水利工程土石壩設(shè)計要點分析

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【摘要】土石壩是擋水壩中的一種，是水利工程重點設(shè)計項目，其設(shè)計合理性直接影響土石壩穩(wěn)定性、排水性、防滲性及護(hù)坡功能。因此在水利工程土石壩樞紐設(shè)計過程中，必須根據(jù)當(dāng)時地質(zhì)條件和施工環(huán)境進(jìn)行設(shè)計，確保設(shè)計方案符合水利工程施工要求。

【關(guān)鍵詞】水利工程；土石壩；樞紐設(shè)計；要點

前言

水利工程與我們生活密切相關(guān)，是人們正常用水的保障。在社會不斷發(fā)展過程中，隨著人們用水量不斷增加，水利工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。土石壩作為水利工程重要組成部分之一，其設(shè)計科學(xué)合理性直接影響水利工程建設(shè)。因此設(shè)計人員在進(jìn)行土石壩設(shè)計前，必須對當(dāng)?shù)丨h(huán)境進(jìn)行調(diào)查分析，進(jìn)而實現(xiàn)理想化設(shè)計效果[1]。

1水利工程土石壩介紹

1.1土石壩概念

土石壩是指采用當(dāng)?shù)厥稀⒒旌狭匣蛲亮?，?jīng)過特殊工藝堆砌而成的擋水壩。在土石壩施工中采用的施工技能相較于其他技能，具有較好經(jīng)濟(jì)性能及應(yīng)用性能，因此在水利工程中應(yīng)用較為廣泛。在實際施工中，由于對土石壩施工使用材料沒有明確要求，部分施工隊伍使用當(dāng)?shù)夭牧?，進(jìn)而有效降低施工成本，提高水利工程經(jīng)濟(jì)價值。就拿云南省文山地區(qū)來講，目前已建成的土石壩較多，均采用當(dāng)?shù)夭牧线M(jìn)行筑壩，多數(shù)土石壩壩型為粘土心墻堆石壩，少部分為粘土心墻風(fēng)化料壩和混凝土面板堆石壩。此外，土石壩施工步驟簡單，只需借助簡單的機(jī)械設(shè)備就能快速完成施工。在施工結(jié)束后，檢查周圍土壤密實度，出現(xiàn)松散情況應(yīng)進(jìn)行碾壓，確保土壤緊密度，進(jìn)而提高土石壩的穩(wěn)定性。隨著現(xiàn)代科技不斷發(fā)展，施工技術(shù)、觀念不斷更新，進(jìn)一步提升土石壩施工技術(shù)。

1.2土石壩優(yōu)勢及設(shè)計類型

土石壩是水利工程的一種壩體，在土石壩施工中具有優(yōu)勢眾多：①施工使用材料簡單，并且價格低廉，減少施工成本支出；②采用科學(xué)合理的設(shè)計理念，保障壩體性能良好，使用壽命較長；③水利工程施工技術(shù)不斷創(chuàng)新，進(jìn)一步提高土石壩施工水平。在土石壩設(shè)計前，首先根據(jù)施工使用材料、方法及壩高進(jìn)行分類，高度低于30m的為低壩，30~70m的為中壩，超過70m的為高壩。其施工方式主要有兩種：一種是碾壓土石壩、另一種是水力沖填土石壩[2]，常用的是碾壓土石壩。

2水利工程土石壩樞紐設(shè)計問題

2.1影響壩坡質(zhì)量

在水利工程中，土石壩具有十分重要的作用。如果在土石壩施工過程中，未注意施工細(xì)節(jié)，導(dǎo)致土石壩框架出現(xiàn)問題，或壩坡穩(wěn)定性不夠，出現(xiàn)失衡現(xiàn)象，將會造成嚴(yán)重后果。在長時間環(huán)境作用下，甚至出現(xiàn)土石壩坍塌現(xiàn)象，不僅會破壞當(dāng)?shù)毓┧到y(tǒng)，還將威脅下游居民生命財產(chǎn)安全。此外，土石壩失去穩(wěn)定性后，將影響其排水及滲水功能，進(jìn)而影響地下水水位，嚴(yán)重破壞了水利工程結(jié)構(gòu)。一旦土石壩出現(xiàn)問題，應(yīng)及時解決，防止因土石壩結(jié)構(gòu)問題影響水利工程結(jié)構(gòu)。如果長時間不處理，造成的破壞十分嚴(yán)重，因此必須高度重視土石壩穩(wěn)定性。

