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楚雄欣源水利水电勘察设计有限责任公司
摘要：水库大坝是我国重要的水利基础设施，承担着防洪、灌溉、航运等众多功能，与我国国民经济发展有着密切联系，也关系到人们的生命财产安全，确保水库大坝的安全可靠十分重要，而土石坝是当地材料坝，在我国大坝设计中占比大。因此，必须提高土石坝设计水平。本文就通过对水库土石坝设计重点的研究，以期为实际设计工作提供一定借鉴，促进水库土石坝安全水平的提升。
关键词：水库土石坝大坝；设计；重点；探究
大坝是水库工程中的核心部分，直接关系到整个水库工程功能是否能够正常发挥，必须尽量提高水库大坝的可靠性。水库大坝设计是其可靠与否的重要影响因素，如果设计出现失误，就可能给水库大坝埋下严重的安全隐患，发生渗漏、裂缝甚至是垮塌等后果，造成巨大经济损失和人员伤亡，所以，必须做好水库大坝设计的研究，掌握设计要点，避免设计问题，不断提高设计水平。
一、土石坝设计常见的问题
我国是一个水资源大国，兴建了许多中小型水库大坝，而且多为土石坝，这些大坝由于各种因素影响，存在着许多设计问题，主要体现在以下几方面：
一是基础，特别是无粘性土（粉砂、砂、砂卵砾石等）基础的抗震能力不足，在已经建成的土石坝中，尤其是上世纪50、60年代建设的土石坝，对基础处理不完善，本身抗震设计标准偏低，无法达到防止地震液化的安全运行标准，我国地震又相对较为频繁，水库大坝安全面临着严峻形势，如果遇到地震灾害，许多大坝基础可能会发生无粘性土（粉砂、砂、砂卵砾石等）液化情况，引发坝体沉陷、拉裂、滑塌等事故。
二是渗漏问题严重，渗漏是水库大坝特别是土石坝常见的问题，主要表现有管涌、流土、散浸和脱坡等，其主要是由于大坝设计密实度不足或结构不合理等造成的，在长期渗漏下，会引发冲决、溃坝等洪涝灾害。
三是结构稳定性差，结构稳定性差也是我国水库大坝普遍存在的一个问题，其发生原因有：坝坡偏陡、填筑料密实性差，大坝结构设计不合理，比如说上游坝坡水位变化区填筑料渗透系数过小，导致上游水位的降落快于上游坝体浸润线的降落影响坝体安全。
四是设计标准偏低，中，小型水库大坝占据着相当大的比例，特别是80年代以前由受益群众自行组织建设的大坝，多为30m以下低坝，其设计简单，洪水标准、泄洪能力等设计标准都相对较低，在遇到洪水时，无法起到防洪效果，引发土石坝漫顶溃坝事故。
二、水库大坝设计的重点分析
（一）抗震设计
抗震能力是水库大坝设计的一个重要指标，决定着大坝安全性的高低，针对地震时大坝无粘性土基础容易出现的液化破坏问题，抗震设计主要是加固大坝基础，提高大坝无粘性土基础的密实度。
在大坝基础设计中，经常采取的加固方法有挖除、人工压密以及置换、排水减压等，其中，挖除就是对影响坝体安全的无粘性土、软弱土层、全强风化岩体进行全部清除；人工加密是通过翻压、强夯、振冲等施工方式，来对砂土进行加密，提高其密实度，降低砂土孔隙率，增大其整体性和强度；置换是使用高强度的块石、石渣等，置换出原有的低强度砂土，有效预防液化问题；排水减压是通过降低砂土含水率，提高其抗液化能力的措施。
（二）结构设计
在大坝结构设计中，其首要目标是确保结构设计的稳定，具体来说，其设计的要点主要包括：
首先，做好相关资料的收集，包括当地的历史降雨量、水文情况和地质情况等等，尽量提高资料收集的完善度，并做好资料的整理与分析，并进行实地勘察，为水库大坝结构设计提供准确、可靠的数据支持。
其次，确定坝顶高程，坝顶高程决定着大坝的防洪能力，在坝顶高程确定时，应当分别按照正常情况、非正常情况两种状态，取此两种状态下静水位与对应超高之和中的较大值，最为大坝的最终坝顶高程标准值。
坝顶高程的计算公式为y=R+e+A，其中，式中字母含义依次为：静水位上坝顶超高、沿坝坡的风浪爬高、最大风壅水面高度和安全加高，在正常情况和非正常下，安全加高分别取0.50m和0.30m[1]。
