水利工程土石坝枢纽设计研究

孙静

摘    要：土石坝枢纽的设计作为整个工程建设与使用的前期指导性工作，在土石坝工程中具有重要作用。由于土石坝枢纽所涉及的建筑和工程环节较多，需要我们在设计阶段就对各方面要素进行全面考虑，并结合实际情况，最终确定出最优的设计方案。本文对土石坝枢纽做了简单介绍，并对土石坝枢纽设计的前期准备、土石坝的组成和布置以及土石坝的剖面和构造进行了简要分析。

关键词：水利设计;土石坝枢纽;资料搜集;设计方法

1  土石坝概述

土石坝是水利枢纽工程中的重要部分，多是由土料、石料或混合料经过一定的施工方式堆筑而成，而由于使用的都是常见的土、石材料，在施工时可以直接就地取材，减少了大量的运输环节和时间成本，是一项十分实用的水利工程坝型。相较于其他坝型，土石坝还具有结构简单、地基要求较低、较好的地形适应性、施工技术简单以及对机械设备要求较低等诸多优点，在一些条件较差的地区应用较多。但同时，土石坝也具有许多缺陷，如坝身无法溢流、施工导流较为复杂、粘性土料易受气候等自然条件影响等，这就需要我们在具体的施工设计时对这些问题予以更多的考虑，以找出有效的解决策略。

现阶段我国的水利工程枢纽仍多建造于偏遠山区地区，且这些坝址的地质条件都较为复杂，土石坝的建造和功能的发挥受到诸多影响，水库安全工作的重要性不断凸显，这就使土石坝的优化设计的重要性不断提升。

2  土石坝枢纽设计的准备工作

2.1  基本资料的采集

土石坝枢纽设计是水利工程具体施工的基础，其设计的针对性、科学性与合理性直接关系着水利枢纽整体工程的质量、后期造价以及枢纽功能的发挥。因此，我们必须要充分做好与设计有关的一切工作，而前期资料收集也正是其中之一。土石坝设计前期资料的收集能够帮助设计人员对建造当地的地形、地质、气象、水纹以及植被等情况有一个全方位掌握，从而为后期设计方案的制定与调整提供基础的理论依据，以确保最终设计的科学合理性，进而保障水利枢纽工程的质量。

2.2  轴线选择

轴线的确定在土石坝设计中是一个十分复杂的过程，要考虑的因素同样很多。在选择轴线时，首先需要结合坝址当地的地形、地质等环境因素以及施工的具体条件，再根据水利枢纽的布置、水库淹没程度和经济条件等情况进行综合研判，最终确定出最为合适的轴线。轴线选择的具体要求有以下几方面：（1）地形条件。在地形条件不错的情况下，要尽量选择轴线较短的位置，有利于泄水建筑物的建造，同时要根据施工要求来确定坝岸两端的厚度，从而最大程度保证施工安全。（2）地质条件。土石坝建设区域应该具有较小的透水性，而整块的岩石或坚实底层都能满足这方面要求，因此轴线选择也需要考虑这一点。（3）建筑材料和枢纽布置。轴线的选择还应考虑到土石坝枢纽的施工过程。而施工就涉及建筑材料，因此建筑材料的供应与运输也是轴线选择的考虑因素。此外，轴线选择要能方便泄洪洞、发电站等设施的建筑施工，保证枢纽中各建筑物布置合理，互不干扰且同时进行。

3  土石坝枢纽组成及布置

3.1  土石坝枢纽的组成

任何一个土石坝枢纽工程都是由众多建筑物组成的。如泄洪洞等泄洪建筑、发电饮水建筑、排沙建筑、水电建筑、工业用水饮水建筑、灌溉饮水建筑物、开关站、施工导流建筑及泄水建筑等都是土石坝枢纽中的重要部分。

