土石坝枢纽设计相关研究

土石坝枢纽设计相关研究

焦致锐

四川君信工程项目管理咨询有限公司四川成都610000

摘要：土石坝枢纽的设计工作对于土石坝施工工程质量有着关键的影响，需要设计技术人员从多方面考虑影响其设计的因素，并针对实际情况分析解决的方法与策略。

关键词：土石坝；枢纽；设计

引言

目前，我国在建和正在设计的水利水电枢纽工程多地处西部偏远山区，坝址地形地质条件背景复杂，坝基覆盖层多较为深厚。水库安全工作的重要性日益凸显，特别是土石坝属牛的优化设计工作已经成为现阶段我国水利工作者们主要研究课题和重点任务。

1土石坝的分类

土石坝主要是由土料、石料或混合料经过抛填、辗压等施工方式堆筑而成的坝型，构成材料多数可以就地取材，在施工中避免了运输工序，既节省了时间，又节省了成本，具有其他坝型无法比拟的优势。其特点为可以就地取材，结构相对简单，对地基要求不高，可以很好地适应地形，在施工中，技术简单，对机械要求不是很高。但土石坝也有不足之处，就是坝身不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，粘性土料的填筑受气候条件影响较大等。土石坝按其组成材料的比例不同，可分为土坝、堆石坝、土石混合坝，土坝主要是以土和砂砾为主，堆石坝主要以石渣、卵石、爆破石料为主，而两类材料比例相当则构成了土石混合坝。如果按其施工方法不同，则有碾压式、冲填式、水中填土坝及爆破堆石坝等种类。土石坝按坝高度来区分，则有低坝、中坝和高坝三种。在实际施工中，碾压式土石坝最为常见，按其坝身的配置和防渗体所用的材料种类，则又有均质坝、土质心墙坝、土质斜墙坝、多种土质坝、人工材料心墙坝、人工材料面板坝等多种类的区分。

2枢纽总体布置

（1）水库枢纽建筑物组成。根据水库枢纽的任务，枢纽组成建筑物一般包括：拦河大坝、水电站建筑物、泄水建筑物、放空洞等。

（2）工程规模。某水电站总库容53.90亿m3，电站装机6台，单机容量550MW，总装机容量3300MW。根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》及该工程的一些指标确定工程规模如下：根据水库总库容确定枢纽等别为一等。大坝、溢洪道、泄洪隧洞、电站进水口及引水管道、主副厂房、放空洞等主要建筑物按1级建筑物设计；其他次要水工建筑物按3级建筑物设计。

（3）防洪标准。根据《防洪标准》GB50201-94的规定，并考虑本工程的重要性，各建筑物洪水标准为：拦河坝为土石坝，采用设计洪水频率P=0.2%，重现期500年，相应洪峰流量9460m3/s；校核洪水采用可能最大洪水（PMF），相应洪峰流量15250m3/s。电站厂房采用设计洪水频率P=1%，重现期100年，相应洪峰流量9440m3/s；校核洪水频率P=0.1%，重现期1000年，相应洪峰流量11500m3/s。泄洪建筑物按重现期500年洪水设计、最大可能洪水校核。河流两岸护坡按100年一遇洪水设计。

（4）枢纽总体布置方案的确定。枢纽布置的基本原则是充分利用坝址区的地形地质条件。左岸为凸岸，利用裁弯取直，可以缩短引水、泄水线路。左岸出露的岩体为中粗粒花岗岩，没有大的地质构造，较新鲜完整，具备修建大型地下洞室的地质条件。因此采用左岸地下厂房长尾水枢纽布置方案，即河床中建心墙堆石坝，引水发电建筑物及泄洪建筑物均布置于左岸，右岸设置一条放空隧洞。其中泄洪建筑物包括一条溢洪道、一条深孔泄洪洞。

3坝型及坝线选择

（1）坝型选择。影响土石坝坝型选择的因素很多，最重要的是坝址附近的筑坝材料，还有地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等因素。选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型。根据坝址区地形地质条件，比较了心墙土石坝（直心墙和斜心墙）、混凝土面板堆石坝（趾板建在基岩上）和沥青混凝土心墙坝3种坝型。

