任务2.2 土石坝的剖面设计
剖面设计是土石坝设计的主要内容，包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗结构、排水结构及其细部构造。
设计步骤：计算坝顶高程，根据具体要求和经验拟定剖面，进行渗流计算，最后进行坝坡稳定分析，根据稳定分析的结果判断坝剖面的合理性。一般需要多次重复以上步骤，直至得到合理的剖面。本任务主要介绍土坝剖面尺寸拟定，渗流和稳定分析在后面介绍。
2.2.1 坝顶高程
坝顶高程要保证挡水需要，同时要防止波浪超越坝顶，有些海堤允许波浪越顶，但也需要控制。坝顶高程按水库静水位加上防浪超高来确定，《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）规定，按下列运用条件计算，取其大者。
（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，再加地震安全超高。
当上游设防浪墙时，以上确定的坝顶高程改为防浪墙顶高程。此时，在正常运用情况下，坝顶高程应至少高于静水位0.5m；在非常运用情况下，坝顶高程应高于静水位。
堤防堤顶高程按设计洪水位或设计高潮位（海堤）加超高，且1级、2级堤防的超高不应小于2.0m。
坝顶超高图见图2.10，超高的计算公式为
式中 R——波浪在坝坡上的爬高，m；
e——最大风壅水面高度，m；
A——安全加高，m。
图2.10 坝顶超高图
1.波浪爬高
波浪爬高与累积频率有关，一般用RP表示，P为累积频率（%）。对于1～3级土石坝取累积频率P=1%的波浪爬高值R1%，对于4、5级土石坝取累积频率P=5%的波浪爬高值R5%。对于不允许越浪的堤防取累积频率P=2%的波浪爬高值R2%；对于允许越浪的堤防取累积频率P=13%的波浪爬高值R13%。
当坝坡为m=1.5～5.0时，RP的计算公式为
式中
KΔ——斜坡的糙率渗透性系数，见表2.2；
Kw——经验系数，与
有关，见表2.3；
Hm——坝前水域平均水深，m；
KP——爬高累积频率换算系数，见表2.4；
Kβ——斜向来波折减系数，见表2.5；
v0——计算风速；
hm,Lm——平均波高和波长，按《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）附录A计算。
表2.2 斜坡的糙率渗透性系数KΔ
表2.3 经验系数Kw
表2.4 爬高累积频率换算系数KP
表2.5 斜向来波折减系数Kβ
2.最大风壅水面高度
最大风壅水面高度e用式（2.3）计算，即
式中 K——综合摩阻系数，其值为（1.5～5.0）×10-6，计算时可取3.6×10-6；
β——风向与坝轴法线的夹角；
其余符号意义同前。
3.安全加高
（1）土石坝安全加高一般用A表示，根据坝的等级和运行情况确定，见表2.6。
表2.6 土石坝安全加高 单位：m
（2）堤防工程安全加高，根据堤防等级（表2.7）和是否允许越浪来确定，见表2.8。
表2.7 堤防工程等级
表2.8 堤防工程安全加高 单位：m
2.2.2 坝顶宽度
坝顶宽度主要满足运行、施工、交通和人防等要求。无特殊要求时，高坝的最小坝顶宽度一般为10～15m，中低坝为5～10m；有交通要求时，应按交通规定确定。
堤防工程堤顶宽度见表2.9。
表2.9 堤防工程堤顶宽度 单位：m
2.2.3 坝坡
坝坡应根据坝型、坝高、坝体材料和坝基情况，还要考虑坝体承受的荷载、施工和运用条件等因素，通过技术经济分析比较确定。一般方法是根据经验初步拟定坝坡，再进行渗流和稳定分析，根据分析计算结果修改坝坡，直至获得合理的坝坡。
一般情况下，上游坝坡经常浸在水中，工作条件不利，所以当上下游坝坡采用同一种土料时，上游坝坡比下游坝坡缓。心墙坝上下游坝壳多采用强度较高的非黏性土填筑，所以坝坡一般比均质坝陡。斜墙坝上游坝坡较缓，下游坡则和心墙坝相仿。地基条件好、土料碾压密实的，坝坡可以陡些；反之则应放缓。黏性土料的稳定坝坡为一曲面，上部坡陡，下部坡缓，所以用黏性土料做成的坝坡，常沿高度分成数段，每段为10～30m，自上而下逐渐放缓，相邻坡率差值取0.25或0.5。砂土和堆石的稳定坝坡为一平面，可采用均一坡率。当坝基或坝体土料沿坝轴线分布不一致时，应分段采用不同坡率，在各段间设过渡区，使坝坡缓慢变化。表2.10为坝坡经验值。
表2.10 坝坡经验值
在变坡处可根据需要确定是否设置马道，其宽度不宜小于1.5m。马道内侧设置排水沟，用以拦截雨水，防止冲刷坝面同时也兼作交通、检修和观测之用，还有利于坝坡稳定。土质防渗体分区坝和均质坝上游坡少设马道，非土质防渗材料面板坝上游坡不宜设马道。
【问题2】 进行 [项目案例2.1]工程的坝体剖面设计。上游坝坡：1∶3.0、1∶3.25、1∶3.5；下游坝坡：1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0；马道：第一级马道高程为343m，第二级马道高程为353m。本坝顶无交通要求，对中低坝最小宽度B=6m。试确定坝顶高程。