摘 要 土石坝是目前世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝体。本文基于大石涧水利工程需要，以及水力枢纽所处具体地理条件及工程主要任务，对该工程土石坝坝体进行了简单设计，其中主要包括坝体坝型选择，土石坝枢纽布置，及土石坝具体断面设计等内容。
关键词 土石坝;水利工程;坝体设计;断面
大石涧水利枢纽位于渡洋河下游，上游有一个三门峡大石涧工程，两者相距9.5km。大石涧水力枢纽所处渡洋河是洛河一级支流，干流全长54km，流域面积427km2。河道两岸多有岩石裸露为石质浅山区、滩地少、河谷窄，宽度一般在80～100m之间，呈U字形，两岸坡陡直。下段河道长12km左右，森林覆盖率低，水土流失严重，库区地质构造简单，未发现断裂带分布，坝址区域的基岩等一系列的地质条件都比较好。当地主要建筑材料包括礫石、块石、沙、土料等都比较丰富，并且运输距离比较近，都分布在坝址附近，可以就近的获取建筑材料。渡洋河大石涧水源工程的主要任务是防洪灌溉，建成之后可以十分有力地保障下游中等城镇的安全，并且保证附近人民的生活用水的需要。工程涉及小界乡和东宋镇两个乡镇，建成后可以保护和灌溉附近乡镇，有利于统筹城乡发展，统筹地域发展，促进当地社会的可持续发展。
1 土石坝坝型选择
土石坝是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝。土石坝适应地形地质以及气候条件的能力比较强，是目前我国应用最为广泛的水利坝型。土石坝在设置另外泄水建筑物条件下还可以利用大型机械快速施工根据本地地形的实际情况，可以修建土石坝。根据本地地形的实际情况，可以修建土石坝。再联系附近的情况，附近土料、石料都比较丰富，运输较为方便。所以土石坝很适合本地区。土石坝对地基的要求也比较低，并且还能从当地选取筑坝材料。通过各种各样的坝型做出综合性的分析比较，最终决定选择土石坝方案[1]。
土石坝坝型的选择受很多因素的影响。根据防渗结构的类型常见的土石坝形式有心墙土石坝、斜墙土石坝、斜心墙土石坝、面板堆石坝以及均质坝。从建筑材料上来看，土石坝采用心墙坝、斜墙坝和斜心墙坝都可以。心墙坝土质防渗体设在坝体中部施工时期心墙与坝体同时施工，相互之间的干扰比较大，因此会造成很多不便，所以不建议选择心墙土石坝。斜墙坝指防渗体设置在坝体上游面或者接近上游面。斜墙坝的上游坡度比较缓，填筑工程量比心墙坝大。除此之外，由于斜墙躺在坝体上，对于坝体的沉降变形比较敏感，比较容易产生裂缝，所以不应该采用。斜心墙是指心墙设置在坝体中央并且向上游倾斜，对于心墙坝和斜墙坝可谓是得到了兼顾，其综合了心墙坝和斜墙坝的优点，对下游支撑棱体的沉陷不如斜墙坝一样敏感，应力状态也比较好，经过对多方面因素的综合考虑，最终大石涧水利工程枢纽选择斜心墙坝。
2 土石坝枢纽布置
枢纽布置的一般性原则包括：使各个建筑物的位置相对合理，不干扰。即坝址、坝以及其他建筑物的形式选择和枢纽布置要求做到施工方便、工期短、造价低。枢纽布置应该满足各个建筑物在布置上的要求，保证其在任何工作条件下都可以正常工作。在满足建筑物稳定和强度的先决条件下，降低枢纽的总体造价以及年总运转费用。枢纽中的各个建筑物之间的布置应该紧凑，尽量将同一种类型或者工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑物。如果可以应该尽量早期投产，减小投资。按照土石坝枢纽布置原则，基于大石涧水源工程特点，最终确定土石坝的泄水建筑物布置及泵站建筑物布置[2]。
（1）泄水建筑物布置。选定土石坝坝址处右岸相对较陡、外凸、坝轴线上游岸坡中部分分布有V型冲沟，右岸下段地形坡度约为68°，上段为25.5°，左岸下段相对比较缓，地形坡度为38.2°，上段为23°，河床最低高程458.30m，相对高差130m，河谷底宽约68m。经过分析对比，决定在左岸布置溢洪道，根据地形左岸地形比较缓，边坡基岩不外凸，便于布置溢洪道，并且将溢洪道布置此处还可以更加方便的消能。
（2）泵站建筑物布置。泵站适合布置于交通便利、施工方便、开挖比较少的地形。所以一级泵站厂房布置于坝址上游孟家大石涧附近，北提灌站和南提灌站各设置一个泵站，提水管道从泵站出水口输送到二级泵站前池，再经过二级泵站提水后送至高位水池。
3 土石坝的断面设计
3.1 土石坝断面设计
