对土石坝枢纽设计方法的探讨

对土石坝枢纽设计方法的探讨
摘要：土石坝枢纽的设计是一项复杂且细致的工作，如何做好设计前的资料搜集工作，遵循什么设计原则，选择怎样的设计方法，都是一项值得广大设计人员探讨的问题，文章从实际工作经验出发，探讨土石坝枢纽设计的方法及技巧。

关键词：水利设计；土石坝枢纽；资料搜集；设计方法
一、土石坝枢纽设计的准备工作
（一）基本资料的采集
在对水库枢纽进行设计前，我们必须要充分的掌握一些设计所需要的基本资料，例如地形资料、地质及水文地质资料、水文资料、气象资料等等，这些资料将对水库枢纽的工程规模及效益，建设材料的用量和经济投资等方面产生重大的影响，因此，作为一个设计人员，我们必须要慎重的搜集完整齐全的基本资料，这样才能保证我们设计的科学性和合理性。

1．地形资料。

所谓的地形资料就是指如何选择坝址、水库建筑物总体布置以及施工方案比较等工作的内容，而地形资料的表现的外在形式则是地形图，坝址地形图一般采用1：500或1：1000。

特殊情况可以适当放大或缩小。

库区地形图的比例尺，可根据库区大小不同而定，中型水库一般可采用1：5000或1：10000，小型水库可采用1：l000或1：2000。

2．库区和坝址的工程的地质及水文地质资料。

天时与地利都是土石坝枢纽设计中最为重要的元素之一，因此，设计人员应对实际的地质条件进行严格的考察，因为地质条件（如坝址附近河床覆盖层的厚度、岩石岩性、土壤物理力学性质和构造和风化程度等）都会直接影响建筑物布置和坝址的选择。

此外还要掌握水文资料，如坝址区气象变化规律以及气温、雨量、冻层厚度、风速、及地震基本烈度等资料。

3．水利计算资料和建筑材料的分析。

在水库规划设计过程中，设计人员需要了解各种特征水位、流量和泥沙情况，同时还要收集坝区附近的土、砂、石料的分布情况、储量、物理力学性质以及运输条件和单价等资料，这些内容都是设计中必须考虑到的外在物理因素。

（二）轴线选择
在土石坝枢纽的设计过程中，对于坝轴线的选择，要科学地根据当地的实际地形、地质、工程规模及施工条件，并结合水利枢纽的布置、水库淹没情况和经济条件等综合考虑，一般情况下要考虑到以下几点因素：
1．地形条件。

在地形的选择上，要尽量选择坝轴线较短，河谷较窄，便于布置泄水建筑物等条件的地形，此外两岸坝端要有足够的厚度和高程，以给工程扩建留有足够多的余地进行施工。

2．地质条件。

在土石坝的两侧山体和坝基上，应选择岩石较为完整的地方，以确保坝基可以建设在透水性小的坚实地层上（黏、壤土或岩基），或厚度不大的透水地基上，尽量避免在强透水地基上建坝。

3．筑坝材料及枢纽布置。

土石坝枢纽的附近要有足够数量符合设计要求的建筑材料，且便于开采运输，同时确保各期施工的用料要求，便于布置输水建筑物、溢洪道、电站等工程的地形、地质条件，且各建筑物之间应互不干扰，便于施工和管理运用。

二、土石坝枢纽组成及布置
（一）枢纽组成
枢纽建筑物以土石坝为主体，并包括有泄洪建筑物、水电厂房、发电引水建筑物、排砂建筑物、开关站、工业用水引水建筑物、灌溉引水建筑物、放空水库的泄水建筑物、施工导流建筑物等。

（二）枢纽布置原则
在土石坝枢纽的布置工作中，设计人员要严格遵循安全可靠、经济合理、施工互不干扰、管理运用方便等原则，并且，要从多种设计方案中相互比较，选择最为合理并经济实用的设计方案，具体的说，在土石坝枢纽布置过程中，需要遵循以下原则：
1．在泄洪建筑物形式选择时，首先要满足设计规定的运用条件和要求，其次要考虑采用开敞式溢洪道为主要泄洪建筑物，最后经过技术比较和经济实用性比较，才能最终确定其形式。