2.2影響土石壩穩(wěn)定性因素

（1）人為因素。①在土石壩出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，施工人員未及時處理，導(dǎo)致土石壩穩(wěn)定性一再遭到破壞；②在土石壩施工結(jié)束后，施工人員未定期做好維護(hù)工作，導(dǎo)致土石壩存在潛在安全隱患。如果土石壩出現(xiàn)問題，也不能得到較好解決。為維持土石壩穩(wěn)定性，可在其周圍建設(shè)相關(guān)工程提高壩坡穩(wěn)定性，比如開設(shè)礦點、修建道路等；或是采用增加排水量，增加土石壩重量[3]。（2）自然因素。①土石壩周圍環(huán)境因素，包括風(fēng)力、水流速度、地質(zhì)災(zāi)害及各種自然因素作用；②施工使用的材料穩(wěn)定性較差，進(jìn)而破壞土石壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在時間使用過程中穩(wěn)定性受到破壞。在自然環(huán)境影響因素下，進(jìn)一步破壞土石壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成不同程度軟化，進(jìn)而引發(fā)壩坡滑坡。

3水利工程土石壩樞紐設(shè)計前工作要點

3.1環(huán)境調(diào)研

在水利工程土石壩設(shè)計中，需要考慮的因素較多，比如當(dāng)?shù)厮臍庀?、地形地質(zhì)、工程任務(wù)和規(guī)模等，所以在設(shè)計前首先做環(huán)境調(diào)研工作。由于水利工程與人們?nèi)粘Ｉ钣芯o密聯(lián)系，必須確保土石壩設(shè)計與施工的質(zhì)量，故調(diào)研人員必須具備較強(qiáng)專業(yè)能力。在調(diào)研過程中采用先進(jìn)的調(diào)研技術(shù)，確保調(diào)研資料有助于后期設(shè)計與施工。管理人員根據(jù)調(diào)研人員資料及實地勘察結(jié)果設(shè)計施工方案，并繪制設(shè)計圖紙。在繪制過程中通常采用比例是1：1000或1：500，具體繪制要求根據(jù)設(shè)計與施工情況而定。建設(shè)小型水利工程，繪制的土石壩繪制比例是1：2000或1：1000，中型水利工程，繪制比例是1：10000或1：5000。此外，還應(yīng)根據(jù)實際施工環(huán)境，繪制周圍地勢、地層及石塊分布等[4]。

3.2土石壩軸線是設(shè)計重點

土石壩軸線是設(shè)計重點，軸線是土石壩的垂直投影。在土石壩設(shè)計中首先明確軸線位置，才能有效開展接下來的設(shè)計工作。確定軸線不僅能確定設(shè)計方案及方式，還能有效保障壩體穩(wěn)定性。因此確定軸線過程中需要考慮因素較多，其中包括地形地質(zhì)條件、水文氣象條件、水庫供水條件、樞紐布置、施工條件、庫區(qū)淹沒及滲漏情況、工程占地、工程經(jīng)濟(jì)等。選取的土石壩軸線必須滿足施工方案，避免選取不合適的軸線，破壞周圍環(huán)境，造成嚴(yán)重安全事故發(fā)生。此外，由于施工地質(zhì)條件存在較大差異，為確保土石壩穩(wěn)定性，應(yīng)選擇透水性較小的地基。水利施工材料有限，為降低資源短缺現(xiàn)象出現(xiàn)，選取的軸線必須具有較好經(jīng)濟(jì)效益，確保施工材料充足。

4水利工程土石壩樞紐設(shè)計中的要點

4.1合理布置土石壩樞紐

在進(jìn)行水利工程土石壩樞紐設(shè)計前，管理人員先對工程現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)勘察，了解當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件等，并收集相關(guān)參數(shù)，并將參數(shù)真實反映到報告及圖紙上。在對當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行深入研究形成完整設(shè)計方案后，應(yīng)再對工程現(xiàn)場進(jìn)行勘察，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，提高設(shè)計質(zhì)量，減小安全隱患發(fā)生。在土石壩建設(shè)過程中，施工人員嚴(yán)格按照施工圖設(shè)計方案進(jìn)行施工，管理人員做好現(xiàn)場監(jiān)督管理，確保施工高效進(jìn)行[5]。由于水利工程土石壩樞紐功能較多，樞紐建筑物組成結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，常見樞紐建筑物包括擋水建筑物、泄水建筑物及輸水建筑物等，為實現(xiàn)土石壩樞紐全部功能，必須充分考慮影響施工因素，進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計施工方案。確保施工項目之間互不干擾，在投入使用后各系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。在設(shè)計過程中還應(yīng)充分考慮設(shè)計方案經(jīng)濟(jì)效益，在保障土石壩施工質(zhì)量情況下，盡量降低資金投入量，進(jìn)而有效提高經(jīng)濟(jì)效益。

