土石坝介绍

土石坝介绍

第一节概述

土石坝是指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压方法堆筑成的挡水坝。

土坝当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝；

堆石坝以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；

土石混合坝当两类材料均占相当比例时，称土石混合坝。由于筑坝材料主要来自坝区，因而也称当地材料坝。

土石坝得以广泛应用和发展的主要原因是：

（1）可以就地取材，节约大量水泥、木材和钢材，几乎任何土石料均可筑坝。

（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。

（3）大功率、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度，降低了造价，促进了高土石坝建设的发展。

（4）岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了大坝分析计算的水平，加快了设计进度，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。

（5）高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等设计和施工技术的综合发展，对加速土石坝的建设和推广也起了重要的促进作用。

一、土石坝的特点和设计要求

（1）稳定方面。土石坝不会产生水平整体滑动。土石坝失稳的形式，主要是坝坡的滑动或坝坡连同部分坝基一起滑动。

（2）渗流方面。土石坝挡水后，在坝体内形成由上游向下游的渗流。渗流不仅使水库损失水量,还易引起管涌、流土等渗透变形。坝体内渗流的水面线叫做浸润线。浸润线以下的土料承受着渗透动水压力，并使土的内磨擦角和粘结力减小，对坝坡稳定不利。

（3）冲刷方面。土石坝为散粒体结构，抗冲能力很低；

工程措施：①在土石坝上下游坝坡设置护坡，坝顶及下游坝面布置排水措施，以免风浪、雨水及气温变化带来有害影响；②坝顶在最高库水位以上要留一定的超高，以防止洪水漫过坝顶造成事故；③布置泄水建筑物时，注意进出口离坝坡要有一定距离，以免泄水时对坝坡产生淘刷。

（4）沉陷方面。由于土石料存在较大的孔隙，且易产生相对的移动，在自重及水压力作用下，会有较大的沉陷。为防止坝顶低于设计高程和产生裂缝，施工时应严格控制碾压标准并预留沉陷量，使竣工时坝顶高程高于设计高程。可按坝高的（1～2）％预留沉陷值。

二、土石坝的类型

（一）按坝高分类

土石坝按坝高可分为：高度在30m以下的为低坝，

高度在30~70m之间的为中坝，

高度超过70m的为高坝。

土石坝的坝高均从清基后的地面算起。

（二）按施工方法分类

（1）碾压式土石坝。

（2）水力冲填坝。

（3）水坠坝。

（4）水中填土坝或水中倒土坝。

（5）土中灌水坝。

（6）定向爆破堆石坝。

（三）按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类

1．土坝

（1）均质坝：

（2）粘土心墙坝和粘土斜墙坝：

（3）人工材料心墙和斜墙坝：

（4）多种土质坝：

2．土石混合坝

上述多种土质坝中，粗粒土改用砂砾石料筑成的坝，或用土石混合在一起的材料筑成的坝，称为土石混合坝。

3．堆石坝

除防渗体外，坝体的绝大部分或全部由石料堆筑起来的称为堆石坝。按防渗体的布置，同样也有斜墙坝、心墙坝两种。钢筋混凝土刚性斜墙堆石坝也称为钢筋混凝土面板堆石坝。

有防渗体的土石坝，为避免因渗透系数和材料级配的突变而引起渗透变形，都要向上、下游方向分别设置２～３层逐层加粗的材料作为过渡层或反滤层。

第二节土石坝的基本剖面

土石坝的基本剖面根据坝高和坝的等级、坝型和筑坝材料特性、坝基情况以及施工运行条件等参照现有工程的实践经验初步拟定，然后通过渗流和稳定分析检验，最终确定合理的剖面形状，所以土石坝剖面的基本尺寸主要包括：坝顶高程、坝顶宽、上下游坡度、防渗结构、排水设备的形式及基本尺寸等。

一、坝顶高程

坝顶高程根据正常运用和非常运用的静水位加相应的超高Y予以确定。选以下三项中的最大值为坝顶高程。

=

∇

∇

+

Y

顶

静水

计算情况：

设计洪水位+正常运用情况的坝顶超高；

校核洪水位+非常运用情况的坝顶超高；

正常高水位+非常运用情况的坝顶超高+地震安全加高

坝顶设防浪墙时，超高值Y是指静水位与墙顶的高差。

计算的坝顶高程是指坝体沉降稳定后的数值。

土石坝的类型示意图

Y 按下式计算。

Y=R+e+A

β

cos 22

0m

gH D

Kv e =

β

cos 22

0m

gH D

Kv e = (３-2)

式中R ——波浪在坝坡上的最大爬高，m;

e ——最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值，m; H m ——坝前水域平均水深，m;

K ——综合摩阻系数，其值变化在（1.5～5.0）6

10-⨯之间，计算时一般取K=3.66

10-⨯; β——风向与水域中线（或坝轴线的法线）的夹角，度；

v 0、D ——计算风速和风区长度，见第二章；

A ——安全加高，m;根据坝的等级和运用情况，

波浪爬高:波浪沿建筑物坡面爬升的垂直高度（由风壅水面算起）称为波浪爬高，波浪爬高R 的计算，土石坝设计规范推荐采用蒲田试验站公式，其具体计算方法如下： （1）计算波浪的平均爬高

m

R ：当坝坡系数m=1.5～5.0时，平均爬高

m

R 计算公式：

=

m R m

m w

L h m

K K 2

1+∆

式中 ∆K ——斜坡的糙率渗透性系数

w

K ——经验系数，由计算风速v0(m/s)、水域平均水深

m

H （m ）和重力加速度g 组成的无维量

m

gH v 0

；

m —单坡的坡度系数，若单坡坡角为α，则m=ctg α；

m

h 、

m

L ——平均波高和波长，m;

薄田试验站的波高和波长计算： 1）平均波高hm 用式计算：

2）平均波长Lm 由平均周期Tm 和平均水深Hm 按下述理论公式计算： 平均周期Tm=4.438

5.0m

h

当 m m L

H ≥0.5时，称为深水波，其波长与周期有关：

2

256.12m m m T gT L ≈=π

当m

m L H <0.5时，称为浅水波，其波长与周期和水深有关：

m m

m m L H th

gT L ππ222=

（2）计算设计爬高值R ：不同累计频率的爬高

p

R 与

m

R 的比，可根据爬高统计分布表确定。

当风向与坝轴的法线成一夹角β时，波浪爬高应乘以折减系数

β

K ,其值由表确定。

二、坝顶宽度

坝顶宽度应根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究后确定。 坝顶宽度应按照交通规定选定。

当无特殊要求时，高坝的坝顶最小宽度可选用10～15m ，中低坝可选用5～10m 。 坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布置的需要。

在寒冷地区，坝顶还须有足够的厚度以保护粘性土料防渗体免受冻害。

三、坝坡

（1）上游坝坡常比下游坝坡为缓，但堆石坝上、下游坝坡坡率的差别要比砂土料为小。