水利工程土石坝枢纽设计中的要点初探

水利工程土石坝枢纽设计中的要点初探

高丽民

山东国地水利土地勘察设计有限公司山东250014

摘要：水利工程在社会现代化发展过程中发挥着非常积极的作用，随着社会现代化进程的不断加快，水利工程建设规模在不断扩大的同时，社会发展以及人们生产生活对其质量的要求也越来越高。作为现阶段水利工程枢纽中较为常用的坝体形式，特别是在中小河流上修建中小型水库工程，常常受到地形地质条件、投资的限制，并随着土石坝设计、施工技术的发展与成熟，如何在水利工程建设过程中做好相应的土石坝设计工作，得到了越来越多的重视。

关键词：水利工程；土石坝枢纽设计；要点

1水利工程土石坝概述

水利工程土石坝，就是用土石为主要材料填筑而成的一种坝体结构形式，是一种古老的坝型，广泛应用于水利工程中，随着筑坝技术的发展，大型施工机械的运用，现阶段我国水利工程建设过程中，土石坝是应用最为广泛的一种坝体类型，其在我国水利工程建设过程中应用相对较早，并且经过多年的实践与发展，不仅可以面对不同地理和水域环境，而且在原材料选择方面，也同样发挥着非常积极的作用，也正是因为如此，已成为了现阶段水利中最为常用的挡水坝体之一，有极高应用价值。相对于其他挡水坝提，土石坝之于水利工程建设具有着更为显著的优势。首先，原料优势。对于土石坝而言，其原材料主要是以土粒和砂石为主，这种原材料基本可以在施工现场进行获取，通过“就地取材”的方式就可以完成材料的制备，在保证工程施工质量以及降低工程建设成本方面发挥着非常积极的作用；其次，土石坝对于地质条件的要求相对较低，并且具有着较强的适应地基变形能力。通常来讲，无论水利建设工程地形多么复杂，土石坝都可以被应用其中，并且在实际的应用过程中发挥出尤为积极的作用；再次，土石坝应用时间相对较长，经过多年的实践与探索，我国已经形成了一套较为完整的土石坝设计、施工体系，并且可以适用于不同的地理环境，在实际的工程建设过程中，通过合理的设计以及规范化施工，可以有效地保证其施工整体质量，特别是土石方大型施工机械、重型碾压设备的应用，给土石坝施工带来飞跃性的发展，解决了设计施工中的技术问题，拓展了筑坝材料的使用范围，突破了技术上的瓶颈，不仅缩短了建设周期，有效降低工程造价，而且提高了工程安全可靠性，较好地达到工程建设的目的。

2水利工程土石坝枢纽设计要点分析

2.1做好水利工程土石坝枢纽的布置工作

对于土石坝枢纽，其不仅包括土石坝，还包括相应的建筑群，即泄洪建筑、发电引水建筑、排砂建筑以及水电厂房等等。因此，在进行水利工程土石坝枢纽设计时，首要的一项工作就是做好水利工程土石坝枢纽的布置工作，使各建筑物充分利用坝址的地形地质条件，设计布置合理，发挥其功能的同时，相互协调，运行安全可靠，投资节省。

2.2筑坝材料选择

首先应对项目周边筑坝材料进行调查，查明各种天然土石料的性质、储量、开采条件和运距。当地有多种适宜筑坝的土石料时，应进行技术经济比较后选用。选择筑坝土石料应遵循以下原则：（1）填筑坝体的土石料应具有与其使用目的相适应的物理力学性质，并且有较好的长期稳定性。（2）就地、就近取材，减少弃渣，少占或不占农田，并优先考虑利用枢纽建筑物开挖料。（3）便于开采、运输和压实。（4）对植被破坏和环境影响较小，便于采取措施保护、恢复水土资源。料场或枢纽建筑物的开挖料，除沼泽土、膨润土和地表土不宜采用外，其他均可直接作为筑坝材料，或经处理后用于坝的不同部位。水溶盐含量大于5%的土料、有机质含量大于5%的土料、干硬性粘土、分散性土、软粘土等不宜筑坝。土石坝的坝壳材料起到保持坝体稳定的作用，应具有较高的抗剪强度，在下游坝壳的水下部分和上游坝壳的水位变动区，宜采用透水料填筑。采用风化石料和软岩填筑坝壳时，应按压实后的级配研究确定材料的物理力学指标，并应考虑浸水后抗剪强度降低、压缩性增加等不利情况。

