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1、第三章 土石坝,Earth-fill and/or Rock-fill Dam,第一节 概述一、土石坝的类型二、土石坝的发展三、土石坝的特点四、土石坝的工作条件及设计原则,-1-,第二节 土石坝的剖面设计和构造一、土石坝剖面的基本尺寸二、坝体防渗设施三、坝体排水设备四、护坡和坝顶构造,-2-,第三节土石坝的筑坝材料一、土石坝筑坝土料设计的任务二、筑坝材料的选择三、土石料填筑标准设计第四节 土石坝的渗流分析一、土石坝渗流分析的目的二、土石坝渗流计算的方法三、土石坝抗渗稳定验算四、防止渗透破坏改善渗透稳定性的工程措施,-3-,第五节 土石坝的稳定分析和沉陷校核一、土石坝滑坡滑动面的基本类型二、稳定
2、分析方法三、稳定分析的计算情况和安全系数四、抗剪强度指标确定五、提高坝坡抗滑稳定的工程措施六、沉降计算,-4-,第六节土石坝的裂缝控制及地基处理一、土石坝裂缝的成因和种类二、设计阶段裂缝控制三、裂缝处理四、土石坝地基处理,-5-,第七节 堆石坝和面板堆石坝一、堆石坝的发展二、堆石坝的类型三、堆石坝的构造四、面板堆石坝,-6-,1-1,一、土石坝的分类,第一节 概述,2、根据施工方法分：碾压式土石坝抛填式堆石坝定向爆破堆石坝水中倒土坝水力冲填坝,1、根据筑坝材料分：土坝堆石坝土石混合坝,1-2,3、碾压式土石坝按土料在坝体中的配置和防渗体位置的不同，可分为：均质坝：坝体由一种材料组成，既是防渗体
3、，又是坝的主体，坡度较缓，用于中低坝。分区坝,1-3,分区坝：心墙坝 把防渗体放在坝体中部，断面比均质坝小。斜墙坝 把防渗体放在靠近上游坝面处，有效降低坝体浸润线，但适应地基变形的能力比心墙坝差。易产生纵向裂缝，抗震性能不如心墙坝。土石混合坝 要求：越靠近防渗体，土料性能越接近防渗体,1-4,土料透水性自中央向两边逐渐增大,土料透水性自上游向下游逐渐增大,钢筋混凝土、沥青混凝土面板堆石坝堆石坝主体为堆石，强度高；上游坝面以钢筋混凝土面板或沥青混凝土面板防渗。断面较小。,1-5,二、土石坝的发展：概况四千多年以前19世纪，50m20世纪5060年代，大型振动碾出现，高土石坝产生世界上高度超过30
4、0m的大坝仅2座，都是土石坝，都在塔吉克斯坦，一是努列克坝，高317m，另一座是罗贡坝，高325m。,1-6,我国土石坝的发展我国历史上有文献记载的可追溯到公元前598591年。建国前用现代技术修建的土坝仅甘肃的鸳鸯池水库大坝一座，50年代几次扩建后坝高37.8m。建国后土石坝建设的三个阶段：l19491957年l 19581980年l 19581980年,1-7,l19491957年以防洪治水为目的，从治理淮河开始，兴建了一批土坝，坝高都在50m以下，坝型均为均质土坝或粘性土心墙砂砾石坝。地基的防渗措施主要是开挖回填粘土截水墙或上游粘土铺盖；施工基本依靠人力，配合少量轻型机具。代表性的工程有
5、淮河上游河南省境内的石漫滩、板桥、白沙、薄山、南湾等水库大坝；北方有永定河上的官厅水库河辽宁浑河上的大伙房水库大坝等。这一时期主要受到施工设备的限制，堆石坝没有得到发展，唯一的一座堆石坝是四川长寿龙溪河梯级水电站中的狮子滩工程。,1-8,l19581980年全国掀起建坝高潮，坝高一般达到80m，个别达到100m 量级。坝型仍以均质土坝及粘性土心墙或斜墙砂砾石坝为主。大部分工程仍以人力施工为主。在筑坝技术方面，除碾压式土石坝外，还发展了只需少量简易机械的水中填土、水力冲填、定向爆破等型式。堆石坝仍受到施工设备的限制，没有大的发展。定向爆破筑坝技术从1958年开始应用，1960年修建广东南水定向爆