同时，在坝顶设计中，还需要做好路面排水、坝顶宽度的设计，避免积水渗入到坝体中，影响坝体的安全，坝顶宽度则与大坝的承载力大小有着密切联系。
其次，做好坝坡设计，坝坡设计应做好坝坡抗滑稳定分析计算。坝坡抗滑稳定分析计算的关键是对筑坝材料物理力学指标的的合理选取：对于粘性土，其试验制样所需土料相对较少，试验相对简单，一般试验组数较多，当试验资料结果大于11组时，力学可以取小值均值，物理指标取平均值，渗漏量计算时渗透系数大值均值，水位降落期渗透系数取小值均值；对于大坝结构起支撑作用的砂砾石料、石碴料或堆石料，其试验制样所需材料相对较多，取样及试验相对复杂，所以试验组数一般较少，而且室内试验力学指标和实际填筑坝体的力学指标的关联性资料较少，所以设计时通常对室内试验结果打折取用。本人通过对红豆树、小沙河等水库的设计，认为砂砾石料、石碴料或堆石料的内摩擦角可以取室内试试验结果的8.5～9.5折，打折的高低需要通过对取样的代表性，料场规划开采范围天然建材的风化程度进行选取，取样代表性差、规划开采范围风化程度高取小值，反之取大值，粘聚力在30～50KPa。通过对坝坡稳定性的分析，分别计算出稳定渗流期上、下流坝坡稳定以及水库水位降落上游坝坡的抗滑（含抗震）安全系数最小值，设计坝坡坡比抗滑（含抗震）安全系数最小值应满足相关规范要求。对于均质土坝、厚斜墙坝、厚心墙坝的稳定分析通常采取简化毕肖普法计算，其它可采用摩根斯顿-普赖斯（Morgenstern-Price）法计算。其中，孔隙水压力、抗剪强度稳定渗流期以及水位降落期应分别采用近似方法、有效应力法和总应力法来计算。
同时，还需要进行渗流计算，渗流计算应当按照设计洪水位、正常蓄水位、校核洪水位稳定渗流期、大坝正常运行过程上游水位降落期来进行，计算出浸润线与坝体、坝面的相对位置，确保浸润线是位于坝体内部的，不会溢出坝面，下游坝坡最高出逸点应在排水棱体顶以下，才能保证坝体渗流的安全可靠。
此外，为确保坝坡表层的安全，比如说上游坝坡死水位以上的防波浪淘蚀，下游坝坡表面防雨水侵蚀等，还应当对其采取必要的加固措施，来有效提高坝坡与整个大坝结构的整体稳定性。
最后，中、低坝需对大坝沉降进行设计，在通常情况下，大部沉降设计需要根据沉降试验资料来计算，如果没有沉降试验资料，可以采取坝顶预留沉降超高的设计，按照工程经验，此超高值应为坝高的1%。高坝还需要对坝体进行应力应变分析。
（三）防渗设计
渗漏作为水库大坝最常发生的问题，做好防渗设计、提高大坝的抗渗能力，也是土石坝大坝设计中应当重视的一项工作。
在土石坝大坝防渗设计中，主要有水平防渗、垂直防渗两种，防渗设计的基本原则是上堵下排，在实际当中，针对新建工程常使用的防渗设计有：
第一，上游坝坡表面防渗和基础防渗处理形成整体防渗系统：主要有面板堆石坝的面板和基础灌浆，适用于基础整体性较好、无溶洞现象、砂卵砾石层不厚的情况；面板和基础防渗墙，适用于基础有溶洞现象或砂卵砾石层较厚的情况；上游粘土斜墙和基础灌浆、游粘土斜墙和基础防渗墙，适用条件与面板堆石坝相同。
第二，心墙防渗和基础防渗处理形成整体防渗系统：心墙与基础灌浆，心墙与基础防渗墙，适用条件与面板堆石坝相同。
针对除险加固工程常使用的防渗设计有：
第一，混凝土防渗墙技术，是通过在土石坝坝体内部增加一层混凝土墙，利用混凝土高密实度的特性，来起到防渗加固效果，其优点是适用范围广，实用性、耐久性较强，防渗效果较为理想，对于施工条件也没有太高的要求，在绝大多数水库大坝中都可以使用[2]。
第二，劈裂灌浆技术，此种技术是通过在土坝上布置一条顺轴线方向的钻孔，利用压力作用，将浆液灌注到坝体中，使坝体从轴线方向劈开后，再向其内灌注适宜的泥浆，在坝体中形成连续的竖直浆体防渗墙，起到防渗加固作用。此技术的优点有加固原理明确、施工便捷、费用低、效率高，