（2）坝线选择。本工程以勘探线作为坝轴线，枢纽布置可以充分利用河湾地形，防渗线和墙范围覆盖层中无砂层分布，两个砂层透镜体分别位于坝体上、下游压重之下，对土石坝和混凝土防渗墙的应力应变及动力稳定影响小，也有利于砂层抗地震液化；两岸的接头条件好，谷坡稳定，无不利地质构造；导流洞洞线短，进出口稳定条件较好。

4泄水建筑物设计

该项工程坝址处河谷狭窄，洪水流量大，挡水大坝高达186m，具有“高水头、大泄量、窄河谷”的特点。鉴于本工程河流左岸出露的岩层系中粗粒花岗岩，岩性坚硬，大多较新鲜完整，且左岸为河湾的凸岸，转角近90°，因此，泄洪建筑物及引水发电建筑物均设在河流左岸。泄洪建筑物包括一条溢洪道、一条深孔泄洪洞。

（1）溢洪道设计。溢洪道的布置应根据地形、地质、工程特点、枢纽布置、坝型、施工及运用条件、经济指标等综合因素进行全面考虑。本设计采用正槽式溢洪道，溢洪道轴线基本顺直，与坝轴线基本垂直，将洪水下泄至下游河床。溢洪道由引水渠、控制段、泄槽、消能防冲设施及尾水渠等组成。

（2）引水渠设计。引水渠的布置应遵循下列原则：选择有利的地形地质条件；在选择轴线方向时，应使进水顺畅；引水渠较长时，宜在控制段之前设置渐变段，其长度视流速等条件确定，不宜小于2倍堰前水深；引水渠进口布置应因地制宜，使水流平顺入渠，体型宜简单；引水渠底宽顺水流方向收缩时，进水渠首、末端底宽之比宜在1.5～3之间，在与控制段连接处应与溢流前缘等宽。底板宜为平底或不大的反坡。

5土石坝加固工程设计

溢洪道起着排水减压的重要作用，水库安全的保险阀。由于当初对其认识不够，绝大多数水库的溢洪道设置非常简单，一般采用土溢洪道、半土溢洪道等方式，根本无法满足实际使用需要。另外，由于上述简易溢洪道抗冲刷能力和泄洪能力不足，容易引发水土流失、浆石等问题，甚至有的水库溢洪道野草丛生，严重影响了溢洪道正常功能的发挥。

（1）地质指标分析。石材和土料是修建土石坝主要施工材料，性质好坏直接关系着土石坝建成投入使用后的质量水平。要保障工程质量，必须对施工过程中涉及到的石材和土料进行严格的性能管控。要按照技术规范对石材和土料进行理化分析。不同土层、不同土质都要取样分析，杜绝以偏概全，发现问题要及时处置。

（2）材料设计。土石坝工程材料设计，就是综合考虑设计要求和土料的性能指标，对土料予以科学合理地使用安全，从而充分发挥材料的性能，保障工程质量。由于材料性能和用法的不同，设计分析也要采取不同的设计指标和设计方法。特别是要对严格管控土料的密度，以提高土质的抗剪强度和抗拉裂能力。

（3）除险加固设计。土石坝除险加固设计是一门综合性学科，设计过程中需要应用的知识和涉及的问题范围极广。其中，坝坡质量、稳定性、渗透性、护坡设计等是土石坝设计工作的重点。要保障这些项目设计目标的圆满实现，必须进行深入细致的土质勘察工作，并做到施工全过程中土质质量的严格管控，保障土质质量符合要求。

结束语

综上所述，作为水利工作者，要充分认识到水库病害的危险和出现加工施工的重要作用，做好前期调研，根据当地实际情况制定科学合理、切实可行的加固除险施工方案，从而为水库的长久平稳高效运行提供坚实保障，进而促进当地经济发展和社会稳定。

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