6、破堆石坝。这一时期也修建了一些抛填式堆石坝。,1-9,这一时期有突破性进展的是深厚砂砾石地基的防渗处理，引进和发展了混凝土防渗墙技术。高压喷射灌浆技术也有所应用，开发了旋喷、定喷、摆喷等工艺，但多用于临时性工程或低水头建筑物的地基防渗。在勘测设计和试验研究方面也有很大发展，土工试验已有规范，并在全国推广。,1-10,这一时期的代表性工程：均质土坝 松涛水库大坝（海南，80.1m）、岳城水库大坝（河北，53m）等；心墙坝 碧口水电站大坝（甘肃，101.8m），毛家村水电站大坝（云南，82.5m）等；斜墙坝 密云水库白河主坝（北京，66.4m）等；定向爆破坝 南水水电站大坝（广东，80.2m），石
7、砭峪水库大坝（陕西，82.5m）等。,1-11,l1980年以来进入70年代后期，特别是1978年以后，土石坝建设步入了健康发展的轨道，在科学试验和设计理论与方法方面已进入国际先进行列。随着国家经济实力的增长，以重型土石坝施工设备武装起来的大型施工企业已有能力在合理工期内完成大量土石方的开挖和填筑,施工强度大幅提高。特别是有可能大量使用堆石材料，大大提高了高土石坝的安全性和经济性。,1-12,混凝土面板堆石坝从1985年开始在我国兴建，与国外相比，起步虽晚，但起点高，发展快，十余年来已在全国普遍推广，增强了高土石坝在坝型比较中的竞争力。以碾压式土石坝为主导的思想已取得共识。在碾压式高土石坝中，
8、已逐步形成土质心墙（或斜心墙）堆石坝和混凝土面板堆石坝两种主导坝型，前者一般用于深厚覆盖层上的高坝，后者已扩展到200m量级的高坝。沥青混凝土防渗技术也开始发展并在天荒坪抽水蓄能电站和三峡的茅坪溪大坝中得到应用。,1-13,在这一阶段，最具代表性的工程是天生桥一级水电站的混凝土面板堆石坝和黄河小浪底水利枢纽的土质斜心墙堆石坝。天生桥一级在1998年底发电，小浪底工程于1999年底发电。,水布垭-233米国内在建的最高的面板堆石坝,1-14,三、土石坝的特点优点：就地取材。适应地基变形的能力强，对地基的要求比砼坝低。施工方法灵活性大。结构简单，便于维修和加高。,1-15,缺点：坝顶不能溢流，坝身
9、不便开孔泄洪，需另设岸边溢洪道。施工导流不如混凝土坝便利，需另设溢洪道宣泄施工期洪水。坝体断面大，工程量相应增大。,1-16,土石坝的工作条件：渗流问题及其控制冲刷问题及其控制沉降问题及其控制稳定问题（25%）其他问题l冰冻破坏。l动物破坏。l地震破坏。,1-17,渗流问题及其控制渗流问题坝体大部分浸泡在水中 土体有效重量降低，土的强度指标降低。渗流力的作用 增加了滑坡的可能性。渗流在土体中流动产生渗透坡降 如果超过允许渗透坡降，可能产生渗透变形。渗流量渗流量过大会影响水库蓄水量，尤其对抽水蓄能水库。,1-18,控制必须满足渗流控制要求进行合理的防渗设计来有效降低水流不利条件，上阻下排，合理布
10、置排水及反滤设施，加强防渗体与其它部位的连接，保证坝体和坝基的渗透稳定性。,1-19,冲刷问题及其控制冲刷问题土石坝抗冲能力低，雨水、风浪的淘刷作用削弱了坝体的有效部分。绝大多数土石坝不允许水流漫顶。,1-20,控制不允许水流漫顶：漫顶时水流拖曳作用将表面颗粒带走，削弱坝体，会造成土石坝失事。要求：要有足够的坝高，应预留沉陷值。要设置泄水能力足够大的泄水建筑物。在上、下游坝坡应采取有效的防护措施及坝面排水措施。,1-21,沉降问题及其控制沉降问题：沉降过大会造成坝顶高程不足。过大的不均匀沉降会引起坝体开裂，导致漏水。控制设计中要预留沉降值。为防止不均匀沉降，要合理设计坝体剖面及细部构造，正确选
