關(guān)于水庫土石壩設(shè)計重點探究

楚雄欣源水利水電勘察設(shè)計有限責(zé)任公司

摘要：水庫大壩是我國重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著防洪、灌溉、航運等眾多功能，與我國國民經(jīng)濟發(fā)展有著密切聯(lián)系，也關(guān)系到人們的生命財產(chǎn)安全，確保水庫大壩的安全可靠十分重要，而土石壩是當(dāng)?shù)夭牧蠅危谖覈髩卧O(shè)計中占比大。因此，必須提高土石壩設(shè)計水平。本文就通過對水庫土石壩設(shè)計重點的研究，以期為實際設(shè)計工作提供一定借鑒，促進水庫土石壩安全水平的提升。

關(guān)鍵詞：水庫土石壩大壩；設(shè)計；重點；探究

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

一、土石壩設(shè)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(shè)計問題，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

一是基礎(chǔ)，特別是無粘性土（粉砂、砂、砂卵礫石等）基礎(chǔ)的抗震能力不足，在已經(jīng)建成的土石壩中，尤其是上世紀50、60年代建設(shè)的土石壩，對基礎(chǔ)處理不完善，本身抗震設(shè)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(zāi)害，許多大壩基礎(chǔ)可能會發(fā)生無粘性土（粉砂、砂、砂卵礫石等）液化情況，引發(fā)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(xiàn)有管涌、流土、散浸和脫坡等，其主要是由于大壩設(shè)計密實度不足或結(jié)構(gòu)不合理等造成的，在長期滲漏下，會引發(fā)沖決、潰壩等洪澇災(zāi)害。

三是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差也是我國水庫大壩普遍存在的一個問題，其發(fā)生原因有：壩坡偏陡、填筑料密實性差，大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，比如說上游壩坡水位變化區(qū)填筑料滲透系數(shù)過小，導(dǎo)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(shè)計標準偏低，中，小型水庫大壩占據(jù)著相當(dāng)大的比例，特別是80年代以前由受益群眾自行組織建設(shè)的大壩，多為30m以下低壩，其設(shè)計簡單，洪水標準、泄洪能力等設(shè)計標準都相對較低，在遇到洪水時，無法起到防洪效果，引發(fā)土石壩漫頂潰壩事故。

二、水庫大壩設(shè)計的重點分析

（一）抗震設(shè)計

抗震能力是水庫大壩設(shè)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(chǔ)容易出現(xiàn)的液化破壞問題，抗震設(shè)計主要是加固大壩基礎(chǔ)，提高大壩無粘性土基礎(chǔ)的密實度。

在大壩基礎(chǔ)設(shè)計中，經(jīng)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(fēng)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(yù)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(jié)構(gòu)設(shè)計

在大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計中，其首要目標是確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定，具體來說，其設(shè)計的要點主要包括：

首先，做好相關(guān)資料的收集，包括當(dāng)?shù)氐臍v史降雨量、水文情況和地質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計提供準確、可靠的數(shù)據(jù)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(yīng)當(dāng)分別按照正常情況、非正常情況兩種狀態(tài)，取此兩種狀態(tài)下靜水位與對應(yīng)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(fēng)浪爬高、最大風(fēng)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(shè)計中，還需要做好路面排水、壩頂寬度的設(shè)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(lián)系。

其次，做好壩坡設(shè)計，壩坡設(shè)計應(yīng)做好壩坡抗滑穩(wěn)定分析計算。壩坡抗滑穩(wěn)定分析計算的關(guān)鍵是對筑壩材料物理力學(xué)指標的的合理選?。簩τ谡承酝?，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(shù)較多，當(dāng)試驗資料結(jié)果大于11組時，力學(xué)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(shù)大值均值，水位降落期滲透系數(shù)取小值均值；對于大壩結(jié)構(gòu)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(fù)雜，所以試驗組數(shù)一般較少，而且室內(nèi)試驗力學(xué)指標和實際填筑壩體的力學(xué)指標的關(guān)聯(lián)性資料較少，所以設(shè)計時通常對室內(nèi)試驗結(jié)果打折取用。本人通過對紅豆樹、小沙河等水庫的設(shè)計，認為砂礫石料、石碴料或堆石料的內(nèi)摩擦角可以取室內(nèi)試試驗結(jié)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(guī)劃開采范圍天然建材的風(fēng)化程度進行選取，取樣代表性差、規(guī)劃開采范圍風(fēng)化程度高取小值，反之取大值，粘聚力在30～50KPa。通過對壩坡穩(wěn)定性的分析，分別計算出穩(wěn)定滲流期上、下流壩坡穩(wěn)定以及水庫水位降落上游壩坡的抗滑（含抗震）安全系數(shù)最小值，設(shè)計壩坡坡比抗滑（含抗震）安全系數(shù)最小值應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。對于均質(zhì)土壩、厚斜墻壩、厚心墻壩的穩(wěn)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(wěn)定滲流期以及水位降落期應(yīng)分別采用近似方法、有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法來計算。

同時，還需要進行滲流計算，滲流計算應(yīng)當(dāng)按照設(shè)計洪水位、正常蓄水位、校核洪水位穩(wěn)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(nèi)部的，不會溢出壩面，下游壩坡最高出逸點應(yīng)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(yīng)當(dāng)對其采取必要的加固措施，來有效提高壩坡與整個大壩結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

最后，中、低壩需對大壩沉降進行設(shè)計，在通常情況下，大部沉降設(shè)計需要根據(jù)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(yù)留沉降超高的設(shè)計，按照工程經(jīng)驗，此超高值應(yīng)為壩高的1%。高壩還需要對壩體進行應(yīng)力應(yīng)變分析。

（三）防滲設(shè)計

滲漏作為水庫大壩最常發(fā)生的問題，做好防滲設(shè)計、提高大壩的抗?jié)B能力，也是土石壩大壩設(shè)計中應(yīng)當(dāng)重視的一項工作。

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

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

第二，心墻防滲和基礎(chǔ)防滲處理形成整體防滲系統(tǒng)：心墻與基礎(chǔ)灌漿，心墻與基礎(chǔ)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(shè)計有：

第一，混凝土防滲墻技術(shù)，是通過在土石壩壩體內(nèi)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(yōu)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(shù)水庫大壩中都可以使用[2]。

第二，劈裂灌漿技術(shù)，此種技術(shù)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(nèi)灌注適宜的泥漿，在壩體中形成連續(xù)的豎直漿體防滲墻，起到防滲加固作用。此技術(shù)的優(yōu)點有加固原理明確、施工便捷、費用低、效率高，