超高0.3～0.5 m，在設(shè)計(jì)中考慮壩長(zhǎng)與壩高。預(yù)留沉降超高不應(yīng)計(jì)入壩的計(jì)算高度。

3 美國(guó)規(guī)范

在美國(guó)墾務(wù)局編制的第13號(hào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：土石壩中，土石壩應(yīng)采用可能最大洪水（PMF）作為設(shè)計(jì)洪水，并在水庫(kù)最高洪水位以上留出足夠的超高，以防大壩在風(fēng)、浪運(yùn)動(dòng)或地震作用下發(fā)生漫頂。

3.1 設(shè)計(jì)工況

在美國(guó)規(guī)范中確定土石壩壩頂高程主要考慮以下工況。

（1） 最小超高。最高庫(kù)水位+3ft（1ft=0.304 8 m）;最高庫(kù)水位+中等風(fēng)速（P=10%）波浪爬高+對(duì)應(yīng)的風(fēng)壅高度。

（2） 正常超高。正常運(yùn)行水位+100 mile/h（約44.7 m/s，1 mile=1 609.344 m）風(fēng)速所引起的水面波浪爬高+對(duì)應(yīng)的風(fēng)壅高度。

（3） 校核超高。最高庫(kù)水位-2ft（或4ft）+波浪爬高+風(fēng)壅高度≤壩高（1，2，3工況）。

校核超高時(shí)的波浪爬高和風(fēng)壅高度為設(shè)計(jì)入庫(kù)洪水（IDF）期間可能遇到的風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的最大波浪爬高和風(fēng)壅水面高度。

3.2 風(fēng)況影響

3.2.1 設(shè)計(jì)風(fēng)速

3.2.3 風(fēng)壅高度

3.3 波浪影響

3.3.1 波浪要素

3.3.2 波浪爬高

3.4 安全超高

美國(guó)規(guī)范中并無(wú)安全超高這一計(jì)算選項(xiàng)，但在壩頂高程計(jì)算中應(yīng)考慮洪水過(guò)程特性、水庫(kù)運(yùn)行、溢洪道及其他泄水建筑物故障、壩頂裂縫、公共安全等因素，并結(jié)合實(shí)際情況具體分析。當(dāng)壩頂高程的確定涉及重大公共安全等因素時(shí)，應(yīng)報(bào)送美國(guó)墾務(wù)局公共安全管理部門審批。

3.5 沉降超高

美國(guó)規(guī)范中壩頂預(yù)留沉降超高主要包括地基和壩體允許的沉降，并在以往工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出如下說(shuō)明：對(duì)于基礎(chǔ)壓縮性較小的土石壩，常設(shè)置約1%壩高的超填量;對(duì)于壩基壓縮性較大、預(yù)期沉降較大的土石壩，最大超填量應(yīng)為最大壩高的1%～2%;在壩高計(jì)算中，不計(jì)入壩體或地基沉降造成的高度損失，只在施工期壩頂預(yù)留沉降超高時(shí)考慮。

4 工程算例

4.1 工程概況

某水庫(kù)大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，大壩級(jí)別為5級(jí)，水庫(kù)正常蓄水位314.40 m，設(shè)計(jì)洪水位317.00 m，校核洪水位（最高庫(kù)水位）322.02 m，多年平均最大風(fēng)速23.693 m/s，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度6 759 m，正常蓄水位時(shí)沿風(fēng)區(qū)水深15.24 m，大壩上游壩坡為1V：3H，下游壩坡為1V：2H，地震引起的涌浪高度1.5 m。

4.2 計(jì)算結(jié)果

分別采用中美規(guī)范計(jì)算該堆石壩壩頂高程，具體結(jié)果見表2～3。

4.3 差異對(duì)比

通過(guò)對(duì)比表2和3可知：

（1） 正常運(yùn)行條件下，在正常蓄水位314.40 m時(shí)，美國(guó)規(guī)范使用的風(fēng)速為100 mile/h（44.7 m/s），超過(guò)中國(guó)規(guī)范采用的設(shè)計(jì)風(fēng)速的1.5倍（35.54 m/s），其計(jì)算所得波浪爬高和風(fēng)壅高度之和較大[2.743>（2.524+0.103）]，但因中國(guó)規(guī)范額外考慮了安全加高，所以在該條件下中國(guó)規(guī)范計(jì)算的壩頂高程仍然較大。

（2） 非常運(yùn)用條件下，在校核洪水位（最高庫(kù)水位）322.02 m時(shí)，美國(guó)規(guī)范采用的設(shè)計(jì)風(fēng)速為超越概率為10%的典型風(fēng)19 mile/h（8.493 m/s），比中國(guó)規(guī)范取用的多年平均最大風(fēng)速23.693 m/s小，導(dǎo)致計(jì)算所得波浪爬高和風(fēng)壅高度之和較小[（0.442+0.006）<（1.614+0.027）]，同時(shí)中國(guó)規(guī)范設(shè)有安全超高，因此在校核洪水位工況下中國(guó)規(guī)范計(jì)算的壩頂高程較大。

