關于水庫土石壩設計重點探究

楚雄欣源水利水電勘察設計有限責任公司

摘要：水庫大壩是我國重要的水利基礎設施，承擔著防洪、灌溉、航運等眾多功能，與我國國民經濟發展有著密切聯系，也關系到人們的生命財產安全，確保水庫大壩的安全可靠十分重要，而土石壩是當地材料壩，在我國大壩設計中占比大。因此，必須提高土石壩設計水平。本文就通過對水庫土石壩設計重點的研究，以期為實際設計工作提供一定借鑒，促進水庫土石壩安全水平的提升。

關鍵詞：水庫土石壩大壩；設計；重點；探究

大壩是水庫工程中的核心部分，直接關系到整個水庫工程功能是否能夠正常發揮，必須盡量提高水庫大壩的可靠性。水庫大壩設計是其可靠與否的重要影響因素，如果設計出現失誤，就可能給水庫大壩埋下嚴重的安全隱患，發生滲漏、裂縫甚至是垮塌等后果，造成巨大經濟損失和人員傷亡，所以，必須做好水庫大壩設計的研究，掌握設計要點，避免設計問題，不斷提高設計水平。

一、土石壩設計常見的問題

我國是一個水資源大國，興建了許多中小型水庫大壩，而且多為土石壩，這些大壩由于各種因素影響，存在著許多設計問題，主要體現在以下幾方面：

一是基礎，特別是無粘性土（粉砂、砂、砂卵礫石等）基礎的抗震能力不足，在已經建成的土石壩中，尤其是上世紀50、60年代建設的土石壩，對基礎處理不完善，本身抗震設計標準偏低，無法達到防止地震液化的安全運行標準，我國地震又相對較為頻繁，水庫大壩安全面臨著嚴峻形勢，如果遇到地震災害，許多大壩基礎可能會發生無粘性土（粉砂、砂、砂卵礫石等）液化情況，引發壩體沉陷、拉裂、滑塌等事故。

二是滲漏問題嚴重，滲漏是水庫大壩特別是土石壩常見的問題，主要表現有管涌、流土、散浸和脫坡等，其主要是由于大壩設計密實度不足或結構不合理等造成的，在長期滲漏下，會引發沖決、潰壩等洪澇災害。

三是結構穩定性差，結構穩定性差也是我國水庫大壩普遍存在的一個問題，其發生原因有：壩坡偏陡、填筑料密實性差，大壩結構設計不合理，比如說上游壩坡水位變化區填筑料滲透系數過小，導致上游水位的降落快于上游壩體浸潤線的降落影響壩體安全。

四是設計標準偏低，中，小型水庫大壩占據著相當大的比例，特別是80年代以前由受益群眾自行組織建設的大壩，多為30m以下低壩，其設計簡單，洪水標準、泄洪能力等設計標準都相對較低，在遇到洪水時，無法起到防洪效果，引發土石壩漫頂潰壩事故。

二、水庫大壩設計的重點分析

（一）抗震設計

抗震能力是水庫大壩設計的一個重要指標，決定著大壩安全性的高低，針對地震時大壩無粘性土基礎容易出現的液化破壞問題，抗震設計主要是加固大壩基礎，提高大壩無粘性土基礎的密實度。

在大壩基礎設計中，經常采取的加固方法有挖除、人工壓密以及置換、排水減壓等，其中，挖除就是對影響壩體安全的無粘性土、軟弱土層、全強風化巖體進行全部清除；人工加密是通過翻壓、強夯、振沖等施工方式，來對砂土進行加密，提高其密實度，降低砂土孔隙率，增大其整體性和強度；置換是使用高強度的塊石、石渣等，置換出原有的低強度砂土，有效預防液化問題；排水減壓是通過降低砂土含水率，提高其抗液化能力的措施。

（二）結構設計

在大壩結構設計中，其首要目標是確保結構設計的穩定，具體來說，其設計的要點主要包括：

首先，做好相關資料的收集，包括當地的歷史降雨量、水文情況和地質情況等等，盡量提高資料收集的完善度，并做好資料的整理與分析，并進行實地勘察，為水庫大壩結構設計提供準確、可靠的數據支持。

其次，確定壩頂高程，壩頂高程決定著大壩的防洪能力，在壩頂高程確定時，應當分別按照正常情況、非正常情況兩種狀態，取此兩種狀態下靜水位與對應超高之和中的較大值，最為大壩的最終壩頂高程標準值。

壩頂高程的計算公式為y=R+e+A，其中，式中字母含義依次為：靜水位上壩頂超高、沿壩坡的風浪爬高、最大風壅水面高度和安全加高，在正常情況和非正常下，安全加高分別取0.50m和0.30m[1]。