3.2  枢纽布置原则

由于土石坝枢纽工程是集多种功能与一体，各项建筑各司其职，协调配合最终实现防洪和供水供电等多项目标的项目，所以所涉及的建筑较多，其中任何一个建筑不能顺利完成，都会影响到整个土石坝工程的正常运转。因此，土石坝枢纽在设计中要充分布置好每个建筑，不仅要确保各建筑施工能够同时进行，互不干扰，以尽量加快施工进度，还要充分考虑到施工中的安全性。此外，还应以经济最优为原则，在保证枢纽质量和功能正常的情况下，合理分配整体经济，以最大限度的降低成本，节省资金。而对于土石坝的设计，相关人员则应该根据上述原则设计出多套方案，在对这些方案进行对比分析，最后优中选优。同时，还需要考虑到以下两点原则。

（1）泄洪建筑的设计是水利枢纽工程的重要一环，在设计过程中要对其形式进行合理设计，不仅要考虑到具体的使用要求，还应对主要泄洪建筑尽量采用敞式溢洪道设计，并结合经济情况进行对比研究，以敲定最优方案。（2）作为水利枢纽，土石坝中的泄水引水建筑首当其冲面临着水流的冲击，这就要求设计时要尽可能提升泄水引水建筑的稳定性和强度，保证建筑物进口附近岸坡能够有效抵挡水流而不被冲毁。而对于含沙量高的河流，则需要建设排沙建筑并做好防淤措施。

4  土石坝的剖面和构造

4.1  土石坝基本尺寸

土石坝的基本尺寸是设计过程中的一项重要内容 主要涉及到坝坡、坝顶高程和坝顶宽度三个项目。

坝坡的尺寸需要根据坝的级别、坝型、坝高以及坝体和坝基材料、施工条件和荷载等要素来确定。土质防渗体土石坝和沥青混凝土心墙和面板坝可参照已有经验或方法对坝坡进行拟定，再经稳定计算确定。一般情况下土石坝坝坡会在1：2～1：4之间。上下游边坡马道的设置也会根据坝面排水、道路、观测和坝基稳定等情况而有所不同，不过宽度通常都在1.5m～2.0m之间。

坝顶高程需要在正常运用与非常运用的净水位上加一个超高y来算出。当坝顶设防浪墙时，坝顶超高可改为防浪墙顶的要求，但此时处于正常运用条件下，所以坝顶需高出静水位0.5m。而在非常运用条件下，坝顶则不应低于静水位。

坝顶宽度需要根据构造、抗震、施工以及运行等各因素来确定。除非有特殊要求，一般情况下高坝可采用10m～15m的坝顶最小宽度，中低坝可采用5m～10m的坝顶最小宽度。此外坝的级别越高，选值越大，反之选值越小。

4.2  坝的防渗体

土石坝的防渗体多采用土质防渗体。在图纸防渗体断面尺寸的设计上需要结合防渗体所用土料的渗透比降与抗裂性等质量因素以及防渗土料的数量、坝基的性质与相关处理方法、防渗土料与坝壳材料价格比值、施工难易度等各方面情况来综合考虑分析后再最终确定。土质防渗体断面的渗透比降、渗透流量和下游浸润线也要满足一定的枢纽建设要求。例如，如果在8度、9度地震烈度的地区建设土石坝，防渗体就需要自上而下逐渐加厚，并保证顶部水平宽度大于3m，底部斜墙厚度大于水头的1/5，心墙厚度大于水头的1/4。

5  结束语

综上所述，水利工程土石坝枢纽的设计是一项庞杂的工作，不但涉及到土石坝主体的设计，还涉及到个配套建筑物的设计，既需要结合坝址当地的实际情况，也需要考虑到后期的施工过程、经济效益以及安全性。因此，我们需要充分掌握土石坝设计中的各个环节与影响因素，并不断地加强对设计工作的研究与实践，以确保土石坝的设计更具科学性与合理性，能够更好的保证土石坝枢纽质量与用途发挥。

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