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| 土石坝设计分析 |
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| 来源：草根水利 日期：[2016-11-18] |
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土石坝就是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝。在各地建成的大坝中，土石坝占了95%以上，尤其是小型水库工程中的大坝基本上是土石坝。正因为数量如此之多，也就成了除险加固工程的重头戏。
土石坝设计的重点在坝基坝体防渗、坝坡抗滑稳定及泄洪建筑物（溢洪道、泄洪洞）设计。在正常运用与非常运用的情况下，都不能出现渗透与滑动破坏，发生洪水时不能出现泄洪受阻，乃至造成坝顶漫水等灾难性事故。
土石坝渗流分析内容包括：确定坝体浸润线；确定渗流流速与渗透比降；确定渗流量。土、石料属于散粒材料，具有较大的孔隙率，存在渗流不可避免。土石坝的防渗体包括心墙、斜墙、铺盖、面板等，其材料常用黏土、砼、沥青砼等；随着土工材料技术的发展，利用土工薄膜做防渗体的工程已有建成。黏土材料防渗体的设计倒不是关键所在（在土石坝设计书籍中都有介绍），而是取决于工程施工质量，尤其是干密度、含水率、压实度等的控制是施工成败的关键。在土石坝除险加固设计中，采用较多的是增设黏土斜墙，或砼防渗墙，或黏土井柱（又称为黏土套井回填）等，其防渗效果都比较明显。
关于渗流允许坡降的计算，规范中的推荐公式只适用于无黏性土，对黏性土其计算结果明显偏小，过于保守。事实上黏性土存在的黏聚力是有利于渗流稳定的，根据有关文献，可以考虑黏聚力的三分之一参与渗流允许坡降的计算。从现有大量的小型土石坝运行情况看，用黏性土建造的土坝，下游坝坡的渗流稳定性是能满足要求的，不需要进行特别处理。
关于坝坡的抗滑稳定性，显然无黏性土要好于黏性土，这是因为无黏性土的内摩擦角比黏性土大，其自然休止角大，故坝坡坡度相对可陡一些，像砼面板堆石坝的坝坡一般不大于1：1.5，从而筑坝工程量大幅减少，投资也较省，但对防渗要求就高得多。在土石坝尤其是土坝的设计中，对上游坝坡在水位骤降期的稳定性应引起足够重视，其局部滑坡问题并不鲜见，这就需要设计人员正确对待，尽量将不利因素考虑得周全一点，并且应在设计说明中明确提出水库的调度运行原则，对水位的降幅与时间提出控制标准。（注：在水闸设计中也有这个问题，对闸孔的开闭顺序、开度调节等也要提出明确的要求。）此外，在农林开发热潮中，部分水库成了旅游景点，坝顶兼作交通道路，因此在坝坡的抗滑稳定分析中应计入车辆荷载的作用。
土石坝的泄洪建筑物主要采用岸边溢洪道。采用正槽还是侧槽取决于地形条件，并尽量采用正槽溢洪道。在相同溢流宽度的条件下，正槽比侧槽的过水能力要大。在溢洪道设计规范及设计教科书中，对泄槽段的布置，建议不用或少用弯道；在条件允许时当然应该这样做，但从大量的小型水库情况看，这一要求往往很难满足。曾有一座小型水库的溢洪道对着一座民房，感觉非常惊讶，据了解由于多年没来大洪水，溢洪道出流量不大，未威胁到民房的安全；虽然如此，但一颗心肯定是悬着的。后在加固设计时，采用弯道泄流以避开房子。所以，受地形条件制约，将泄槽布置成弯道是不可避免的，关键是如何合理地选择弯曲半径（有条件时可设置缓和曲线）及设置两侧导墙，保证水流平顺，留足安全超高。
在溢洪道设计中，应该密切关注泄槽底板及消力池底板的抗冲与抗浮稳定问题。某省一座大型水库的溢洪道，因设计考虑不周，建成投用不到十年，其消力池底板便出现了严重的冲刷破坏，不得不花费100多万元进行加固。在泄槽段，由于流速大，动水压力作用显著，抗冲问题不容忽视。同时，为避免底板浮动，无论是岩基还是土基都应在底部设置良好的纵向与横向排水系统，其中一般土基上可设置直径10~500px的排水管，岩石地基可开挖0.3m×0.3m左右的沟槽，并回填碎石；对岩基上的底板在必要时可在底部增设直径不小于25mm的锚固钢筋以保证底板的稳定性。
与土石坝设计，尤其是除险加固设计密切相关的还有坝下涵管的设计问题。受历史条件制约，大量的小型水库工程的灌溉取水都是采用的坝下涵管，在水库安全认定当中，涵管部位的渗漏问题尤其突出；一方面是管材质量本身存在问题，另一方面是当时施工质量存在隐患。目前常用的处理方法包括三类：一是在条件允许时将其封堵，另行开挖输水隧洞，这种方法比较保险，但投资较大（因施工需要有最小洞径限制）；二是采用拆除重建的方法，投资相对较少，但在施工质量上必须引起高度重视，尤其是涵管周围的截渗体；三是采用虹吸管取水，施工方便，投资较省，但在操作管理上有一定的技术要求，同时要满足一个前提条件，虹吸管顶部(最高处)与上游水面的距离再加上水头损失后必须小于7m（理论极限是10m，但实际的真空压强达不到理论值），否则虹吸作用形成不了，所以其使用场合受到限制。
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