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1、水工建筑物之水工建筑物之土石坝土石坝1第一节第一节 概述概述土石坝是土石坝是利用坝址附近的土石料填筑（碾压或夯实）利用坝址附近的土石料填筑（碾压或夯实）而成的挡水建筑物，亦称当地材料坝。而成的挡水建筑物，亦称当地材料坝。按照坝身中土料和石料所占比例的不同有按照坝身中土料和石料所占比例的不同有土坝、堆石土坝、堆石坝和土石混合坝。坝和土石混合坝。认识土石坝认识土石坝2一、土石坝的特点一、土石坝的特点1 1） 就就 地地 取取 材材 ， 造造 价价 低低 。2 2）对对地地形形、地地质质条条件件的的要要求求低低。3 3）构造简单，施工技术容易掌握，便于组织机）构造简单，施工技术容易掌握，便于组织机械
2、化施工。械化施工。4 4）运运用用管管理理方方便便， 维维修修、加加高高和和扩扩建建容容易易。5 5）施工导流不如混凝土坝方便）施工导流不如混凝土坝方便7 7）坝体填筑工程量大，粘性土料的填筑受）坝体填筑工程量大，粘性土料的填筑受气候条件影响。气候条件影响。优点缺点6 6）坝身一般不能溢流，需另设溢洪道；）坝身一般不能溢流，需另设溢洪道；3（1）渗流影响）渗流影响二、土石坝的工作条件和设计一般要求二、土石坝的工作条件和设计一般要求（2）冲刷影响）冲刷影响（3）沉陷影响）沉陷影响（4）其他影响，冰）其他影响，冰冻、地震等、地震等4土石坝一般由坝身、防渗体、排水设备和护坡组成。土石坝一般由坝身、防
3、渗体、排水设备和护坡组成。 坝身：是土石坝的主体，坝的稳定主要靠它维持；坝身：是土石坝的主体，坝的稳定主要靠它维持； 防渗体：降低浸润线，减少渗透水量；防渗体：降低浸润线，减少渗透水量； 排水设备：排除渗透水，增强下游坝坡稳定性；排水设备：排除渗透水，增强下游坝坡稳定性； 护坡：防止波浪、冰层、温度变化、雨水和水流等护坡：防止波浪、冰层、温度变化、雨水和水流等对坝坡的破坏。对坝坡的破坏。土石坝组成土石坝组成5设计的一般要求的一般要求（1 1）具有足）具有足够的断面的断面维持持坝坡的坡的稳定，土石定，土石坝的的边坡和坡和坝基基稳定是土石定是土石坝安全的基本保安全的基本保证。（2 2）设置防渗和排
4、水措施以控制置防渗和排水措施以控制坝体和体和坝基基渗流。渗流。（3 3）拟定合理的施工填筑要求。定合理的施工填筑要求。（4 4）泄洪建筑物要有足）泄洪建筑物要有足够的泄洪能力。的泄洪能力。（5 5）坝顶和和边坡要作防坡要作防护（6 6）大）大坝安全安全监测6三、土石坝的类型三、土石坝的类型（1）按坝高分类）按坝高分类（2）按施工方法分类）按施工方法分类（3）按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类）按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类碾压式土石坝；水力冲填坝；水中填土坝；碾压式土石坝；水力冲填坝；水中填土坝；定向爆破堆石坝。定向爆破堆石坝。均质坝均质坝粘土心墙、粘土斜墙坝、多种土质坝粘土心墙、
5、粘土斜墙坝、多种土质坝人工材料心墙和斜墙坝；人工材料心墙和斜墙坝；堆石坝堆石坝7四、土石坝的设计步骤四、土石坝的设计步骤土石料的分布情况土石料的分布情况施工条件施工条件坝型坝型剖面拟定剖面拟定渗流分析渗流分析稳定分析稳定分析细部构造设计细部构造设计地基处理设计地基处理设计8第二节第二节 土石坝基本剖面及其构造土石坝基本剖面及其构造土石坝的基本剖面尺寸有：坝顶高程，坝顶宽度，土石坝的基本剖面尺寸有：坝顶高程，坝顶宽度，上下游坝坡及防渗和排水设备的轮廓尺寸。上下游坝坡及防渗和排水设备的轮廓尺寸。一、坝顶高程一、坝顶高程二、坝顶宽度及构造二、坝顶宽度及构造三、坝坡坡度及构造三、坝坡坡度及构造四、防渗