土石坝的断面设计，即土石坝的剖面轮廓尺寸，主要包括坝顶高程、坝顶的宽度、上下游坝坡的斜率、防渗体以及排水设施等。
（1）坝顶高程。坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和。应该按照以下四种运用条件进行计算，并且取其最大值：①设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高;②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高;③校核洪水位加非正常运用条件的坝顶超高;④正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高（即加设防浪墙的高度），再加上地震安全加高。综上所述，坝顶高程设计选择正常蓄水位+坝顶超高+地震安全高，为498m[3]。
（2）坝顶宽度主要取决于多种限制条件并且还需考虑等特殊需要。根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定，高坝的坝顶宽度可以选择在10～15m范围内，中低坝可以选择在5～10m范围内。该大坝属于中坝，中低坝坝顶宽度可以选为5～10m，本次设计中取B=10m。
（3）坝坡。土石坝的上下游的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料、地基条件等多种条件。在满足稳定要求的前提下，应该尽可能使坝坡陡一些，从而减少坝体的施工工程量，但也不应该过于陡峭，以防止大坝自身的重力不够，稳定性不足。根据规范的规定和实际情况的相结合，上游坝坡取2.5，下游坝坡取3.0。
（4）防渗体。坝体防渗的结构和尺寸大小必须满足减小渗透流量，降低浸润线，并且还应该满足施工与结构的要求，根据工程需要及经济效益综合分析，选择土质的防渗体来进行土石坝大坝的坝体防渗任务。土质防渗体断面应该满足渗透比降，下游浸润线和渗透流量等各个方面的要求，应该自上而下逐渐加厚，但是顶部的最小水平宽度不应该小于3m。土质防渗体的顶部和土质斜墙上游均应该设置保护层，并且保护层的厚度应该不小于本地区的冻结深度和干燥深度。综合上述要求，最终确定防渗体设计为：防渗体的底部宽度为22.1m，防渗墙顶的上部留有1.5m的保护层，黏土斜心墙顶部向下游倾斜。上游的保护层的厚度设置为4.0m。
（5）排水设计。本地区的石料丰富，所以采用堆石棱体的排水。棱体排水可以降低坝体的浸润线，还可以防止坝坡的冻涨或者渗透变形，下游的坝址也可以不受尾水的冲刷，棱体排水还有支撑坝体的作用，使大坝更稳定，并且棱体排水相对于其他方式的大坝排水设施，它的造价也相对比较低廉。棱体排水应该遵循以下的规定：①棱体排水顶部高程应超过1、2级坝1m，3、4、5级坝0.5m;②大坝的顶部高程应该使大坝坝体的滑润线距离坝面的距离大于本地区的冻结深度;③大坝顶部的宽度不应该小于1.0m;④棱体排水应该避免锐角出现在坝脚。具体设计如下：校核洪水位时下游水位应该是445m，所以顶部的高程是445+1=446m棱体的内坡，根据施工条件来确定一般去1∶1.0-1∶1.5，外坡一般取1∶1.5-1∶2.0，顶部宽度为2.0m顶部的高程是446m，内坡为1∶1.5，外坡1∶2.0[4]。
4 结束语
除了上述坝型选择、枢纽布置及土石坝断面设计外，还应当确定坝体的浸润线和下游溢出点的位置，为稳定、应力和变形计算提供重要的依据，也为水上和水下的分区设置土料提供依据。按照土石坝设计规范，土石坝在施工、建成、水位变化三个时期应该进行必要的坝坡稳定性分析，所以土石坝设计完成后，应当对不同时期的坝坡稳定性进行数值模拟和数据分析。
参考文献
[1] 林昭著.碾压式土石坝设计[M].郑州：黄河水利出版社，2003：107.
[2] 刘志民，王德信.水工设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，2011：23.
[3] 水利部水利水电规划设计总院.碾压土石坝设计手册[M].北京：中国水利电力出版社，1989：89.
[4] 中华人民共和国水利部，黄河水利委员会勘测规划设计研究院.《碾压式土石坝设计规范》[S].北京：中国水利水电出版社，2018.
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