同時，在壩頂設計中，還需要做好路面排水、壩頂寬度的設計，避免積水滲入到壩體中，影響壩體的安全，壩頂寬度則與大壩的承載力大小有著密切聯系。

其次，做好壩坡設計，壩坡設計應做好壩坡抗滑穩定分析計算。壩坡抗滑穩定分析計算的關鍵是對筑壩材料物理力學指標的的合理選取：對于粘性土，其試驗制樣所需土料相對較少，試驗相對簡單，一般試驗組數較多，當試驗資料結果大于11組時，力學可以取小值均值，物理指標取平均值，滲漏量計算時滲透系數大值均值，水位降落期滲透系數取小值均值；對于大壩結構起支撐作用的砂礫石料、石碴料或堆石料，其試驗制樣所需材料相對較多，取樣及試驗相對復雜，所以試驗組數一般較少，而且室內試驗力學指標和實際填筑壩體的力學指標的關聯性資料較少，所以設計時通常對室內試驗結果打折取用。本人通過對紅豆樹、小沙河等水庫的設計，認為砂礫石料、石碴料或堆石料的內摩擦角可以取室內試試驗結果的8.5～9.5折，打折的高低需要通過對取樣的代表性，料場規劃開采范圍天然建材的風化程度進行選取，取樣代表性差、規劃開采范圍風化程度高取小值，反之取大值，粘聚力在30～50KPa。通過對壩坡穩定性的分析，分別計算出穩定滲流期上、下流壩坡穩定以及水庫水位降落上游壩坡的抗滑（含抗震）安全系數最小值，設計壩坡坡比抗滑（含抗震）安全系數最小值應滿足相關規范要求。對于均質土壩、厚斜墻壩、厚心墻壩的穩定分析通常采取簡化畢肖普法計算，其它可采用摩根斯頓-普賴斯（Morgenstern-Price）法計算。其中，孔隙水壓力、抗剪強度穩定滲流期以及水位降落期應分別采用近似方法、有效應力法和總應力法來計算。

同時，還需要進行滲流計算，滲流計算應當按照設計洪水位、正常蓄水位、校核洪水位穩定滲流期、大壩正常運行過程上游水位降落期來進行，計算出浸潤線與壩體、壩面的相對位置，確保浸潤線是位于壩體內部的，不會溢出壩面，下游壩坡最高出逸點應在排水棱體頂以下，才能保證壩體滲流的安全可靠。

此外，為確保壩坡表層的安全，比如說上游壩坡死水位以上的防波浪淘蝕，下游壩坡表面防雨水侵蝕等，還應當對其采取必要的加固措施，來有效提高壩坡與整個大壩結構的整體穩定性。

最后，中、低壩需對大壩沉降進行設計，在通常情況下，大部沉降設計需要根據沉降試驗資料來計算，如果沒有沉降試驗資料，可以采取壩頂預留沉降超高的設計，按照工程經驗，此超高值應為壩高的1%。高壩還需要對壩體進行應力應變分析。

（三）防滲設計

滲漏作為水庫大壩最常發生的問題，做好防滲設計、提高大壩的抗滲能力，也是土石壩大壩設計中應當重視的一項工作。

在土石壩大壩防滲設計中，主要有水平防滲、垂直防滲兩種，防滲設計的基本原則是上堵下排，在實際當中，針對新建工程常使用的防滲設計有：

第一，上游壩坡表面防滲和基礎防滲處理形成整體防滲系統：主要有面板堆石壩的面板和基礎灌漿，適用于基礎整體性較好、無溶洞現象、砂卵礫石層不厚的情況；面板和基礎防滲墻，適用于基礎有溶洞現象或砂卵礫石層較厚的情況；上游粘土斜墻和基礎灌漿、游粘土斜墻和基礎防滲墻，適用條件與面板堆石壩相同。

第二，心墻防滲和基礎防滲處理形成整體防滲系統：心墻與基礎灌漿，心墻與基礎防滲墻，適用條件與面板堆石壩相同。

針對除險加固工程常使用的防滲設計有：

第一，混凝土防滲墻技術，是通過在土石壩壩體內部增加一層混凝土墻，利用混凝土高密實度的特性，來起到防滲加固效果，其優點是適用范圍廣，實用性、耐久性較強，防滲效果較為理想，對于施工條件也沒有太高的要求，在絕大多數水庫大壩中都可以使用[2]。

第二，劈裂灌漿技術，此種技術是通過在土壩上布置一條順軸線方向的鉆孔，利用壓力作用，將漿液灌注到壩體中，使壩體從軸線方向劈開后，再向其內灌注適宜的泥漿，在壩體中形成連續的豎直漿體防滲墻，起到防滲加固作用。此技術的優點有加固原理明確、施工便捷、費用低、效率高，