第6章 土石坝

第六章土石坝第一节概述一、概念：利用当地土石材料填筑而成的挡水坝，又称当地材料坝。

历史悠久，发展很快，国内、外广泛采用。

碧口水电站碧口水电站建在甘肃文县白龙江，控制流域面积26000平方公里。

多年平均流量275秒立米，设计洪水流量7630秒立米。

总库容为521亿立米，设计灌溉面积0.89万亩，装机容量30.0万千瓦。

主坝坝型为壤土心墙土石坝。

最大坝高101 米，坝顶长度297米，坝基岩石为干枚岩和凝灰岩。

坝体工程量424.1万立米，主要泄洪方式溢洪道和隧洞。

密云水库密云水库建北京密云潮白河,控制流域面积15788平方公里,多年平均流量50秒立米,设计洪水流量16500秒立米,总库容43.75亿立米,设计灌溉面积400万亩,装机容量8.8万千瓦。

主坝坝型为粘土斜墙土坝,最大坝高66米(白河主坝),坝顶长度960米(白河主坝),坝基岩石为砂砾石复盖层,坝钵工程量1105万立米。

主要泄洪方式为岸边溢洪道,大坝特点是坝基混凝土墙和灌浆防渗。

南水水电站南水水电站建在广东乳源的南水，控制流域面积608平方公里，多年平均流量33.4秒立米，设计洪水流量4190秒立米，总库容12.18亿立米，装机容量7.5万千瓦。

主坝坝型为粘土斜墙堆石坝，最大坝高81.3米，坝顶长度215米，坝基岩石为砂岩，坝体工程量171.1万立米，主要泄洪方式为隧洞，大坝特点是定向爆破筑坝。

以礼河毛家村水电站建设地点在云南会泽，所在河流为以礼河，控制流域面积868平方公里，多年平均流量15.9秒立米，设计洪水流量1700秒立米，总库容5.53亿立米，设计灌溉面积74万亩，装机容量1.6万千瓦。

主坝坝型为粘土心墙土石坝，最大坝高80.5米，坝顶长度467米，坝基岩石为玄武岩，坝体工程量664.3万立米，主要泄洪方式为隧洞。

岳城水库岳城水库建设地点在河北磁县，所在河流为漳河，控制流域面积18100 平方公里，多年平均流量62.2秒立米，设计洪水流量19300秒立米，总库容10.9亿立米，设计灌溉面积200万亩，装机容量1.7万千瓦。

主坝坝型为均质土坝，最大坝高53米，坝顶长度3570米，坝基岩石为砂砾石复盖层，坝体工程量2900万立米，主要泄洪方式岸边溢洪道，大坝特点是坝下泄洪洞（涵管）。

二、土石坝广泛应用的原因：优点：（1）筑坝材料可以就地取材，可节省大量钢材和水泥，免修公路；（2）较能适应地基变形，对地基的要求比砼坝要低；（3）结构简单，工作可靠，便于维修和加高、扩建；（4）施工技术简单，工序少，便于组织机械化快速施工。

不足之处：坝顶不能过流，必须另开溢洪道，施工导流不如砼坝便利，对防渗要求高，因为剖面大，所以填筑量大而且施工容易受季节影响。

三、土石坝的工作特点（1）稳定方面：不会沿坝基面整体滑动，失稳形式主要是坝坡滑动或连同部分地基一起滑动；（2）渗流方面：坝体为散粒体结构，在上下游水位差作用下经坝体和地基向下游渗透，产生渗透压力和渗透变形，严重时会导致坝体失事，浸润面和浸润线的概念；冲刷方面：颗粒间粘结力小，因此土石坝抗冲能力较低；）沉降方面：颗粒间存在孔隙，受力后产生沉陷，分为均匀沉降和非均匀沉降；（5）其他方面：冰冻、地震、动物筑窝等.四、土石坝的设计要求为使土石坝能安全有效地工作，在设计方面的一般要求：（1）不允许水流漫顶，要求坝体有一定的超高；（2）满足渗流要求；（3）坝体和坝基必须稳定；（4）应避免有害裂缝及必须能抵抗其他自然现象的破坏作用；（5）安全使用前提下，力求经济美观。

五、土石坝的类型1、按施工方法分类：（1）碾压式；（2）水力冲填式；（3）水中填土式；（4）定向爆破。

2、按材料在坝体内的配置和防渗体的位置分类（图6-1 ）（1）均质土坝：坝体剖面的全部或绝大部分由一种土料填筑。

优点：材料单一，施工简单；缺点：当坝身材料粘性较大时，雨季或冬季施工较困难。

（2）塑性心墙坝：用透水性较好的砂或砂砾石做坝壳，以防渗性较好的粘性土作为防渗体设在坝的剖面中心位置，心墙材料可用粘土也可用沥青混凝土和钢筋混凝土；优点：坡陡，坝剖面较（1）小，工程量少，心墙占总方量比重不大，因此施工受季节影响相对较小；缺点：要求心墙与坝壳大体同时填筑，干扰大, 一旦建成，难修补；（3）塑性斜墙坝：防渗体置于坝剖面的一侧。