2.3坝顶宽度的确定

坝顶宽度应根据运行需要、坝顶设施布置和施工要求确定，宜为5~10m，高坝宜适当加宽。当坝顶有交通要求时，需要根据交通要求来确定。当采用心墙坝及斜墙坝时，还应适应墙顶处及反滤层等的设置要求。以一个坝体高度为87m的土石坝为例，由于它属于典型的高坝，而且坝顶需要满足交通要求，所以将坝顶宽度确定为10m。

2.4坝坡设计

在土石坝中，坝坡主要取决于以下几种因素：坝型、坝体高度、筑坝时使用的材料、荷载水平、基础等，同时这些也会对坝体工程量及稳定性造成影响。（1）因石料处于饱和状态时其抗剪强度比水位不断下降时产生的渗流力低，对上游坝坡处稳定状态造成影响，所以在设计过程中应注意上游坡的坡度不能大于下游坡。（2）从承受的荷载角度讲，为了满足向坝体底部不断增加荷载的实际要求，当土石坝采用变坡设计时，应按照从上到下的顺序依次变缓，将相邻坝坡率之间的差值控制在0.25~0.50范围内。如果坝基比较软弱，则最后一级必须放缓，使坝坡可以保持稳定。通过对上述因素的分析，以某土石坝为例，当上游面坝坡由上至下的高程为230m时，将变坡坝坡确定为1：2.75；当上游面坝坡由上至下的高程为210m时，将变坡坝坡确定为1：3.0。下游面坝坡由上至下的高程为210m时，将变坡坝坡确定为1：2.5；当下游面坝坡由上至下的高程为190m时，将变坡坝坡确定为1：2.75。此外要注意在合适的位置设置排水设施。

2.5防渗体设计

土石坝防渗体有粘土心墙、粘土斜墙、沥青混凝土心墙、沥青混凝土斜墙、土工膜等。土工膜属于柔性防渗材料，能用于库盆、垂直防渗墙、倾斜防渗层、上游防渗铺盖等，不仅结构简单、施工方便，而且具有良好的防渗效果，能节省造价，加快工期。沥青混凝土结构是一种由沥青、石料和砂根据一定比例进行热拌而成的混合料，通过对这种混合料的摊铺及碾压，可以形成具有良好密实度的整体，实现坝体防渗。土质防渗体断面应自上而下逐渐加厚，顶部的水平宽度应考虑机械化施工的需要，不宜小于3m；其底部厚度：斜墙不宜小于水头的1/5，心墙不宜小于水头的1/4。当坝址所在地区冬季温度较低时，还应确保心墙及斜墙和坝面之间的距离最小值不小于冻土层最大厚度，这样能有效避免防渗体在低温条件下被冻坏。

2.5排水设施

尽管土石坝防渗体的渗透系数极小，但依然会产生渗水的现象，此时需要在下游布置合适的排水设施，其主要作用在于对渗流进行控制与引导，使其及时排出到坝体之外，减小孔隙水压力，并降低浸润线，保证坝坡的稳定，避免受到气温变化而发生冻胀等破坏。排水设施应具备对积水进行充分排出的能力，而且不能发生堵塞，使坝体及其基础都不会产生渗透破坏，并在此基础上为后续的检修及观测提供便利。在条件允许的情况下，可采用棱体排水方式，其顶部宽度以观测和施工要求为依据确定，通常要达到1~2m以上，内、外坡可根据石料和施工情况确定，内坡不陡于1：1.0，外坡不陡于1：1.5。

3结论

综上所述，土石坝作为水利工程枢纽重要组成部分，在实际的设计工作中，需要充分考虑枢纽布置、筑坝材料选择、坝顶宽度、坝坡设计、防渗体设计、排水设施等设计要点，进而保证设计的合理性，从而为后续施工提供合理、有效的依据。

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[4]李洪明.水利工程土石坝枢纽设计中的要点分析[J].民营科技，2018（05）：115.

作者简介：高丽民、女、河南濮阳人、1990年10月、山东国地水利土地勘察设计有限公司、设计室、设计员、助理、大学本科、农田水利设计、邮编：250014