6、体四、防渗体五、排水设备五、排水设备9坝顶高程根据正常运行和非常运行时的静水位加相坝顶高程根据正常运行和非常运行时的静水位加相应的超高应的超高hh予以确定。予以确定。顶顶= 设设+ h设设顶顶= 校校+ h校校取大值取大值顶顶h=hh=ha a+e+A+e+A一、坝顶高程一、坝顶高程10坝顶设防浪墙时，坝顶设防浪墙时， h指墙顶在静水位以上的超高，且正指墙顶在静水位以上的超高，且正常运行情况下，坝顶至少应高出静水位常运行情况下，坝顶至少应高出静水位0.5m0.5m以上，非常运以上，非常运行情况下坝顶不得低于静水位。行情况下坝顶不得低于静水位。设计的坝顶高程是坝沉降稳定后的坝顶高程，故施工时设计
7、的坝顶高程是坝沉降稳定后的坝顶高程，故施工时应预留足够的沉降量。一般施工质量良好的土石坝，坝体应预留足够的沉降量。一般施工质量良好的土石坝，坝体沉降量约为坝高的沉降量约为坝高的0.20.20.40.4。说明说明中小型水库，洪水资料不准确，按上式计算的超高值偏小，中小型水库，洪水资料不准确，按上式计算的超高值偏小，可直接取可直接取1.51.52.0m2.0m。地震区，坝顶高程应在正常运行情况下的超高上附加地地震区，坝顶高程应在正常运行情况下的超高上附加地震涌浪高度，一般取震涌浪高度，一般取0.50.51.5m1.5m 。返回返回一、坝顶高程一、坝顶高程11坝顶宽度坝顶宽度取决于交通、防汛抢险、施
8、工、心墙或斜墙顶部及取决于交通、防汛抢险、施工、心墙或斜墙顶部及反滤层布置。反滤层布置。高坝，顶宽可选用高坝，顶宽可选用101015m15m，对于中低坝，可选用，对于中低坝，可选用5 510m10m。寒冷地区，坝顶须有足够的厚度，保护防渗体免受冻害。寒冷地区，坝顶须有足够的厚度，保护防渗体免受冻害。坝顶路面没有交通要求时，用密实的砂砾石或碎石铺设护面。坝顶路面没有交通要求时，用密实的砂砾石或碎石铺设护面。路面向一侧或两侧倾斜，坡度路面向一侧或两侧倾斜，坡度2 23 3。防浪墙墙高防浪墙墙高1.3m1.3m，砼或浆砌石结构，埋入坝内，和坝的防，砼或浆砌石结构，埋入坝内，和坝的防渗体连接。渗体连接
9、。二、坝顶宽度及构造二、坝顶宽度及构造12返回返回二、坝顶宽度及构造二、坝顶宽度及构造13J单种土料的上游坡常缓于下游坝坡。单种土料的上游坡常缓于下游坝坡。J粘土斜墙坝的上游坡比心墙坝缓，而下游坡比心墙坝陡。粘土斜墙坝的上游坡比心墙坝缓，而下游坡比心墙坝陡。碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。斜墙堆石坝，其下游坝坡可碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。斜墙堆石坝，其下游坝坡可用堆石的自然坡，一般为用堆石的自然坡，一般为1:1.31:1.31:1.4,1:1.4,上游坝坡则由斜墙上游坝坡则由斜墙的稳定而定，一般的稳定而定，一般1:21:21:31:3。心墙坝则上下游坝坡均用。心墙坝则上下游坝坡均用1:1.51:
10、1.51:21:2。J砂壤土、壤土的均质坝坡比砂或砂砾组成的坝坡要缓些。砂壤土、壤土的均质坝坡比砂或砂砾组成的坝坡要缓些。J碾压式土石坝从上而下逐级变缓坝坡，相邻坡率差值为碾压式土石坝从上而下逐级变缓坝坡，相邻坡率差值为0.250.250.50.5。砂或砂砾料坝体可不变坡，但一般也常采用变。砂或砂砾料坝体可不变坡，但一般也常采用变坡形式。坡形式。 坝坡坡度选择遵循几条规律坝坡坡度选择遵循几条规律土石坝坝坡一般在坝顶附近的坝坡宜陡些，向下逐级变坡，土石坝坝坡一般在坝顶附近的坝坡宜陡些，向下逐级变坡，每级高度约每级高度约151520m20m，相邻坡率差不宜大于，相邻坡率差不宜大于0.250.250