（3） 該工程為5級(jí)土石壩，可作為一般4～5級(jí)壩的代表。在中國(guó)規(guī)范中，其壩頂高程一般受校核洪水位和非常運(yùn)用條件下的壩頂超高的工況控制，在美國(guó)規(guī)范中一般受最高庫(kù)水位+3ft的工況控制，中國(guó)規(guī)范計(jì)算的壩頂高程大于美國(guó)規(guī)范計(jì)算的數(shù)值。

（4） 對(duì)于正常運(yùn)用條件下的3級(jí)土石壩，安全超高值增加為0.7 m，且3級(jí)壩采用累計(jì)頻率1%的波浪爬R，而美國(guó)規(guī)范則無(wú)變化，在該條件下中國(guó)規(guī)范計(jì)算的壩頂高程進(jìn)一步增大;非常運(yùn)用條件下，在校核洪水位（最高庫(kù)水位）時(shí)，安全超高值增加為0.5m，且3級(jí)壩采用累計(jì)頻率1%的波浪爬R1%，而美國(guó)規(guī)范則無(wú)變化，在該條件下中國(guó)規(guī)范計(jì)算的壩頂高程也進(jìn)一步增大。

（5） 對(duì)于正常運(yùn)用條件下的1～2級(jí)土石壩，中國(guó)規(guī)范可采用多年平均最大風(fēng)速的1.5～2.0倍，采用累計(jì)頻率1%的波浪爬R1%，其波浪爬高和風(fēng)壅高度也將變大，安全超高值也增至1.5 m和1.0 m，美國(guó)規(guī)范則無(wú)變化，在該條件下中國(guó)規(guī)范計(jì)算的壩頂高程進(jìn)一步增大;非常運(yùn)用條件下，在校核洪水位（最高庫(kù)水位）時(shí)，安全超高值增加為1.0 m和0.7 m，采用累計(jì)頻率1%的波浪爬R，美國(guó)規(guī)范則無(wú)變化，在該條件下中國(guó)規(guī)范計(jì)算的壩頂高程也進(jìn)一步增大。

綜上所述，中國(guó)規(guī)范確定的土石壩壩頂高程一般大于美國(guó)規(guī)范確定的壩頂高程，能同時(shí)滿足美國(guó)規(guī)范的要求。

5 結(jié) 論

（1） 通過(guò)對(duì)比現(xiàn)行的中國(guó)NB/T 10872-2021《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和美國(guó)第13號(hào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（土石壩）可知：兩國(guó)規(guī)范對(duì)于土石壩壩頂高程的計(jì)算均考慮了多種工況，中國(guó)規(guī)范中壩頂高程為各工況靜水位加上波浪高度、風(fēng)壅高度及安全超高，對(duì)于地震區(qū)的安全超高還應(yīng)考慮地震作用下的附加沉陷和地震涌浪高度等，美國(guó)規(guī)范則無(wú)專門的安全超高計(jì)算項(xiàng)。

（2） 中美規(guī)范對(duì)于風(fēng)浪因素均進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，中國(guó)規(guī)范以多年平均最大風(fēng)速為計(jì)算依據(jù)，美國(guó)規(guī)范在最高水位時(shí)采用庫(kù)水位處或接近最高水位時(shí)的風(fēng)速，在正常水位時(shí)采用了最大可能風(fēng)速。雖然中美規(guī)范計(jì)算的波浪爬高和風(fēng)壅高度之和存在差別，但由于中國(guó)規(guī)范考慮了安全超高，一般情況下最終計(jì)算的壩頂高程較大，土石壩等級(jí)越高，差別越明顯。因此，在國(guó)外項(xiàng)目采用中國(guó)規(guī)范確定的土石壩壩頂高程，一般均可同時(shí)滿足美國(guó)規(guī)范要求。

（3） 在計(jì)算土石壩壩頂高程時(shí)，兩國(guó)規(guī)范均未考慮壩體或地基沉降造成的高度損失，主要通過(guò)在施工期超填作為預(yù)留沉降來(lái)考慮，在河床及兩岸根據(jù)壩高或覆蓋層的厚度不同，考慮不同的預(yù)留沉降量。

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（編輯：唐湘茜）

Difference research on embankment dam crest elevation between Chinese and American specifications

YUE Chaojun YANG Weijia WU Chao ZHANG Chao

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Dali Bai Autonomous Prefecture

Institute of Hydraulic Survey， Design and Research， Dali? 671000， China）

Abstract：For Chinese hydropower entrepreneur engineers involved in international projects to acknowledge and acquire the hydropower specification difference between Chinese and foreign countries， based upon analyzing Chinese and USA hydropower specifications， the embankment dam crest elevation is obtained by one project calculation. The results demonstrate that the embankment dam crest calculated by Chinese specification is higher than the one calculated by USA and meet USA demands. These achievements may be taken as a reference for similar foreign projects.

Key words： embankment dam; dam crest elevation; specifications of Chinese and USA