土石壩樞紐設計相關研究

焦致銳

摘要：土石壩樞紐的設計工作對于土石壩施工工程質量有著關鍵的影響，需要設計技術人員從多方面考慮影響其設計的因素，并針對實際情況分析解決的方法與策略。

關鍵詞：土石壩；樞紐；設計

引言

目前，我國在建和正在設計的水利水電樞紐工程多地處西部偏遠山區，壩址地形地質條件背景復雜，壩基覆蓋層多較為深厚。水庫安全工作的重要性日益凸顯，特別是土石壩屬牛的優化設計工作已經成為現階段我國水利工作者們主要研究課題和重點任務。

1 土石壩的分類

土石壩主要是由土料、石料或混合料經過拋填、輾壓等施工方式堆筑而成的壩型，構成材料多數可以就地取材，在施工中避免了運輸工序，既節省了時間，又節省了成本，具有其他壩型無法比擬的優勢。其特點為可以就地取材，結構相對簡單，對地基要求不高，可以很好地適應地形，在施工中，技術簡單，對機械要求不是很高。但土石壩也有不足之處，就是壩身不能溢流，施工導流不如混凝土壩方便，粘性土料的填筑受氣候條件影響較大等。土石壩按其組成材料的比例不同，可分為土壩、堆石壩、土石混合壩，土壩主要是以土和砂礫為主，堆石壩主要以石渣、卵石、爆破石料為主，而兩類材料比例相當則構成了土石混合壩。如果按其施工方法不同，則有碾壓式、沖填式、水中填土壩及爆破堆石壩等種類。土石壩按壩高度來區分，則有低壩、中壩和高壩三種。在實際施工中，碾壓式土石壩最為常見，按其壩身的配置和防滲體所用的材料種類，則又有均質壩、土質心墻壩、土質斜墻壩、多種土質壩、人工材料心墻壩、人工材料面板壩等多種類的區分。

2樞紐總體布置

（1）水庫樞紐建筑物組成。根據水庫樞紐的任務，樞紐組成建筑物一般包括：攔河大壩、水電站建筑物、泄水建筑物、放空洞等。

（2）工程規模。某水電站總庫容53.90億m3，電站裝機6臺，單機容量550MW，總裝機容量3300MW。根據《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準》及該工程的一些指標確定工程規模如下：根據水庫總庫容確定樞紐等別為一等。大壩、溢洪道、泄洪隧洞、電站進水口及引水管道、主副廠房、放空洞等主要建筑物按1級建筑物設計；其他次要水工建筑物按3級建筑物設計。

（3）防洪標準。根據《防洪標準》GB50201-94的規定，并考慮本工程的重要性，各建筑物洪水標準為：攔河壩為土石壩，采用設計洪水頻率P=0.2%，重現期500年，相應洪峰流量9460m3/s；校核洪水采用可能最大洪水（PMF），相應洪峰流量15250m3/s。電站廠房采用設計洪水頻率P=1%，重現期100年，相應洪峰流量9440m3/s；校核洪水頻率P=0.1%，重現期1000年，相應洪峰流量11500m3/s。泄洪建筑物按重現期500年洪水設計、最大可能洪水校核。河流兩岸護坡按100年一遇洪水設計。

（4）樞紐總體布置方案的確定。樞紐布置的基本原則是充分利用壩址區的地形地質條件。左岸為凸岸，利用裁彎取直，可以縮短引水、泄水線路。左岸出露的巖體為中粗粒花崗巖，沒有大的地質構造，較新鮮完整，具備修建大型地下洞室的地質條件。因此采用左岸地下廠房長尾水樞紐布置方案，即河床中建心墻堆石壩，引水發電建筑物及泄洪建筑物均布置于左岸，右岸設置一條放空隧洞。其中泄洪建筑物包括一條溢洪道、一條深孔泄洪洞。

3壩型及壩線選擇

（1）壩型選擇。影響土石壩壩型選擇的因素很多，最重要的是壩址附近的筑壩材料，還有地形地質條件、氣候條件、施工條件、壩基處理、抗震要求等因素。選擇幾種比較優越的壩型，擬定剖面輪廓尺寸，進而比較工程量、工期、造價，最后選定技術上可靠、經濟上合理的壩型。根據壩址區地形地質條件，比較了心墻土石壩（直心墻和斜心墻）、混凝土面板堆石壩（趾板建在基巖上）和瀝青混凝土心墻壩3種壩型。