11、择坝体土料，施工时土料压实要符合设计标准。,1-22,稳定问题(1)坝体为散粒体结构，局部范围剪应力允许剪应力，就会产生坝体滑动或坝体连同地基一起滑动。(2)控制：坝体和坝基必须稳定可靠l合理选择土料。l合理设计坝坡。l施工中做好地基处理，土料压实要符合设计标准。,2-1,一、土石坝剖面的基本尺寸坝顶高程：坝顶高程在静水位以上应有足够的超高，超高值d按下式计算：,第二节 土石坝的剖面设计和构造,2-2,坝顶高程：(1)碾压式土石坝设计规范中规定波浪爬高hB按不规则波法进行计算。计算出平均爬高后，设计爬高按工程等级确定，对I、II、III级土石坝，取累积频率为1%的爬高值，对IV、V级土石坝，取
12、累积频率为5%的爬高值。因此求出平均爬高后，再根据爬高统计分布与平均爬高之间的关系进行换算。,2-3,坝顶高程：(2)e为最大风雍高度，可按下式计算：风雍高度e还可按水工建筑物荷载设计规范（DL5077-1997）进行计算。,2-4,坝顶高程：(3)安全超高hc按坝的级别和运用情况根据下表确定：,2-3,坝顶高程：(4)确定坝顶高程时应注意：坝顶高程要分别按正常情况和校核情况进行计算，并选择其较大值。计算的d很大时，可设置防浪墙，以减少工程量，但无论是否设防浪墙，坝顶高程在正常运用条件下都应高出静水位0.5m并且不得低于非常运用条件下的静水位。,2-4,坝顶高程：(4)确定坝顶高程时应注意：以
13、上要求的坝顶高程是指包括坝基和坝身沉降稳定后的坝顶高程，因此竣工时应有足够的预留沉降值。地震区安全超高d的要求见下表：与非溢流重力坝使用剖面坝顶超高计算的区别。,2-5,坝顶宽度根据坝高、构造施工、交通和防汛抢险要求确定。坝坡影响坝坡的主要因素：坝型、坝高、筑坝材料的性质、地质条件及地震等。,2-6,坝坡坝型。心墙坝上游坡一般比同等条件下的斜墙坝陡，下游坡则相反。坝高坝高超过1030m时，应从上到下分级放缓，变坡处设马道。每隔1520m变坡一次。地质条件。地质条件较差时，坡度应缓些。当上、下游坡为同一种土料时，上游坡应比下游坡缓。,2-7,土石坝坝体防渗设施根据材料可分为：1、人工材料防渗体：
14、沥青砼，钢筋砼2、土质防渗体土质心墙土质斜墙斜心墙粘土铺盖,2-8,土质心墙：位置：位于坝体中央或稍偏上游材料：透水性很小的粘土或壤土厚度：顶部由构造及施工要求决定，底部由防渗要求及土料的允许渗透坡降决定。底部厚度H/4（H为不同部位的作用水头），顶部厚度3m高程：顶部在静水位以上的超高，在正常运用情况下不小于0.30.6m，非常运用情况下不得低于非常运用的静水位。坡度：1：0.151:0.3,2-9,土质心墙：土质心墙施工时应注意：顶部应设砂性土保护层，防冰冻；施工时心墙上升高度一般略高于坝壳，在铺筑时，心墙上下游应留有余量，待两侧削坡后再填筑过渡层及坝体；心墙与上下游坝体之间应设过渡层起过
15、渡、反滤及排水作用。,2-10,(2)土质斜墙：位置：位于坝体上游面材料：确定原则与心墙同厚度：指垂直于斜墙上游面的厚度，确定原则与心墙同高程：顶部在静水位以上的超高，在正常运用情况下不小于0.60.8m，非常运用情况下不得低于非常运用的静水位。坡度：外坡根据稳定计算决定，内坡视坝体材料及施工情况决定，若坝体为砂砾石，内坡一般不陡于1：2,2-11,(2)土质斜墙：土质斜墙施工时应注意：上游应设保护层，防 冰冻，应分层碾压；施工时坝体施工不受斜墙限制，可先行施工；斜墙与下游坝体之间应按反滤要求设置垫层。,2-12,(3)斜心墙：位置：心墙略向上游倾斜适用于高土石坝，可克服心墙坝的拱效应和斜墙坝