2．要保证泄水引水建筑物进口附近的岸坡的整体稳定性和局部稳定性，并且做好可靠的防护措施，对于多泥沙河流，应考虑布置排砂建筑物，并在进水口采取防淤措施，当遇到平行坝坡方向的水流可能会冲刷坝坡时，坝坡也应有防护措施，以确保坝体的安全。

（三）不同地区的枢纽布置
土石坝枢纽布置一般分为高山区、丘陵区及平原河道区3种。

1．高山深谷区布置。

高山深谷区河谷很窄，山坡陡峻，山脊高，如把土坝布置在顺直河段，则引水洞、泄洪洞要转弯，洞线长，溢洪道开挖边坡高，引渠
和陡槽长，工程量大，而且溢洪道紧接土坝，施工干扰大。

应该选择弯曲河段，把坝布置在弯道上，则凸岸布置引水洞、泄洪洞、溢洪道，这样可缩短长度，减少工程量。

但一般凸岸山梁单薄，岩石风化深，裂隙发育，作为挡水山体存在一定的安全隐患，但可以考虑采取工程措施，如设置截渗帷幕、钻设预应力锚索或开挖浇筑钢筋混凝土锚柱桩等予以加固，或用土石料压坡使之稳定等。

2．丘陵区的枢纽布置。

丘陵地带河谷较为开阔，山坡比较平缓，枢纽布置条件好，建筑物可各得其所又互不干扰。

但应尽可能地把引水洞和厂房及泄洪洞布置在坝的一端，溢洪道布置在坝的另一端，并使溢洪道远离坝肩。

3．平原河道枢纽布置。

平原河道一般比较顺直，采用河岸式溢洪道、泄洪道、引水隧洞时，常常需设弯道，因而增加工程量。

一般顺直河段的低水头枢纽布置中，常设混凝土溢流坝段、厂房坝段，并与土石坝衔接。

三、土石坝的剖面和构造
（一）土石坝基本尺寸
1．坝坡坝坡应综合考虑坝型、坝高、坝的级别、坝体及坝基材料的性质、荷载、施工和运用条件等因素，经技术经济比较后确定。

土质防渗体土石坝、沥青混凝土心墙和面板坝可参照已建成坝的经验或近似方法初步拟定坝坡，最终坝坡须经稳定计算确定。

常用土石坝坝坡一般在1：2～1：4之间。

土石坝上下游边坡应根据坝面排水、检修、观测、道路、增加护坡和坝基稳定等不同需要设置马道，马道一般宽为1．5m～2．0m，下游坝坡可设置斜马道。

2．坝顶高程。

坝顶高程根据正常运用和非常运用的静水位加相应的超高y 予以确定，坝顶设防浪墙时，坝顶超高可改为防浪墙顶的要求，但此时在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0．5m，在非常运用条件下，坝顶应不低于静水位。

应该指出，这里计算的坝顶高程是指坝体沉降稳定后的数值。

因此，竣工时的坝顶高程还应有足够的预留沉陷值。

3．坝顶宽度坝顶宽度的确定应综合考虑构造、施工、运行、抗震等因素。

如无特殊要求，高坝的最小坝顶宽度可选用10m～15m，中低坝可选用5m～10m，坝的级别高时应选大值，反之选小值。

（二）坝的防渗体
作为坝的防渗体的材料有土质防渗体和人工材料防渗体，其中人工材料防渗体用得最多的是土质防渗体。

土质防渗体分区坝的防渗体断面尺寸应根据防渗土料的质量（如允许渗透比降、塑性、抗裂性能等），防渗土料的数量和施工难易程度，防渗体下面坝基的性质及处理措施，防渗土料与坝壳材料单价比值等因素研究确定。

设计地震烈度为8度、9度的地区可适当加厚。

土质防渗体断面应满足渗透比降、下游浸润线和渗透流量的要求。

应自上而下逐渐加厚，顶部的水平宽度不宜小于3．0m；底部厚度，斜墙不宜小于水头的1／5，心墙不宜小于水
头的1／4。

四、结论
综上所述，为了确保土石坝枢纽设计的科学性及安全性，设计过程中，必须对当地的天文地理等条件进行实地的考察测量，并严格按照设计原则进行设计，这样才能保证土石坝枢纽施工建设的质量。

参考文献
[1]牛效辉. 土石坝断面优化设计研究[D]．西华大学,2008,(05).
[2]林昭. 土石坝设计应重视工程实践经验[J]．水利水电工程设计,2005,(05).。