关于水库土石坝设计重点探究

关于水库土石坝设计重点探究
摘要：水库大坝是我国重要的水利基础设施，承担着防洪、灌溉、航运等众多
功能，与我国国民经济发展有着密切联系，也关系到人们的生命财产安全，确保
水库大坝的安全可靠十分重要，而土石坝是当地材料坝，在我国大坝设计中占比大。

因此，必须提高土石坝设计水平。

本文就通过对水库土石坝设计重点的研究，以期为实际设计工作提供一定借鉴，促进水库土石坝安全水平的提升。

关键词：水库土石坝大坝；设计；重点；探究
大坝是水库工程中的核心部分，直接关系到整个水库工程功能是否能够正常
发挥，必须尽量提高水库大坝的可靠性。

水库大坝设计是其可靠与否的重要影响
因素，如果设计出现失误，就可能给水库大坝埋下严重的安全隐患，发生渗漏、
裂缝甚至是垮塌等后果，造成巨大经济损失和人员伤亡，所以，必须做好水库大
坝设计的研究，掌握设计要点，避免设计问题，不断提高设计水平。

一、土石坝设计常见的问题
我国是一个水资源大国，兴建了许多中小型水库大坝，而且多为土石坝，这
些大坝由于各种因素影响，存在着许多设计问题，主要体现在以下几方面：一是基础，特别是无粘性土（粉砂、砂、砂卵砾石等）基础的抗震能力不足，在已经建成的土石坝中，尤其是上世纪50、60年代建设的土石坝，对基础处理
不完善，本身抗震设计标准偏低，无法达到防止地震液化的安全运行标准，我国
地震又相对较为频繁，水库大坝安全面临着严峻形势，如果遇到地震灾害，许多
大坝基础可能会发生无粘性土（粉砂、砂、砂卵砾石等）液化情况，引发坝体沉陷、拉裂、滑塌等事故。

二是渗漏问题严重，渗漏是水库大坝特别是土石坝常见的问题，主要表现有
管涌、流土、散浸和脱坡等，其主要是由于大坝设计密实度不足或结构不合理等
造成的，在长期渗漏下，会引发冲决、溃坝等洪涝灾害。

三是结构稳定性差，结构稳定性差也是我国水库大坝普遍存在的一个问题，
其发生原因有：坝坡偏陡、填筑料密实性差，大坝结构设计不合理，比如说上游
坝坡水位变化区填筑料渗透系数过小，导致上游水位的降落快于上游坝体浸润线
的降落影响坝体安全。

四是设计标准偏低，中，小型水库大坝占据着相当大的比例，特别是80年代以前由受益群众自行组织建设的大坝，多为30m以下低坝，其设计简单，洪水标准、泄洪能力等设计标准都相对较低，在遇到洪水时，无法起到防洪效果，引发
土石坝漫顶溃坝事故。

二、水库大坝设计的重点分析
（一）抗震设计
抗震能力是水库大坝设计的一个重要指标，决定着大坝安全性的高低，针对
地震时大坝无粘性土基础容易出现的液化破坏问题，抗震设计主要是加固大坝基础，提高大坝无粘性土基础的密实度。

在大坝基础设计中，经常采取的加固方法有挖除、人工压密以及置换、排水
减压等，其中，挖除就是对影响坝体安全的无粘性土、软弱土层、全强风化岩体
进行全部清除；人工加密是通过翻压、强夯、振冲等施工方式，来对砂土进行加密，提高其密实度，降低砂土孔隙率，增大其整体性和强度；置换是使用高强度
的块石、石渣等，置换出原有的低强度砂土，有效预防液化问题；排水减压是通
过降低砂土含水率，提高其抗液化能力的措施。

（二）结构设计
在大坝结构设计中，其首要目标是确保结构设计的稳定，具体来说，其设计
的要点主要包括：
首先，做好相关资料的收集，包括当地的历史降雨量、水文情况和地质情况
等等，尽量提高资料收集的完善度，并做好资料的整理与分析，并进行实地勘察，为水库大坝结构设计提供准确、可靠的数据支持。

其次，确定坝顶高程，坝顶高程决定着大坝的防洪能力，在坝顶高程确定时，应当分别按照正常情况、非正常情况两种状态，取此两种状态下静水位与对应超
高之和中的较大值，最为大坝的最终坝顶高程标准值。

坝顶高程的计算公式为y=R+e+A，其中，式中字母含义依次为：静水位上坝
顶超高、沿坝坡的风浪爬高、最大风壅水面高度和安全加高，在正常情况和非正
常下，安全加高分别取0.50m和0.30m[1]。