摘要：水库大坝是我国重要的水利基础设施，承担着防洪、灌溉、航运等众多功能，与我国国民经济发展有着密切联系，也关系到人们的生命财产安全，确保水库大坝的安全可靠十分重要，而土石坝是当地材料坝，在我国大坝设计中占比大。因此，必须提高土石坝设计水平。本文就通过对水库土石坝设计重点的研究，以期为实际设计工作提供一定借鉴，促进水库土石坝安全水平的提升。
关键词：水库土石坝大坝；设计；重点；探究
大坝是水库工程中的核心部分，直接关系到整个水库工程功能是否能够正常发挥，必须尽量提高水库大坝的可靠性。水库大坝设计是其可靠与否的重要影响因素，如果设计出现失误，就可能给水库大坝埋下严重的安全隐患，发生渗漏、裂缝甚至是垮塌等后果，造成巨大经济损失和人员伤亡，所以，必须做好水库大坝设计的研究，掌握设计要点，避免设计问题，不断提高设计水平。
一、土石坝设计常见的问题
我国是一个水资源大国，兴建了许多中小型水库大坝，而且多为土石坝，这些大坝由于各种因素影响，存在着许多设计问题，主要体现在以下几方面：
一是基础，特别是无粘性土（粉砂、砂、砂卵砾石等）基础的抗震能力不足，在已经建成的土石坝中，尤其是上世纪50、60年代建设的土石坝，对基础处理不完善，本身抗震设计标准偏低，无法达到防止地震液化的安全运行标准，我国地震又相对较为频繁，水库大坝安全面临着严峻形势，如果遇到地震灾害，许多大坝基础可能会发生无粘性土（粉砂、砂、砂卵砾石等）液化情况，引发坝体沉陷、拉裂、滑塌等事故。
二是渗漏问题严重，渗漏是水库大坝特别是土石坝常见的问题，主要表现有管涌、流土、散浸和脱坡等，其主要是由于大坝设计密实度不足或结构不合理等造成的，在长期渗漏下，会引发冲决、溃坝等洪涝灾害。
三是结构稳定性差，结构稳定性差也是我国水库大坝普遍存在的一个问题，其发生原因有：坝坡偏陡、填筑料密实性差，大坝结构设计不合理，比如说上游坝坡水位变化区填筑料渗透系数过小，导致上游水位的降落快于上游坝体浸润线的降落影响坝体安全。
四是设计标准偏低，中，小型水库大坝占据着相当大的比例，特别是80年代以前由受益群众自行组织建设的大坝，多为30m以下低坝，其设计简单，洪水标准、泄洪能力等设计标准都相对较低，在遇到洪水时，无法起到防洪效果，引发土石坝漫顶溃坝事故。
二、水库大坝设计的重点分析
（一）抗震设计
抗震能力是水库大坝设计的一个重要指标，决定着大坝安全性的高低，针对地震时大坝无粘性土基础容易出现的液化破坏问题，抗震设计主要是加固大坝基础，提高大坝无粘性土基础的密实度。
在大坝基础设计中，经常采取的加固方法有挖除、人工压密以及置换、排水减压等，其中，挖除就是对影响坝体安全的无粘性土、软弱土层、全强风化岩体进行全部清除；人工加密是通过翻压、强夯、振冲等施工方式，来对砂土进行加密，提高其密实度，降低砂土孔隙率，增大其整体性和强度；置换是使用高强度的块石、石渣等，置换出原有的低强度砂土，有效预防液化问题；排水减压是通过降低砂土含水率，提高其抗液化能力的措施。
（二）结构设计
在大坝结构设计中，其首要目标是确保结构设计的稳定，具体来说，其设计的要点主要包括：
首先，做好相关资料的收集，包括当地的历史降雨量、水文情况和地质情况等等，尽量提高资料收集的完善度，并做好资料的整理与分析，并进行实地勘察，为水库大坝结构设计提供准确、可靠的数据支持。
其次，确定坝顶高程，坝顶高程决定着大坝的防洪能力，在坝顶高程确定时，应当分别按照正常情况、非正常情况两种状态，取此两种状态下静水位与对应超高之和中的较大值，最为大坝的最终坝顶高程标准值。
坝顶高程的计算公式为y=R+e+A，其中，式中字母含义依次为：静水位上坝顶超高、沿坝坡的风浪爬高、最大风壅水面高度和安全加高，在正常情况和非正常下，安全加高分别取0.50m和0.30m[1]。
