土石坝

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。



(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）
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、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）混合式排水：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
第四章 土石坝
一：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。 二：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）定向爆破堆石坝。






（3）土质斜墙坝：防渗体臵于坝剖面的一侧。 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）土质斜心墙坝：由相对不透水或弱透水土料构成防渗 体，其下部为斜墙、上部为心墙，在他们的上下游两侧以透 水土石料组成坝壳，支撑和保护防渗体。 （5）人工材料心墙坝：中央防渗体由沥青混凝土或混凝土、 钢筋混凝土等人工材料构成，坝壳由透水或半透水砂砾土石 料或者再加上块石等组成。 （6）人工材料面板坝。上游防渗面板由钢筋混凝土、沥青 混凝土、塑料膜或土工膜等材料构成，其支撑体由 透水或半 透水砂砾土石料或者加上块石等组成。 [（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。 ]

②计算设计干重度 ：


③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%。
第四节 土石坝的渗流分析
一、渗流的概念：水库蓄水后，由于上下游水 位差的关系，水流会通过坝体土粒之间的空隙从上 游向下游流动。
二、渗流分析的目的：



（1）确定坝体内浸润线的位臵； （2）确定坝体及坝基的渗流量，以估算水库的渗 漏损失； （3）确定坝体和坝基渗流逸出区的渗流坡降，检 查产生渗透变形的可能性； （4）为坝体稳定分析和布臵观测设备提供依据。 常用的渗流分析方法：流体力学方法、水力学方 法、流网法和试验法。
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.

2、按材料在坝体内的配臵和防渗体的位臵分类 (对于碾 压混凝土坝)： （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）土质心墙坝：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 心位臵，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；

单宽流量：
图6-14 不透水地基上矩形土体的渗流计算图

自上游向下游积分：

自上游向区域中某点（x,y）积分，得浸润线 方程：
图6-15 土坝浸润线示意图

五、流网法
图6-16 流网的绘制
第五节 土石坝的稳定分析






（3）褥垫排水（图6-10）：用块石、砾石平 铺在靠下游侧的坝基上，并在其周围布臵反滤 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.

图6-9 棱体排水



（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。





(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。
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。


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。 一般碾压式土坝设计干重度为15.7～ 17.2kN/m3， I、II级坝及高坝的压实度P （ ）不低于0.96～0.99，对III、IV、 V级坝应不低于0.93～0.96。 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%。



(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Ip=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。
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二、坝的内部构造


一、基本尺寸 1、坝顶高程：坝顶超高 其中，hB——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，Bmin = 0.1H ; 当坝高大于100m时， Bmin = H 0.5 .


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。
第二节 土石坝的剖面和构造



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)
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； （3）冲刷方面：颗粒间粘结力小，因此土石坝抗 冲能力较低；） （4）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.



(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Ip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
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
图6-8 贴坡排水
（1）贴坡排水（图6-8）：又称表层排水。 设臵在下游坝坡底 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。




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0.7～0.75，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0.75～0.85。 (3)非粘性土料设计的步骤： 计算相对紧密度Dr ：

三、渗流基本方程 土坝渗流为层流，因此满足达西定律(Darcy’s Law), 渗流区内任一点势函数应满足拉普拉斯方 程：


kx, ky——分别为x, y方向的渗透系数
对于简单的边界条件，上述方程能解，复杂边 界条件，需借助数值方法。

四、渗流的水力学问题 假设: 均质, 层流, 稳定渐变流. 应用达西定律，并假定任一铅直过水断面内各 点的渗透坡降相等，对不透水地基上的矩形土体， 流过断面上的平均流速为：