4.2土石壩構(gòu)造設(shè)計

不斷優(yōu)化土石壩構(gòu)造，進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。土石壩建造的位置不一樣，所受水流沖擊強(qiáng)度不一樣，建造的土石壩構(gòu)造也不一樣。在方案設(shè)計過程中，根據(jù)當(dāng)?shù)厮鲗嶋H情況，設(shè)計施工方案。此外還應(yīng)結(jié)合施工參數(shù)，計算土石壩承載壓力，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計施工方案。防止建設(shè)的土石壩質(zhì)量低下，進(jìn)而影響水利工程建設(shè)進(jìn)度。根據(jù)水利工程施工需求，進(jìn)一步確定土石壩建設(shè)的尺寸、使用材料及壩高等。在建設(shè)土石壩邊坡過程中應(yīng)考慮實際排水量、建設(shè)穩(wěn)定性及后期維護(hù)等。土石壩高度應(yīng)根據(jù)日常水位高度及最高水位高度進(jìn)行設(shè)置，避免數(shù)量過大沖擊土石壩，破壞其穩(wěn)定性。并且在施工過程中應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而優(yōu)化土石壩結(jié)構(gòu)，降低地質(zhì)災(zāi)害破壞土石壩功能。

4.3防漏排水設(shè)計

（1）在土石壩施工中，雖然使用的施工材料為當(dāng)?shù)厥?、混合料或土料，但是在選擇前應(yīng)根據(jù)實際施工特點，選擇合適的施工材料，選擇的材料避免使用易液化的土質(zhì)。（2）防滲設(shè)計是土石壩施工重點。如果在施工中土石壩之間存在較大空隙，不能實現(xiàn)防滲高性能。在設(shè)計前，應(yīng)根據(jù)土石壩軸線設(shè)計防滲墻，進(jìn)而有效提高防滲功能。（3）實現(xiàn)土石壩上堵下排功能。在土石壩設(shè)計過程中，必須采取相應(yīng)措施，實現(xiàn)土石壩防滲排水功能。在施工中采用先進(jìn)的方式進(jìn)行鋪設(shè)，有效避免水流滲透。大壩心墻是土石壩穩(wěn)定關(guān)鍵，為進(jìn)一步加固土石壩，需選擇排水性良好的反濾材料填筑于大壩心墻兩側(cè)。同時，在下游壩腳位置設(shè)置棱體排水系統(tǒng)，進(jìn)而有效降低土石壩水位。（4）充分結(jié)合排水滲水功能。為實現(xiàn)土石壩排水功能，必須充分結(jié)合滲水功能。只有排水功能和滲水功能相結(jié)合，才能最大限度發(fā)揮土石坡功能。排走土石坡內(nèi)大量水流，降低滲水壓力，進(jìn)而降低浸潤線。（5）合理設(shè)計。合理的設(shè)計方案，能進(jìn)一步加強(qiáng)土石壩排水功能，確保水流沖刷不會造成土石壩大面積損害，進(jìn)而確保水利工程正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.4壩坡防滑和加固

（1）在進(jìn)行設(shè)計前，首先了解當(dāng)?shù)睾哟布暗刭|(zhì)情況，其次對當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)進(jìn)行實地勘察，了解地基結(jié)構(gòu)和施工使用材料質(zhì)量，最后結(jié)合施工地質(zhì)情況、當(dāng)?shù)刂尾牧锨闆r等，計算施工成本支出，進(jìn)而設(shè)計出較好經(jīng)濟(jì)效益的設(shè)計方案。（2）選擇合適的壩型。由于施工情況不一樣，施工的壩型種類不一樣，其中土石壩常用的代表壩型種類有：混凝土（或瀝青混凝土）面板堆石壩、粘土（或瀝青）心墻堆石壩、粘土心墻（或斜墻）風(fēng)化料壩、均質(zhì)土壩等[6]。在選擇壩型上應(yīng)結(jié)合地形地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)刂尾牧?、?dāng)?shù)厮臍庀笄闆r、樞紐布置、施工工藝、抗震性、溫度、滲水性、自重等進(jìn)行充分考慮。再根據(jù)當(dāng)?shù)靥攸c，最終確定建設(shè)適合當(dāng)?shù)氐膲涡汀?/p>

5結(jié)語

綜上所述，土石壩樞紐設(shè)計是水利工程重點。由于土石壩建設(shè)使用材料易得，施工工藝簡單，在水利工程建設(shè)中廣泛使用。但是在實際施工中，由于設(shè)計考慮因素較多，導(dǎo)致土石壩不能充分發(fā)揮功能，進(jìn)而影響水利工程正常運(yùn)行。因此在設(shè)計前，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境，確保設(shè)計合理，施工也能順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

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[6]劉新春.水利工程中土石壩施工初探[J].黑龍江科技信息，2015（16）：262.

作者：趙永賓 單位：文山壯族苗族自治州水利水電勘察設(shè)計院