水库土石坝设计关键技术

水库土石坝设计关键技术

发表时间：2018-04-02T16:17:52.223Z 来源：《基层建设》2017年第34期作者：杜园龙张维[导读] 摘要：水库安全与人们的生活紧密相关，甚至同生命财产安全相连，土石坝的设计又与水库安全相关。

楚雄欣源水利电力勘察设计有限责任公司

摘要：水库安全与人们的生活紧密相关，甚至同生命财产安全相连，土石坝的设计又与水库安全相关。本文对水库土石坝的概况与存在的险情进行论述，并探讨水库土石坝设计的关键技术，旨在为水库土石坝的优化设计提出理论参考依据。

关键词：水库；土石坝；设计；关键技术

土石坝是我国现存最古老的一种坝型（如图1），具有较长的应用史，随着科学技术水平的提升，土石坝也因发展快、应用范围广等优势在世界坝工建设中占有一席之地。现今水库土石坝在设计过程中存在着严重的问题，致使水库土石坝的险情增加，增加溃坝的几率。因此，本文针对水库土石坝设计的关键技术进行简要分析。

图1 水库土石坝航拍图

一、水库土石坝存在的险情

（一）水库土石坝的渗漏

我国土石坝溃坝现象发生的主要原因为土石坝渗漏，分别为坝身渗漏，接触渗漏、坝基渗漏及绕坝渗漏等四种渗漏形式[1]。发生土石坝渗漏的主要原因可归为以下四点：第一，材质不过关。土石坝施工期间多是就地取材，同时部分土石坝所处位置的交通便利性较差。筑坝材料存在过多的杂质、水溶性较强等不过关现象，同时，碾压不充分等材料使用问题也是土石坝溃坝发生的主要原因之一。第二，坝身设计未过关，例如坝身厚度未达到标准，渗径较短等问题都会导致渗漏情况加剧。第三，排水系统不完全符合要求，土石坝具有排水棱体，但是由于部分设计存在问题，使排水体堵塞，从而致使排水体失效，甚至无排水体现象发生。第四，防水设施未过关，例如设计与要求不符合，截水槽尺寸不符合要求，碾压不实，致使和岸坡与截水槽结合不紧密，从而引发渗漏现象。

（二）水库土石坝的坝体裂缝与滑坡

水库土石坝裂缝产生的原因大致可分为四点：第一，清淤工作未能彻底进行；第二，坝基防渗措施未能达到设计效果；第三，泄洪操作失误；第四，结合部质量较差。水库土石坝坝体滑坡发生原因可归为：堪验设计工作不到位、建设工作未到位，碾压不到位等原因。

二、水库土石坝设计的关键技术

（一）对洪汛数据的复核

针对水库土石坝由于不规范建设，导致洪汛预测不准的情况，在设计与计算过程中应加强对洪汛数据的复核工作。首先，对实践监测的重视。充分利用水库当地的水文资料，同时对水库土石坝当地的水文数据进行实际的监测，了解当地的洪水汛期、暴雨量及年降水量等洪汛数据[2]。其次，在获取当地洪汛数据及水文资料后，要将所获取的资料利用相关的计算方法，求得水库土石坝的相关参数，并对求得的数据资料采取进一步调查与分析，保证所得数据科学合理。对于所补充的洪汛资料也要进行分析与论证，保证洪汛资料与实际调查的结果相吻合，符合科学合理的原则[3]。洪汛资料与流域特征对于数据资料具有较大的影响，因此，在进行资料与数据复核过程中，要避免发生系统性错误，同时及时发现错误并进行修正。要比较建筑物级别与所得数据进行对照，挑选合适的抗洪标准，同时严格按照国家指标对材料与质量进行确认，同时对洪水、洪量与洪峰流量等作为基础依据，对水库特征进行设计。

（二）抗震性能的提升

对于土石坝溃坝事件而言，地震灾害是重要原因之一，后果较为严重。因此，在土石坝设计中，抗震设计是重要内容之一。在进行地震性能设计时，要对当地的地质条件进行复核，通过对当地地质环境的实际检测，获取当地断层交汇带、地震带、密集缝隙区等地质资料，同时考虑河床的土质、缓坡、土层质量、架空、降沉等地质环境。同时，土石坝多为就地取材，因此，在设计过程中，也要对当地的土质石材的质量进行综合性考量，并且对水溶性岩石的含量进行分析[4]。除此之外，还需对土石坝的抗震性能进行分析，通过对条块水平地震惯性、动态分布系数、设计烈度等在进行拟静法时加以计算；利用动力法进行分析时要对震前坝体的初始状态、非显性应力等应变关系得出相关结论。在进行计算过程中，也需要对土石坝地震的永久性变形及残余变形加以考量。根据上述材料方法得到数据后，依据我国相关标准进行设计，同时，还需对建筑物的防震等级加以确定，严格复核审查相关数据资料，保证所获得数据运用的合理性。在设计过程中，也要对土体抗液化性能进行改善，避免存在较大液化性的土体，应用抗液化破坏的结构进行抗震设计。要从地基、坝高、水库防控设施、防渗体、坝轴线等多方面因素进行抗震考虑，注重抗震结构的合理性。

（三）土石坝防漏与排水设计

坝体渗漏主要是在坝基、坝肩及接触带出现渗漏，因此，为了确保坝体防漏、排水性能得到保障，要从以下几个方面进行设计：首先，要注重对当地土石质量的考察，在选材过程中要将易液化的土质避开，同时要综合性考虑当地的地质条件。在进行防渗墙设计时也要进行综合性的考虑设计，若坝体设计孔隙较大，可通过坝轴线设立防渗墙的方式达到防渗要求，进行防渗墙设计时，要从底部深入到二层基岩，选取防渗墙的最佳建材，灌浆是防渗墙最佳的制造方法[5]。其次，在设计时要保障上堵下排，多重结合，在进行设计过程中要在上下游、坝体采取统一的防渗漏措施，应用粘土铺盖结合开挖导渗沟的方式达到水平防渗，也可采用灌浆、充填等方式对坝体孔隙进行填补，保障防渗漏的效果更佳，在下游可通过排水棱体达到排水与防渗的作用。

（四）坝坡的防滑与固定

滑坡与滑坡性裂缝是土石坝溃坝事件发生的重要原因。因此，在进行土石坝设计过程中要对坝坡的加固加以重视。首先，要对当地的地理环境进行综合性的考虑衡量，根据当地的水文资料选择正确的坝型，在坝型选择过程中要注意自重、耗材、抗震性、温度等诸多要素。在选择坝型后，要利用不同坝型的独特优势使其可有效达成，如保障当地自然环境不会干扰施工，土石坝所用材料在当地均可获得。

（五）合理布置枢纽

为了保障枢纽布置的合理性要从以下四个方面着手：第一，坝址选择的正确性，使施工作业可顺利开展；第二，保证枢纽的全面性，可在诸多条件下正常运作；第三，相对费用的有效降低，在保障枢纽强度与稳定性的基础上，对运作成本有效合理规划，使维护、年运作费及总造价可有效降低,保障土石坝的安全性的同时，降低施工成本。