优点：斜墙与坝壳之间的施工干扰相对较小，在调配劳动力和缩短工期方面比心墙坝有利；缺点：上游坡较缓，粘土量及总工程量较心墙坝大，抗震性及对不均匀沉降的适应性不如心墙坝。

（4）多种土质坝：坝址附近有多种土料用来填筑的坝。

（5）土石混合坝：如坝址附近砂、砂砾不足，而石料较多，上述的多种土质坝的一些部位可用石料代替砂料。

图6-1 碾压式土石坝类型第二节土石坝的剖面和构造一、基本尺寸1、坝顶高程：坝顶超高其中，h B——爬高， a——安全加高， e——坝前水位因风浪引起的壅高。

2、坝顶宽度取决于交通需要、构造要求和施工条件。

当坝高在30m~100m时，B min= 0.1H ;当坝高大于100m时，B min= H 0.5 .3、坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。

(1)均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓；(2)粘土斜墙坝的上游坡比心墙的坝坡缓，而下游坝坡可比心墙坝陡些；(3)土料相同时上游坡缓于下游坡；(4)粘土均质坝的坝坡与坝高有关，坝高越大坝坡越缓；(5)碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。

二、坝的内部构造土石坝的内部构造包括：防渗体、排水设备、反滤层和护坡。

1、防渗体：一般采用塑性、心墙和斜墙，均由渗透系数较小的粘性土料构成，其尺寸和结构需满足减小渗透量、降低浸润线和控制渗透坡降的要求。

其种类有：粘性土心墙（图6-3）、粘性土斜墙（图6-4，6-5）、粘性土斜心墙（图6-6）、沥青混凝土防渗墙(图6-7)图6-3 粘土心墙坝(突出心墙)2、排水设备主要作用：降低坝体浸润线，有利于下游坝坡稳定并防止土坝可能出现的渗透破坏。

型式：贴坡排水、棱体排水、褥垫排水、混合排水（1）贴坡排水（图6-8）：又称表层排水。

设置在下游坝坡底部，由1~3层堆石或砌石构成，在石块与坝坡之间应设反滤层；特点：形式简单，省料且易于检修，可防止渗透破坏。

因未伸入坝体，不能降低浸润线，且防冻性较差。

适用：中小型且下游无水的均质坝及防渗体浸润线较低的中等高度的土坝。

图6-8 贴坡排水（2）棱体排水（图6-9）：在下游坝脚处用块石堆成棱体，需设反滤层。

特点：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷且有支持坝体增加其稳定的作用，是一种可靠的排水型式，但石料用量大，费用高，检修困难。

适用：较高的土坝及石料较多的地区。

图6-9 棱体排水（3）褥垫排水（图6-10）：用块石、砾石平铺在靠下游侧的坝基上，并在其周围布置反滤层而构成的水平排水体，伸入坝体长度 1/3~1/4坝底宽。

特点：下游无水时，能有效降低浸润线，有助于坝基排水，但对不均匀沉降的适应性较差，当下游水位高于排水设备时，降低浸润线的效果明显降低，我国应用较少。

适用: 下游无水或水位较低的情况.（4）混合式排水（图6-11）：将上述几种排水混合使用。

*反滤层（图6-12）:设在渗透坡降较大,流速较高,土壤易于变形的渗流出口处或进入排水处.作用:防止土体在渗流作用下发生渗透变形.组成:二至三层粒径不同的砂、石料铺筑而成，层面与渗流方向尽量垂直，小粒径— 大粒径。

图6-12 反滤层3、护坡：占总体造价的10%（1）上游坝坡受波浪淘刷、渗流、冰冻等破坏作用；上游护坡：砌石护坡、堆石护坡、沥青砼护坡等；（2）下游面有雨水、风、动物、根部发达的植物以及干裂等破坏。

下游护坡：碎石或砾石护坡，还可采用草皮护坡。

第三节土石坝的筑坝材料一、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。

）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.(一)、均质坝对土料的要求(1)强度指标Φ、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I p=ωL-ωP=7～17。

→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。

(二)、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I p大于10～12。

(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10～17的中、重壤土以及粘粒含量30%~40%或塑性指数为17～20(三)、坝壳对土石料的要求(1)强度指标Φ、c较大，具有抗震、抗滑稳定性。

(2)排水性能好，k>103×k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η=d60/d10≈30～100。

(4)土质：级配良好的无粘性土（砂、砾石、卵石、碎石等）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：不宜用风化料，用新鲜岩石、卵石、碎石。

料场开采的石料、开挖的石渣。

(四)、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：不宜用风化料，用新鲜岩石、卵石、碎石。

(五)、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，也可用人工碎石。

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ω，选在最优含水量附近。

(3)粘性土料设计的步骤：①初拟设计含水量ω：②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：③拟定填土的设计填筑干重度,④校验填土的设计干重度,应满足⑤调整含水量ω使满足填筑要求。