水利工程土石壩樞紐設計研究

孫靜

摘? ? 要：土石壩樞紐的設計作為整個工程建設與使用的前期指導性工作，在土石壩工程中具有重要作用。由于土石壩樞紐所涉及的建筑和工程環節較多，需要我們在設計階段就對各方面要素進行全面考慮，并結合實際情況，最終確定出最優的設計方案。本文對土石壩樞紐做了簡單介紹，并對土石壩樞紐設計的前期準備、土石壩的組成和布置以及土石壩的剖面和構造進行了簡要分析。

關鍵詞：水利設計;土石壩樞紐;資料搜集;設計方法

1? 土石壩概述

土石壩是水利樞紐工程中的重要部分，多是由土料、石料或混合料經過一定的施工方式堆筑而成，而由于使用的都是常見的土、石材料，在施工時可以直接就地取材，減少了大量的運輸環節和時間成本，是一項十分實用的水利工程壩型。相較于其他壩型，土石壩還具有結構簡單、地基要求較低、較好的地形適應性、施工技術簡單以及對機械設備要求較低等諸多優點，在一些條件較差的地區應用較多。但同時，土石壩也具有許多缺陷，如壩身無法溢流、施工導流較為復雜、粘性土料易受氣候等自然條件影響等，這就需要我們在具體的施工設計時對這些問題予以更多的考慮，以找出有效的解決策略。

現階段我國的水利工程樞紐仍多建造于偏遠山區地區，且這些壩址的地質條件都較為復雜，土石壩的建造和功能的發揮受到諸多影響，水庫安全工作的重要性不斷凸顯，這就使土石壩的優化設計的重要性不斷提升。

2? 土石壩樞紐設計的準備工作

2.1? 基本資料的采集

土石壩樞紐設計是水利工程具體施工的基礎，其設計的針對性、科學性與合理性直接關系著水利樞紐整體工程的質量、后期造價以及樞紐功能的發揮。因此，我們必須要充分做好與設計有關的一切工作，而前期資料收集也正是其中之一。土石壩設計前期資料的收集能夠幫助設計人員對建造當地的地形、地質、氣象、水紋以及植被等情況有一個全方位掌握，從而為后期設計方案的制定與調整提供基礎的理論依據，以確保最終設計的科學合理性，進而保障水利樞紐工程的質量。

2.2? 軸線選擇

軸線的確定在土石壩設計中是一個十分復雜的過程，要考慮的因素同樣很多。在選擇軸線時，首先需要結合壩址當地的地形、地質等環境因素以及施工的具體條件，再根據水利樞紐的布置、水庫淹沒程度和經濟條件等情況進行綜合研判，最終確定出最為合適的軸線。軸線選擇的具體要求有以下幾方面：（1）地形條件。在地形條件不錯的情況下，要盡量選擇軸線較短的位置，有利于泄水建筑物的建造，同時要根據施工要求來確定壩岸兩端的厚度，從而最大程度保證施工安全。（2）地質條件。土石壩建設區域應該具有較小的透水性，而整塊的巖石或堅實底層都能滿足這方面要求，因此軸線選擇也需要考慮這一點。（3）建筑材料和樞紐布置。軸線的選擇還應考慮到土石壩樞紐的施工過程。而施工就涉及建筑材料，因此建筑材料的供應與運輸也是軸線選擇的考慮因素。此外，軸線選擇要能方便泄洪洞、發電站等設施的建筑施工，保證樞紐中各建筑物布置合理，互不干擾且同時進行。

3? 土石壩樞紐組成及布置

3.1? 土石壩樞紐的組成

任何一個土石壩樞紐工程都是由眾多建筑物組成的。如泄洪洞等泄洪建筑、發電飲水建筑、排沙建筑、水電建筑、工業用水飲水建筑、灌溉飲水建筑物、開關站、施工導流建筑及泄水建筑等都是土石壩樞紐中的重要部分。