11、.500.50。常。常用的坝坡一般取用的坝坡一般取1:2.01:2.01:4.01:4.0。 三、坝坡坡度及构造三、坝坡坡度及构造14土石坝上游坡面要经受破浪的淘刷，冰层及漂浮物，顺坡土石坝上游坡面要经受破浪的淘刷，冰层及漂浮物，顺坡水流，库水位下降时渗流和冰冻等破坏作用；下游坡面受水流，库水位下降时渗流和冰冻等破坏作用；下游坡面受雨水，风，动植物及冻胀和干裂等的破坏作用。雨水，风，动植物及冻胀和干裂等的破坏作用。上游护坡上游护坡型式：抛石、干砌石、浆砌石、现浇或预制型式：抛石、干砌石、浆砌石、现浇或预制混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土或水泥土。混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土或水泥土。范围：坝范
12、围：坝顶起护至最低水位以下顶起护至最低水位以下2.5m2.5m或至坝底。或至坝底。 下游护坡下游护坡形式：堆石、卵石或碎石、草皮。形式：堆石、卵石或碎石、草皮。范围：范围：坝顶至排水体或坝底（无排水体）。坝顶至排水体或坝底（无排水体）。三、坝坡坡度及构造三、坝坡坡度及构造15三、坝坡坡度及构造三、坝坡坡度及构造返回返回16减少通过坝体及坝基的渗流及渗漏损失；减少通过坝体及坝基的渗流及渗漏损失；降低浸润线，减小下游饱和区，提高坝坡稳定性；降低浸润线，减小下游饱和区，提高坝坡稳定性；降低渗透坡降，防止渗透变形降低渗透坡降，防止渗透变形粘土防渗：防渗土料的透水性远低于坝体材料粘土防渗：防渗土料的透水
13、性远低于坝体材料非粘土防渗：砼，沥青砼，人工材料等非粘土防渗：砼，沥青砼，人工材料等作作用用材材料料型型式式坝体防渗坝体防渗坝基防渗坝基防渗均质坝以整个剖面防渗，分区坝用粘土心均质坝以整个剖面防渗，分区坝用粘土心墙或者粘土斜墙防渗。墙或者粘土斜墙防渗。垂直防渗和水平防渗。垂直防渗和水平防渗。四、防渗体四、防渗体17墙体厚度由土料的墙体厚度由土料的J J决定。决定。粘土：粘土：壤土：壤土：J J8 86 6J J5 54 4底部厚度底部厚度顶部厚度满足机械施工要求，不小于顶部厚度满足机械施工要求，不小于3m3m，最小，最小2m2m。从坝顶至坝底逐渐加厚，两侧边坡在从坝顶至坝底逐渐加厚，两侧边坡在
14、1:0.151:0.151:0.51:0.5之间选择。之间选择。墙顶高程在正常运用情况下，超高为墙顶高程在正常运用情况下，超高为0.3m0.3m0.6m0.6m；非常运用情况下，不低于最高水位。非常运用情况下，不低于最高水位。粘土斜墙位于坝体上游面，墙厚指垂直斜墙上游粘土斜墙位于坝体上游面，墙厚指垂直斜墙上游面的厚度，由渗透坡降确定。构造同心墙。面的厚度，由渗透坡降确定。构造同心墙。返回返回坝体防渗坝体防渗18坝基防渗（坝基防渗（垂直防渗措施）垂直防渗措施）1.1.粘土截水槽粘土截水槽当坝基砂砾层厚度在当坝基砂砾层厚度在10-15m10-15m以内时，甚至达以内时，甚至达20m20m时，可选时
15、，可选用粘土截水槽。用粘土截水槽。192.2.砼防渗墙砼防渗墙用钻机或其它设备在土层中造成圆孔或槽孔，在孔中浇混凝用钻机或其它设备在土层中造成圆孔或槽孔，在孔中浇混凝土，最后连成一片，成为整体的混凝土防渗墙，适用于地基土，最后连成一片，成为整体的混凝土防渗墙，适用于地基透水层较厚的情况。透水层较厚的情况。 坝基防渗（坝基防渗（垂直防渗措施）垂直防渗措施）203.3.帷幕灌浆帷幕灌浆当砂卵石层很厚时，用上述当砂卵石层很厚时，用上述3 3种处理方法都较困种处理方法都较困难或不够经济，可采用灌浆帷幕防渗。难或不够经济，可采用灌浆帷幕防渗。砂卵石地基的可灌性，可根据地基的渗透系数，可砂卵石地基的可灌性
