1.2 设计基本要求

1.2.1 土石坝安全和功能的基本要求

土石坝作为水库枢纽工程的挡水建筑物，对其基本要求主要有安全和功能两方面。这两方面的基本要求包括坝顶高程、抗滑稳定、渗流（包括渗流量和渗流稳定）和变形要求。对于强震区，土石坝还应满足抗震要求。

1.2.1.1 坝顶高程

土石坝必须满足挡水的高度要求，否则将发生洪水漫顶，可能导致垮坝事故。坝顶高程要满足在最高水位以上再加上要求的超高。近些年进行的除险加固土石坝中，除泄洪能力不足外，因水库泥沙淤积使库容减小，致使坝顶高程不足被定为病险坝的所占比例较高，应引起足够重视。

1.2.1.2 抗滑稳定

土石坝必须满足设计规范规定的最小稳定安全系数标准要求。土石坝稳定分析的复杂性表现在三个方面：材料抗剪强度的复杂性和离散性；计算方法的复杂性和适用性；不同运用条件下不同工况的稳定性状的复杂性。只有解决好这三方面的问题，才能得到合理的稳定分析成果，正确评价土石坝的稳定安全性状。

1.2.1.3 渗流

1.渗流量

多年的工程实践以及各版次的《碾压式土石坝设计规范》对于渗流量的控制没有明确的定量控制要求。根据开发目标不同，以渗漏量不明显影响工程效益而定。比如以防洪为主的水库对渗流量的要求就低一些；以蓄水供水、发电为主对渗流量的要求就高一些。抽水蓄能电站水库上库要求更高，往往进行全库盆防渗处理。调水工程的调节水库也往往进行全库盆防渗处理。

2.渗透稳定

对渗透稳定的基本要求是所有渗流出口的渗透比降均应小于材料的容许比降。渗透破坏往往从坝体、坝基或接触面等内部开始，当外表能观察到明显的渗透破坏痕迹时，渗透破坏已经相当严重，处理不及时可能产生垮坝的恶性事故。从已建大坝统计可知，渗透破坏占土石坝失事和病险的比例都很高。因此渗透稳定对土石坝安全至关重要。

1.2.1.4 变形

对于变形控制，《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）规定“竣工后坝顶沉降量不宜大于坝高的1%”。多年的工程实践经验表明，竣工后的沉降量小于坝高1%者一般不产生明显的裂缝，大于1%～3%者产生裂缝可能性较大。

设计中需要面对的问题是要控制不致产生大的变形和不均匀变形两方面的问题。控制不产生大变形的主要措施是充分了解筑坝材料的变形特性，进行合适的压实。大坝两相邻分区材料压实性能差别大、几何形状变化剧烈是产生不均匀变形的主要部位。尤其与岸坡和其他混凝土建筑物连接处，是比较容易发生不均匀沉降变形的部位，需要设计者给予重视。

1.2.1.5 抗震

地震对大坝的危害也表现在上述几个方面。地震沉降降低坝顶高程，地震液化降低可液化材料抗剪强度而导致坝体失稳，地震变形裂缝也存在导致集中渗漏的可能性，但主要是坝顶附近的振动损坏和地震液化等。

1.2.2 最大坝高及坝高划分

1.2.2.1 最大坝高

最大坝高能体现坝的规模及其在枢纽中的重要性。《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）规定土石坝坝高超过表1.2-1的指标时，可以提高一级。

土石坝的坝高应从坝体防渗体（即不含混凝土防渗墙、灌浆帷幕、截水槽等坝基防渗设施）底部或坝轴线部位的建基面至坝顶（不含防浪墙），取其大者。

1.2.2.2 坝高划分

按坝高划分为低坝、中坝和高坝：最大坝高低于30m的为低坝，最大坝高30～70m/100m［《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001、DL/T 5395—2007）］为中坝，最大坝高在70m/100m以上者为高坝。

1.2.3 土石坝的运用条件

1.2.3.1 运用条件划分

对土石坝运用条件的划分主要是进行定性分析，难以像洪水标准那样做到采用概率统计方法确定，给予定量划分。但如果出现失误或定性不准确，对土石坝安全的影响不亚于其他任何设计的失误。运用条件划分的核心概念仍体现出“出现的几率和作用时间的长短”。根据上述原则，土石坝运用条件划分如下：

（1）正常运用条件。

（2）非常运用条件Ⅰ。

（3）非常运用条件Ⅱ。

1.2.3.2 三种运用条件的区分界限

1.正常运用条件与非常运用条件Ⅰ的区分界限

（1）出现的几率。从出现的几率而言，按水利水电工程设计惯例，设计洪水频率作为区别正常运用条件和非常运用条件的界限。低于和等于设计洪水频率出现的工况为正常运用条件，反之为非常运用条件。