同时，在坝顶设计中，还需要做好路面排水、坝顶宽度的设计，避免积水渗入到坝体中，影响坝体的安全，坝顶宽度则与大坝的承载力大小有着密切联系。
其次，做好坝坡设计，坝坡设计应做好坝坡抗滑稳定分析计算。坝坡抗滑稳定分析计算的关键是对筑坝材料物理力学指标的的合理选取：对于粘性土，其试验制样所需土料相对较少，试验相对简单，一般试验组数较多，当试验资料结果大于11组时，力学可以取小值均值，物理指标取平均值，渗漏量计算时渗透系数大值均值，水位降落期渗透系数取小值均值；对于大坝结构起支撑作用的砂砾石料、石碴料或堆石料，其试验制样所需材料相对较多，取样及试验相对复杂，所以试验组数一般较少，而且室内试验力学指标和实际填筑坝体的力学指标的关联性资料较少，所以设计时通常对室内试验结果打折取用。本人通过对红豆树、小沙河等水库的设计，认为砂砾石料、石碴料或堆石料的内摩擦角可以取室内试试验结果的8.5～9.5折，打折的高低需要通过对取样的代表性，料场规划开采范围天然建材的风化程度进行选取，取样代表性差、规划开采范围风化程度高取小值，反之取大值，粘聚力在30～50KPa。通过对坝坡稳定性的分析，分别计算出稳定渗流期上、下流坝坡稳定以及水库水位降落上游坝坡的抗滑（含抗震）安全系数最小值，设计坝坡坡比抗滑（含抗震）安全系数最小值应满足相关规范要求。对于均质土坝、厚斜墙坝、厚心墙坝的稳定分析通常采取简化毕肖普法计算，其它可采用摩根斯顿-普赖斯（Morgenstern-Price）法计算。其中，孔隙水压力、抗剪强度稳定渗流期以及水位降落期应分别采用近似方法、有效应力法和总应力法来计算。
同时，还需要进行渗流计算，渗流计算应当按照设计洪水位、正常蓄水位、校核洪水位稳定渗流期、大坝正常运行过程上游水位降落期来进行，计算出浸润线与坝体、坝面的相对位置，确保浸润线是位于坝体内部的，不会溢出坝面，下游坝坡最高出逸点应在排水棱体顶以下，才能保证坝体渗流的安全可靠。
此外，为确保坝坡表层的安全，比如说上游坝坡死水位以上的防波浪淘蚀，下游坝坡表面防雨水侵蚀等，还应当对其采取必要的加固措施，来有效提高坝坡与整个大坝结构的整体稳定性。
最后，中、低坝需对大坝沉降进行设计，在通常情况下，大部沉降设计需要根据沉降试验资料来计算，如果没有沉降试验资料，可以采取坝顶预留沉降超高的设计，按照工程经验，此超高值应为坝高的1%。高坝还需要对坝体进行应力应变分析。
（三）防渗设计
渗漏作为水库大坝最常发生的问题，做好防渗设计、提高大坝的抗渗能力，也是土石坝大坝设计中应当重视的一项工作。
在土石坝大坝防渗设计中，主要有水平防渗、垂直防渗两种，防渗设计的基本原则是上堵下排，在实际当中，针对新建工程常使用的防渗设计有：
第一，上游坝坡表面防渗和基础防渗处理形成整体防渗系统：主要有面板堆石坝的面板和基础灌浆，适用于基础整体性较好、无溶洞现象、砂卵砾石层不厚的情况；面板和基础防渗墙，适用于基础有溶洞现象或砂卵砾石层较厚的情况；上游粘土斜墙和基础灌浆、游粘土斜墙和基础防渗墙，适用条件与面板堆石坝相同。
第二，心墙防渗和基础防渗处理形成整体防渗系统：心墙与基础灌浆，心墙与基础防渗墙，适用条件与面板堆石坝相同。
针对除险加固工程常使用的防渗设计有：
第一，混凝土防渗墙技术，是通过在土石坝坝体内部增加一层混凝土墙，利用混凝土高密实度的特性，来起到防渗加固效果，其优点是适用范围广，实用性、耐久性较强，防渗效果较为理想，对于施工条件也没有太高的要求，在绝大多数水库大坝中都可以使用[2]。
第二，劈裂灌浆技术，此种技术是通过在土坝上布置一条顺轴线方向的钻孔，利用压力作用，将浆液灌注到坝体中，使坝体从轴线方向劈开后，再向其内灌注适宜的泥浆，在坝体中形成连续的竖直浆体防渗墙，起到防渗加固作用。此技术的优点有加固原理明确、施工便捷、费用低、效率高，