16、，可根据地基的渗透系数，可灌比值灌比值M M及小于及小于0.1mm0.1mm颗粒含量等因素来评判。颗粒含量等因素来评判。? ?地基的可灌性地基的可灌性? ?坝基防渗（坝基防渗（垂直防渗措施）垂直防渗措施）21D D1515地基土层中小于此粒径的土重占总土重的地基土层中小于此粒径的土重占总土重的15%15%，d d8585是灌浆材料中小于此粒径的重量占总土重的是灌浆材料中小于此粒径的重量占总土重的85%85%。一般认为：一般认为：M5,M10M10可灌水泥粘土浆；可灌水泥粘土浆；M15M15时，可灌水泥浆。时，可灌水泥浆。 灌浆帷幕的厚度灌浆帷幕的厚度T T，根据帷幕最大作用水头，根据帷幕最大作
17、用水头H H和允许水力坡和允许水力坡降降J, J, 按下式估算：按下式估算：灌浆帷幕的优点是灌浆深度大，但对地基的适应性较差，有灌浆帷幕的优点是灌浆深度大，但对地基的适应性较差，有的地基如粉砂、细砂地基，不易灌进，而透水性太大的地基的地基如粉砂、细砂地基，不易灌进，而透水性太大的地基又往往耗浆量太大。又往往耗浆量太大。J=34。 坝基防渗（坝基防渗（垂直防渗措施）垂直防渗措施）224.4.粘土铺盖粘土铺盖 铺盖长度应根据地基特性和防渗需要由计算确定，最长不超铺盖长度应根据地基特性和防渗需要由计算确定，最长不超过过6-86-8倍水头，若再增大防渗效果不显著增加。粘土铺盖自倍水头，若再增大防渗效果
18、不显著增加。粘土铺盖自上游向下游逐渐加厚，其值由允许坡降决定。上游端厚度至上游向下游逐渐加厚，其值由允许坡降决定。上游端厚度至少为少为0.5-1.0m0.5-1.0m。为了防止不均匀沉降，下游端与斜墙或心墙。为了防止不均匀沉降，下游端与斜墙或心墙连接处应加厚。铺盖上设保护层。连接处应加厚。铺盖上设保护层。坝基防渗（坝基防渗（水平防渗措施）水平防渗措施）返回返回23五、排水设备五、排水设备作用：是降低浸润线，防止坝体土壤发生渗透破坏。作用：是降低浸润线，防止坝体土壤发生渗透破坏。排水设备通常由排水体和反滤层两部分组成作用排水设备通常由排水体和反滤层两部分组成作用1.1.排水体排水体2.2.反滤层
19、反滤层按按照照所所在在的的部部位位坝体排水坝体排水坝基排水坝基排水坝坡排水坝坡排水棱体排水棱体排水褥垫排水褥垫排水综合式排水综合式排水返回第二节返回第二节24坝体排水之坝体排水之贴坡排水贴坡排水用用1212层堆石或砌石铺砌在坝体下游边坡上，排水层堆石或砌石铺砌在坝体下游边坡上，排水顶部在浸润线逸出点以上一定距离。顶部在浸润线逸出点以上一定距离。贴坡排水是最简单的排水设施，省工省料，便于检贴坡排水是最简单的排水设施，省工省料，便于检修。它只能保护下游坝坡不受尾水波浪淘刷，防止修。它只能保护下游坝坡不受尾水波浪淘刷，防止渗流逸出段的渗透变形而不能降低浸润线，且防冻渗流逸出段的渗透变形而不能降低浸润
20、线，且防冻性较差，适用于浸润线较低的土石坝。性较差，适用于浸润线较低的土石坝。25坝体排水之坝体排水之棱体排水棱体排水在下游坝脚处用块石堆成棱体，也叫滤水坝趾。顶在下游坝脚处用块石堆成棱体，也叫滤水坝趾。顶面必须高出下游水位一定距离。顶宽不小于面必须高出下游水位一定距离。顶宽不小于1.0m1.0m，一般内坡为一般内坡为1:1.0-1:1.51:1.0-1:1.5，外坡为，外坡为1:1.5-1:2.01:1.5-1:2.0。最常用的一种排水型式，它不仅可以有效地阵低浸润线，保持最常用的一种排水型式，它不仅可以有效地阵低浸润线，保持下游坝脚不受下游水淘刷，而且有支持坝体，增加稳定性的作下游坝脚不受
21、下游水淘刷，而且有支持坝体，增加稳定性的作用。这种型式的缺点是石料用量大，费用高，与坝体施工有干用。这种型式的缺点是石料用量大，费用高，与坝体施工有干扰。扰。26坝体排水之坝体排水之褥垫排水褥垫排水伸展到坝体以内的一种排水设备，将块石平铺在坝体下游部伸展到坝体以内的一种排水设备，将块石平铺在坝体下游部分的地基上，厚度约为分的地基上，厚度约为0.4-0.5m0.4-0.5m，伸入坝体的长度不超过，伸入坝体的长度不超过1/4-1/31/4-1/3的坝底宽度，并布置成倾向下游的坝底宽度，并布置成倾向下游0.005-0.010.005-0.01的纵坡。的纵坡。这种排水设备降低浸润线效果显著，有助于坝基