（2）作用时间的长短。按作用时间长短，将正常蓄水位作为正常运用条件的一种典型工况。在工程建成后，这种工况作用时间相对较长且反复出现，以此作为判别作用时间长短的区分界限。

2.非常运用条件Ⅰ与非常运用条件Ⅱ的区分界限

非常运用条件Ⅱ是指一些非常稀遇的工作状况，其每种正常运用工况都包含有地震。

1.2.3.3 三种运用条件下的工况

1.正常运用条件下的工况

（1）水库水位处于正常蓄水位和设计洪水位与死水位之间的各种水位的稳定渗流期。

（2）水库水位在上述范围内经常性的正常降落。

（3）抽水蓄能电站水库水位的经常性变化和降落。

上述三种典型工况包括水位和水位降落两方面的问题。大坝安全的分析任务就是从水位和水位降落两方面寻找最危险工况，进行定量计算。

（1）库水位。水库处于高水位用于大坝下游坡稳定、应力应变及渗流计算等安全分析；低水位用于大坝上游坡稳定计算等安全分析。所谓低水位就是“不利水位”。一般而言，不利水位位于坝高1/3高度附近。坝体分区和筑坝材料性质多样复杂时，需要试算确定不利水位。

在采用某种水位时，需要分析该种水位是否能形成稳定渗流。相对于某一库水位，形成稳定渗流的滞后时间与筑坝材料渗透系数大小和防渗体厚度相关。在防渗体无质量缺陷的情况下，根据已建大坝的监测资料，形成稳定渗流的滞后时间一般为20～40天，有些坝形成稳定渗流的滞后时间更长。设计时，应通过论证分析确定库水位持续时间，再通过工程类比或根据坝体浸润线观测结果选用稳定渗流的滞后时间，最终决定是否作为大坝稳定计算的工况。

（2）水位降落工况。水位降落工况是指库水位下降的速度快于坝体浸润线下降的速度，形成水位降落工况。

如何把握是否属于正常性降落仍应以“出现的几率”为原则，目前还不能像设计洪水那样定量确定，用以下几种典型情况为例说明。

1）径流电站的水位降落。因为径流电站对上游来水不进行调节，其挡水水位随着来水量的变化而随时在变化。与前述的正常运用条件的设计洪水出现频率相比要高得多，可以认为属于水位经常性降落。

2）抽水蓄能电站的水位降落。抽水蓄能电站的作用是削峰填谷，一般是晚上发电，白天将下库的水抽至上库，以备晚上发电用。上库的水位变化频度随库容和发电用水量的大小而变化，库水位降落是比较频繁的，可以认为是经常出现的水位降落。

3）水库供水、灌溉的水位降落。向城市和工矿企业供水以及供灌溉用水的水库，下泄水量及相应的水位降落一般年际之间有着周期性的变化，因此也应该作为经常性的正常水位降落。

4）宣泄洪水的水库水位降落。等于和低于设计洪水频率的洪水作为正常对待，相应的一般情况下的水位降落认为是经常性降落。

2.非常运用条件Ⅰ

（1）施工期。施工期稳定包括纵向、横向施工分期的各种临时断面的稳定和填筑竣工后水库未蓄水时的稳定。均质坝施工期的断面形状、填筑上升速率等对稳定安全的影响均要考虑。

（2）校核洪水位下有可能形成稳定渗流的情况。校核洪水位下是否能形成稳定渗流与水位持续时间和浸润线形成时间有关。对于浸润线形成的滞后时间，设计时应根据防渗体土料的渗透特性和已建的类似工程类比综合分析确定。需要注意的是，只有当浸润线的形成时间短于库水位持续时间时，才可能形成稳定渗流，并考虑这种工况。

（3）水库水位的非常降落。有两类情况可以界定为水库水位的非常降落：第一种情况是自校核洪水位降落；第二种是在常遇水位下稀遇的水位降落。

一般情况下，水库在度汛期间，从校核洪水位降落的最大降落幅度是降落至汛限水位。当水库处于汛期末或后汛期，则降落到正常高水位。需要注意的是，只有在校核洪水位持续时间内形成了稳定渗流，当库水位降落时坝体浸润线又不能同步降落，设计时才考虑这种工况。

从正常蓄水位和其他较低的水位降落至死水位及其以下的大流量快速泄空等，显然也属于特殊的情况。一般是工程出现问题，为了水库的安全，需对工程检查或进行处理才会出现该种情况。设计中如果要考虑这种工况，应有具有说服力的论证。

3.非常运用条件Ⅱ

非常运用条件Ⅱ是指在正常运用条件遭遇地震。但设计中，一般地震不与设计洪水相组合。尽管将设计洪水作为正常运用条件对待，但设计洪水出现的几率远比正常蓄水位出现的几率要小得多，而且设计洪水的持续时间相对都比较短，因此再与地震组合就显得太偏于保守。