16、对坝体沉降敏感的缺点。材料：确定原则与心墙相同厚度：确定原则与心墙相同坡度：斜心墙向上游倾斜的坡度为 0.250.75时较好,2-13,(4)粘土铺盖：位置：与斜墙相连材料：透水性很小（与地基土相比）的粘土或壤土厚度：前端由构造及施工要求决定，前端，末端长度：一般为水头的46倍,2-14,三、坝体排水设备：主要作用：降低浸润线，有利于下游坝坡稳定并防止渗透变形，保护坝坡。影响因素：坝型、地基条件、下游水位、气候、材料及施工条件。组成：由砾石、块石或排水管做成的排水体和由数层粒径沿渗流方向逐渐增大的砂砾料做成的反滤层两部分组成。主要形式,2-15,主要形式(1)贴坡排水位置：设在下游坝坡底部。作
17、用：防止渗透破坏，保护下游坝脚，但不能降低浸润线。要求：由12层堆石筑成，在石块与坝坡间应设反滤层。顶部应高出浸润线逸出点并高于下游最高水位1.52.0m。适用条件：适用于中小型下游无水的均质坝以及有良好防渗体而坝内浸润线较低的中等高度土石坝。,2-16,主要形式(2)棱体排水位置：在下游坝脚处设排水棱体。作用：可降低浸润线，并可防止坝坡冻胀破坏和渗透变形，保护下游坡脚。要求：顶部高程应超出下游最高水位0.51.0m，应大于波浪沿坡面的爬高，同时应保证坝体浸润线距坡面的距离大于冰冻深度。在排水与坝体及坝基之间应设置反滤层。排水棱体其内坡约为1：11：1.5，外坡约为1：1.51：2。适用条件：
18、适用于下游有水的情况。,2-17,主要形式(3)褥垫排水位置：用块石平铺在下游的坝基面上，并用反滤层包裹。作用：下游无水时可有效降低浸润线，并有助于坝基排水。但对不均匀沉降的适应性差，对下游有水情况作用不大。要求：伸入坝体的长度不超过1/31/4的坝体宽度，一般向下游做成0.0050.01的坡度，厚度一般为0.40.5m。适用条件：适用于下游无水或下游水位很低的情况。,2-18,主要形式(4)综合式排水,2-19,四、护坡和坝顶构造1、护坡(1)上游护坡：作用：主要是防止风浪淘刷。厚度：其厚度选择时应考虑波浪因素。材料：砌石、堆石、混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土等。护坡范围：从坝顶至水库最低水
19、位以下 1.52.5m。,2-20,1、护坡(2)下游护坡：作用：防止雨水冲刷、干裂、动物破坏及下游有水部位的波浪、冰冻和水流作用。材料：砌石、堆石、碎石、草皮等。护坡范围：坝顶至排水棱体，无排水棱体时护至坡脚。坝顶构造：交通、排水、防浪墙,3-1,一、土石坝筑坝土料设计的任务：对坝体各部位的土料进行选择，然后确定土料的填筑标准。（土石坝主要由坝壳、防渗体、排水设备、护坡等组成，还有反滤层及过渡层。）,3-2,二、土石坝筑坝土料的选择：一般土料原则上均可作为碾压式土石坝的筑坝材料，或经处理后用于坝的不同部位。但下列土料不宜采用：沼泽土、斑脱土、地表土及含有未完全分解有机质的土料。1、均质坝对土