22、排水，可加这种排水设备降低浸润线效果显著，有助于坝基排水，可加速软粘土地基的固结。主要缺点是检修困难，干扰坝体施工，速软粘土地基的固结。主要缺点是检修困难，干扰坝体施工，当下游水位高出排水设备时，降低浸润线的效果显著降低。当下游水位高出排水设备时，降低浸润线的效果显著降低。因此，这种排水设备只适用于下游水位很低而又要求大幅度因此，这种排水设备只适用于下游水位很低而又要求大幅度降低浸润线的情况。降低浸润线的情况。27在实际工程中常根据具体情况采用几种排水型式组合在一起在实际工程中常根据具体情况采用几种排水型式组合在一起的综合式排水。的综合式排水。 坝体排水之坝体排水之综合式排水综合式排水返回返回
23、28坝身排水设备虽然对坝基也起了一定的排水作用，但对于单坝身排水设备虽然对坝基也起了一定的排水作用，但对于单一透水坝基或透水坝基表面有粘性土层的情况，当坝基防渗一透水坝基或透水坝基表面有粘性土层的情况，当坝基防渗设施没有把它完全截断时，必须设置专门的坝基排水，以减设施没有把它完全截断时，必须设置专门的坝基排水，以减少坝趾附近的渗透压力，防止渗透破坏和下游沼泽化。少坝趾附近的渗透压力，防止渗透破坏和下游沼泽化。 坝基排水坝基排水返回返回29土石坝设置了排水后，坝内渗流渗径缩短，渗透坡降加大，土石坝设置了排水后，坝内渗流渗径缩短，渗透坡降加大，在排水体和地基，排水体和坝体接触处及下游逸出处易发生在
24、排水体和地基，排水体和坝体接触处及下游逸出处易发生渗透变形。为了保护坝体土和坝基土，设置反滤层。渗透变形。为了保护坝体土和坝基土，设置反滤层。作用：滤土排水，防止在渗流出口处发生渗透破坏。作用：滤土排水，防止在渗流出口处发生渗透破坏。构造：反滤层由构造：反滤层由2424层不同粒径的砂石料组成，粒径沿渗层不同粒径的砂石料组成，粒径沿渗流方向由细到粗，层次大体与渗流方向正交。流方向由细到粗，层次大体与渗流方向正交。反滤层反滤层30反滤原则反滤原则反滤层反滤层1 1 被保护土料的颗粒不得穿过反滤层。被保护土料的颗粒不得穿过反滤层。2 2相邻两层中，颗粒较小的一层的颗粒不得穿过颗粒较相邻两层中，颗粒较
25、小的一层的颗粒不得穿过颗粒较粗一层的孔隙。粗一层的孔隙。3 3同一层内的颗粒不得发生移动。同一层内的颗粒不得发生移动。4 4允许特细颗粒被渗流带走，但不许堵塞反滤层。允许特细颗粒被渗流带走，但不许堵塞反滤层。 ； 反滤层的材料反滤层的材料人工砂砾料；人工砂砾料；天然砂砾料天然砂砾料; ;土工织物土工织物31作用是避免在刚度相差较大的两种土料之间产生急剧变化。作用是避免在刚度相差较大的两种土料之间产生急剧变化。反滤层可以起过渡层的作用，而过渡层却不一定能满足反反滤层可以起过渡层的作用，而过渡层却不一定能满足反滤要求。在分区坝的防渗体与坝壳之间，根据需要与土料滤要求。在分区坝的防渗体与坝壳之间，根据需要与土料情况可以只设置反滤层，也可同时设置反滤层和过渡层。情况可以只设置反滤层，也可同时设置反滤层和过渡层。D D1515反滤层的粒径，小于该粒径的土重占总重的反滤层的粒径，小于该粒径的土重占总重的15%15%；d d8585被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的85%85%；d d1515被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的15%15%。反滤层反滤层返回返回过渡层过渡层32