3.2? 樞紐布置原則

由于土石壩樞紐工程是集多種功能與一體，各項建筑各司其職，協調配合最終實現防洪和供水供電等多項目標的項目，所以所涉及的建筑較多，其中任何一個建筑不能順利完成，都會影響到整個土石壩工程的正常運轉。因此，土石壩樞紐在設計中要充分布置好每個建筑，不僅要確保各建筑施工能夠同時進行，互不干擾，以盡量加快施工進度，還要充分考慮到施工中的安全性。此外，還應以經濟最優為原則，在保證樞紐質量和功能正常的情況下，合理分配整體經濟，以最大限度的降低成本，節省資金。而對于土石壩的設計，相關人員則應該根據上述原則設計出多套方案，在對這些方案進行對比分析，最后優中選優。同時，還需要考慮到以下兩點原則。

（1）泄洪建筑的設計是水利樞紐工程的重要一環，在設計過程中要對其形式進行合理設計，不僅要考慮到具體的使用要求，還應對主要泄洪建筑盡量采用敞式溢洪道設計，并結合經濟情況進行對比研究，以敲定最優方案。（2）作為水利樞紐，土石壩中的泄水引水建筑首當其沖面臨著水流的沖擊，這就要求設計時要盡可能提升泄水引水建筑的穩定性和強度，保證建筑物進口附近岸坡能夠有效抵擋水流而不被沖毀。而對于含沙量高的河流，則需要建設排沙建筑并做好防淤措施。

4? 土石壩的剖面和構造

4.1? 土石壩基本尺寸

土石壩的基本尺寸是設計過程中的一項重要內容 主要涉及到壩坡、壩頂高程和壩頂寬度三個項目。

壩坡的尺寸需要根據壩的級別、壩型、壩高以及壩體和壩基材料、施工條件和荷載等要素來確定。土質防滲體土石壩和瀝青混凝土心墻和面板壩可參照已有經驗或方法對壩坡進行擬定，再經穩定計算確定。一般情況下土石壩壩坡會在1：2～1：4之間。上下游邊坡馬道的設置也會根據壩面排水、道路、觀測和壩基穩定等情況而有所不同，不過寬度通常都在1.5m～2.0m之間。

壩頂高程需要在正常運用與非常運用的凈水位上加一個超高y來算出。當壩頂設防浪墻時，壩頂超高可改為防浪墻頂的要求，但此時處于正常運用條件下，所以壩頂需高出靜水位0.5m。而在非常運用條件下，壩頂則不應低于靜水位。

壩頂寬度需要根據構造、抗震、施工以及運行等各因素來確定。除非有特殊要求，一般情況下高壩可采用10m～15m的壩頂最小寬度，中低壩可采用5m～10m的壩頂最小寬度。此外壩的級別越高，選值越大，反之選值越小。

4.2? 壩的防滲體

土石壩的防滲體多采用土質防滲體。在圖紙防滲體斷面尺寸的設計上需要結合防滲體所用土料的滲透比降與抗裂性等質量因素以及防滲土料的數量、壩基的性質與相關處理方法、防滲土料與壩殼材料價格比值、施工難易度等各方面情況來綜合考慮分析后再最終確定。土質防滲體斷面的滲透比降、滲透流量和下游浸潤線也要滿足一定的樞紐建設要求。例如，如果在8度、9度地震烈度的地區建設土石壩，防滲體就需要自上而下逐漸加厚，并保證頂部水平寬度大于3m，底部斜墻厚度大于水頭的1/5，心墻厚度大于水頭的1/4。

5? 結束語

綜上所述，水利工程土石壩樞紐的設計是一項龐雜的工作，不但涉及到土石壩主體的設計，還涉及到個配套建筑物的設計，既需要結合壩址當地的實際情況，也需要考慮到后期的施工過程、經濟效益以及安全性。因此，我們需要充分掌握土石壩設計中的各個環節與影響因素，并不斷地加強對設計工作的研究與實踐，以確保土石壩的設計更具科學性與合理性，能夠更好的保證土石壩樞紐質量與用途發揮。

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