20、料的要求2、防渗体对土料的要求3、坝壳对土石料的要求（坝壳保持大坝稳定）4、排水、护坡对土石料的要求5、反滤料及过渡层土料6、关于风化料及特殊粘土料的采用,3-3,1、均质坝对土料的要求(1)强度指标、c较大。(2)渗透系数k较小，10-4cm/s。(3)要有一定的塑性：塑性指数Ip=L-P=717。能适应坝基变形而不会产生裂缝。(4)有机杂质含量5%。(5)土质：绝大多数采用粘性土。,3-4,2、防渗体对土料的要求(1)渗透系数k较小，10-5cm/s。抗渗性(2)有较好的塑性以适应坝体及坝基变形，塑性指数Ip大于1012。(3)有机杂质含量2%，水溶盐含量按重量比3%，有良好级配。(4)浸
21、水和失水时体积变化较小。(5)土质：粘粒含量（粒径0.005mm）为15%30%或塑性指数为1017的中、重壤土以及粘粒含量30%40%或塑性指数为1720的粘土较合适。,3-5,3、坝壳对土石料的要求(1)强度指标、c较大，具有抗震、抗滑稳定性。(2)排水性能好，k103k防渗体。经过防渗体后，迅速降低浸润线。(3)有良好级配：级配连续；不均匀系数=d60/d1030100。(4)土质：级配良好的无粘性土（砂、砾石、卵石、碎石等），料场开采的石料、开挖的石渣。,3-6,4、排水、护坡对土石料的要求(1)良好的抗水性、抗冻性和抗风化性。(2)具有一定的强度：抗压强度50Mpa(3)岩质：不宜用
22、风化料，用新鲜岩石、卵石、碎石。,3-7,5、反滤料及过渡层土料(1)应具有必要的透水性、强度，具有高度的抗水性和抗风化能力。(2)必须具有良好的级配，粒径小于0.1mm的颗粒含量小于5%，不应含有粒径小于0.05mm的粉土和粘粒。(3)土质：反滤料应尽量采用天然砂砾筛分，也可用人工砂和碎石。,3-8,6、关于风化料及特殊粘土料的采用(1)风化料也可作为筑坝材料，但应注意其性能的不稳定性，不可作为护坡、排水，上游及下游浸润线以下也不能采用风化料，应使其在干燥区工作。(2)特殊粘土料有（南方）红土、膨胀土等。红土是要作降低含水率处理；膨胀土用于心墙或均质坝内部，表面有一定压重，就可正常使用，用于
23、筑坝时，应正确选择其填筑标准可调节其涨缩特性。,3-9,三、土石料填筑标准设计：1、粘性土料的填筑标准：(1)设计指标：设计填筑干重度：按压实度P确定。影响土的压实性的因素很多，主要有含水量、击实功能以及土的种类和级配等。(2)施工时主要控制填筑含水量，选在最优含水量附近。(3)粘性土料设计的步骤：,3-10,(3)粘性土料土料设计的步骤：初拟设计含水量：计算填土的最大干重度：理论最大干重度一般难以达到，所以一般估算填土的最大干重度：拟定填土的设计填筑干重度：,3-11,(3)粘性土料土料设计的步骤：校验填土的设计干重度：应满足调整含水量 使 满足填筑要求。一般碾压式土坝设计干重度为15.71
24、7.2kN/m3，I、II级坝及高坝的压实度P（）不低于0.960.99，对III、IV、V级坝应不低于0.930.96。施工时压实干重度的合格率，对I、II级坝及高坝的防渗体为90%，对中小型土坝的防渗体和I、II级均质土为85%90%，对中小型均质坝为80%85%。,3-12,2、非粘性土料的填筑标准：(1)压实程度与填筑含水量关系不大，主要与砂石料的级配和压实功能有关。(2)压实程度用相对紧密度Dr表示，要求Dr不低于0.70.75，若为地震区，要求浸润线以上不小于0.7，浸润线以下不低于0.750.85。(3)非粘性土料设计的步骤：,3-13,(3)非粘性土料土料设计的步骤：计算相对紧密度Dr：计算设计干重度：或计算不同含砾量的砂砾料填筑干重度 非粘性土料的施工合格率要求一般为80%85%。,