（2）壩線選擇。本工程以勘探線作為壩軸線，樞紐布置可以充分利用河灣地形，防滲線和墻范圍覆蓋層中無砂層分布，兩個砂層透鏡體分別位于壩體上、下游壓重之下，對土石壩和混凝土防滲墻的應力應變及動力穩定影響小，也有利于砂層抗地震液化；兩岸的接頭條件好，谷坡穩定，無不利地質構造；導流洞洞線短，進出口穩定條件較好。

4 泄水建筑物設計

該項工程壩址處河谷狹窄，洪水流量大，擋水大壩高達186m，具有“高水頭、大泄量、窄河谷”的特點。鑒于本工程河流左岸出露的巖層系中粗粒花崗巖，巖性堅硬，大多較新鮮完整，且左岸為河灣的凸岸，轉角近90°，因此，泄洪建筑物及引水發電建筑物均設在河流左岸。泄洪建筑物包括一條溢洪道、一條深孔泄洪洞。

（1）溢洪道設計。溢洪道的布置應根據地形、地質、工程特點、樞紐布置、壩型、施工及運用條件、經濟指標等綜合因素進行全面考慮。本設計采用正槽式溢洪道，溢洪道軸線基本順直，與壩軸線基本垂直，將洪水下泄至下游河床。溢洪道由引水渠、控制段、泄槽、消能防沖設施及尾水渠等組成。

（2）引水渠設計。引水渠的布置應遵循下列原則：選擇有利的地形 地質條件；在選擇軸線方向時，應使進水順暢；引水渠較長時，宜在控制段之前設置漸變段，其長度視流速等條件確定，不宜小于2倍堰前水深；引水渠進口布置應因地制宜，使水流平順入渠，體型宜簡單；引水渠底寬順水流方向收縮時，進水渠首、末端底寬之比宜在1.5～3之間，在與控制段連接處應與溢流前緣等寬。底板宜為平底或不大的反坡。

5土石壩加固工程設計

溢洪道起著排水減壓的重要作用，水庫安全的保險閥。由于當初對其認識不夠，絕大多數水庫的溢洪道設置非常簡單，一般采用土溢洪道、半土溢洪道等方式，根本無法滿足實際使用需要。另外，由于上述簡易溢洪道抗沖刷能力和泄洪能力不足，容易引發水土流失、漿石等問題，甚至有的水庫溢洪道野草叢生，嚴重影響了溢洪道正常功能的發揮。

（1）地質指標分析。石材和土料是修建土石壩主要施工材料，性質好壞直接關系著土石壩建成投入使用后的質量水平。要保障工程質量，必須對施工過程中涉及到的石材和土料進行嚴格的性能管控。要按照技術規范對石材和土料進行理化分析。不同土層、不同土質都要取樣分析，杜絕以偏概全，發現問題要及時處置。

（2）材料設計。土石壩工程材料設計，就是綜合考慮設計要求和土料的性能指標，對土料予以科學合理地使用安全，從而充分發揮材料的性能，保障工程質量。由于材料性能和用法的不同，設計分析也要采取不同的設計指標和設計方法。特別是要對嚴格管控土料的密度，以提高土質的抗剪強度和抗拉裂能力。

（3）除險加固設計。土石壩除險加固設計是一門綜合性學科，設計過程中需要應用的知識和涉及的問題范圍極廣。其中，壩坡質量、穩定性、滲透性、護坡設計等是土石壩設計工作的重點。要保障這些項目設計目標的圓滿實現，必須進行深入細致的土質勘察工作，并做到施工全過程中土質質量的嚴格管控，保障土質質量符合要求。

結束語

綜上所述，作為水利工作者，要充分認識到水庫病害的危險和出現加工施工的重要作用，做好前期調研，根據當地實際情況制定科學合理、切實可行的加固除險施工方案，從而為水庫的長久平穩高效運行提供堅實保障，進而促進當地經濟發展和社會穩定。

參考文獻：

[1]董玉德，譚建榮，趙韓.基于約束參數化的設計技術研究現狀分析[J].中國圖象圖形學報：A版，2002，7（6）.

[2]孟祥旭，徐延寧.參數化設計研究[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2002，14（11）.

[3]陳龍，王進，陸國棟.三維服裝參數化設計技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2011，23（9）.

[4]陳亞琴，李進.長河壩水電站泄洪建筑物的布置研究[J].水電站設計，2009（4）.

[5]戴會超，楊文俊.三峽工程泄洪建筑物泄洪消能問題研究[J].水力發電學報，2007（1）.