同时，在坝顶设计中，还需要做好路面排水、坝顶宽度的设计，避免积水渗
入到坝体中，影响坝体的安全，坝顶宽度则与大坝的承载力大小有着密切联系。

其次，做好坝坡设计，坝坡设计应做好坝坡抗滑稳定分析计算。

坝坡抗滑稳
定分析计算的关键是对筑坝材料物理力学指标的的合理选取：对于粘性土，其试
验制样所需土料相对较少，试验相对简单，一般试验组数较多，当试验资料结果
大于11组时，力学可以取小值均值，物理指标取平均值，渗漏量计算时渗透系
数大值均值，水位降落期渗透系数取小值均值；对于大坝结构起支撑作用的砂砾
石料、石碴料或堆石料，其试验制样所需材料相对较多，取样及试验相对复杂，
所以试验组数一般较少，而且室内试验力学指标和实际填筑坝体的力学指标的关
联性资料较少，所以设计时通常对室内试验结果打折取用。

本人通过对红豆树、
小沙河等水库的设计，认为砂砾石料、石碴料或堆石料的内摩擦角可以取室内试
试验结果的8.5～9.5折，打折的高低需要通过对取样的代表性，料场规划开采范
围天然建材的风化程度进行选取，取样代表性差、规划开采范围风化程度高取小值，反之取大值，粘聚力在30～50KPa。

通过对坝坡稳定性的分析，分别计算出
稳定渗流期上、下流坝坡稳定以及水库水位降落上游坝坡的抗滑（含抗震）安全
系数最小值，设计坝坡坡比抗滑（含抗震）安全系数最小值应满足相关规范要求。

对于均质土坝、厚斜墙坝、厚心墙坝的稳定分析通常采取简化毕肖普法计算，其
它可采用摩根斯顿-普赖斯（Morgenstern-Price）法计算。

其中，孔隙水压力、抗
剪强度稳定渗流期以及水位降落期应分别采用近似方法、有效应力法和总应力法
来计算。

同时，还需要进行渗流计算，渗流计算应当按照设计洪水位、正常蓄水位、
校核洪水位稳定渗流期、大坝正常运行过程上游水位降落期来进行，计算出浸润
线与坝体、坝面的相对位置，确保浸润线是位于坝体内部的，不会溢出坝面，下
游坝坡最高出逸点应在排水棱体顶以下，才能保证坝体渗流的安全可靠。

此外，为确保坝坡表层的安全，比如说上游坝坡死水位以上的防波浪淘蚀，
下游坝坡表面防雨水侵蚀等，还应当对其采取必要的加固措施，来有效提高坝坡
与整个大坝结构的整体稳定性。

最后，中、低坝需对大坝沉降进行设计，在通常情况下，大部沉降设计需要
根据沉降试验资料来计算，如果没有沉降试验资料，可以采取坝顶预留沉降超高
的设计，按照工程经验，此超高值应为坝高的1%。

高坝还需要对坝体进行应力
应变分析。

（三）防渗设计
渗漏作为水库大坝最常发生的问题，做好防渗设计、提高大坝的抗渗能力，
也是土石坝大坝设计中应当重视的一项工作。

在土石坝大坝防渗设计中，主要有水平防渗、垂直防渗两种，防渗设计的基
本原则是上堵下排，在实际当中，针对新建工程常使用的防渗设计有：第一，上游坝坡表面防渗和基础防渗处理形成整体防渗系统：主要有面板堆
石坝的面板和基础灌浆，适用于基础整体性较好、无溶洞现象、砂卵砾石层不厚
的情况；面板和基础防渗墙，适用于基础有溶洞现象或砂卵砾石层较厚的情况；
上游粘土斜墙和基础灌浆、游粘土斜墙和基础防渗墙，适用条件与面板堆石坝相同。

第二，心墙防渗和基础防渗处理形成整体防渗系统：心墙与基础灌浆，心墙
与基础防渗墙，适用条件与面板堆石坝相同。

针对除险加固工程常使用的防渗设计有：
第一，混凝土防渗墙技术，是通过在土石坝坝体内部增加一层混凝土墙，利
用混凝土高密实度的特性，来起到防渗加固效果，其优点是适用范围广，实用性、耐久性较强，防渗效果较为理想，对于施工条件也没有太高的要求，在绝大多数
水库大坝中都可以使用[2]。

第二，劈裂灌浆技术，此种技术是通过在土坝上布置一条顺轴线方向的钻孔，利用压力作用，将浆液灌注到坝体中，使坝体从轴线方向劈开后，再向其内灌注
适宜的泥浆，在坝体中形成连续的竖直浆体防渗墙，起到防渗加固作用。

此技术
的优点有加固原理明确、施工便捷、费用低、效率高，。