第三章-土石坝及碾压

土石坝是利用坝址附近土料、石料及砂砾料填筑而成的一种挡水坝；是土坝、堆石坝和土石混合坝的总称；筑坝材料基本来源于当地，故又将其称为“当地材料坝”。是人类最早建造的坝型，具有悠久的发展历史，在各国使用都极为普遍。PP.25第三节土石坝

(theRock-fillDam）1同混凝土坝相比，土石坝的优点主要体现在以下几方面：就地取材，可节省大量木材、钢材和水泥等；较能适应地基变形，对地基要求比砼坝要低；结构简单,工作可靠,便于维修和加高、扩建；施工技术简单，工序少，便于机械化施工。当然，土石坝也存在一些缺点：

坝顶不能过流，需在坝外单独设置泄水建筑物；施工导流不如砼坝便利；剖面大，所以填筑量大；粘性土施工容易受气候条件影响较大。2一、土石坝的工作条件和设计的一般要求渗流方面：坝体为散粒体结构，库水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。3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；其它方面：冰冻、地震、动物巢穴等。稳定方面：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。4（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，还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。PP.26为使土石坝能安全有效工作，在设计时一般要求：5二、土石坝的类型1、按施工方法分类：（1）碾压式土石坝√（2）抛填式堆石坝（2）水力冲填坝（3）水坠坝（4）定向爆破堆石坝PP.2762、碾压式土石坝按筑坝材料和防渗体的位置可细分为以下五种：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。（1）均质土坝：坝体剖面的全部或绝大部分由一种土料填筑。7（2）心墙土坝：用透水性较好的砂或砂砾石做坝壳，以防渗性较好的材料作为防渗体设在坝的剖面中心位置。防渗体：粘土、沥青砼或钢筋砼，土工膜等优点：坡陡，剖面较均质坝小，工程量少，心墙占总方量比重不大，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；8堆石坝以心墙作为防渗体鲁布革大坝典型剖面图9（3）斜墙土坝优点：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。防渗体置于坝的上游面，称为斜墙。1011小浪底斜心墙坝典型断面图12（4）多种土质坝：（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。坝体是由透水性不同的多种土料分区填筑而成。13三、筑坝土料的性质1、粘性土：颗粒小，结构紧密，颗粒间有凝聚力，水流渗过这种土壤时，遇到的阻力大，因此其防渗性能好。2、非粘性土：砂粒、卵石等颗粒大，颗粒间基本无凝聚力，但颗粒间摩擦力大，因而其自然稳定坡度比粘性土陡。粒间空隙大，容易透水，防渗性能差。14四、土石坝的剖面和构造1、坝顶高程：静水位+波浪爬高+坝顶超高d(二)土石坝的剖面土石坝基本剖面尺寸主要包括：坝顶高程、坝顶宽度、上下游边坡、防渗和排水设备的轮廓尺寸

(一)土石坝的组成

坝身、防渗体、排水设备和护坡15★坝顶高程应分别按正常情况和非常情况进行计算，并选用其中的较大值。对于地震区还需考虑地震涌浪高度。★坝顶上游设防浪墙时，计算得到的坝顶高程应为防浪墙顶高程。162、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，不小于5m;当坝高大于100m时，Bmin

=H0.5.3、坝坡

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。土料相同时上游坡缓于下游坡；水下缓于水上；粘土均质坝的坝坡与坝高有关，坝高越大坝坡越缓；均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓；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；变坡处设马道，宽1.5~2.0m。17(三)土石坝的主要构造1、防渗体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。粘性土心墙、粘性土斜墙、粘性土斜心墙沥青混凝土防渗墙181920

降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；防止渗流逸出处的渗透变形，保护坝坡和坝基；防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，起到保护下游坝坡的作用。2、排水设备和反滤层常见的型式有:棱体排水、褥垫排水、贴坡排水、综合式排水21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。（1）棱体排水：22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。适用:下游无水或水位较低的情况.（2）褥垫排水：23也称表层排水。设置在下游坝坡底部，由1~2层堆石或砌石构成，在石块与坝坡之间设反滤层；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。（3）贴坡排水：24（4）混合式排水将上述几种排水混合使用。25反滤层: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。263、护坡上游坝坡受波浪淘刷、渗流、冰冻等破坏作用；下游面有雨水、风、动物以及干裂等破坏。上游护坡：

砌石护坡、堆石护坡、砼板护坡等；下游护坡：

碎石或砾石护坡，还可采用草皮护坡。27(一)渗流分析1、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。五、土坝的渗流、稳定和沉陷282、渗流分析的目的：确定坝体内浸润线的位置；确定坝体及坝基的渗流量，以估算水库的渗漏损失；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；为坝体稳定分析和布置观测设备提供依据。29渗透变形管涌

坝体或地基中的土壤细颗粒被渗透水流带走，并逐步形成渗流通道的现象。流土

在渗流作用下，产生的土体浮动或流失现象；它主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗流出口处。多发生在坝的下游坡或闸坝下游地基面渗流逸出处。粘性土因颗粒之间存在凝聚力且渗透系数较小，一般不易发生管涌破坏，而在缺乏中间粒径的非粘性土中极易发生。30(二)稳定分析重力坝—沿坝基面的整体抗滑稳定分析拱坝—坝肩(拱座)的稳定分析土坝—主要指上下游坝坡的抗滑稳定分析土石坝坝坡的滑动面型式：圆弧滑动面：滑动面通过粘性土部位时，折线滑动面：滑动面通过非粘性土部位时；复式滑动面：滑动面通过粘性土和非粘性土构成的多种土质坝时。3132(三)土坝的沉陷

在自重或外力的作用下，土体孔逐渐隙中的水、气被逐渐排出，孔隙缩小，土体被压实，这个过程称为固结。粘性土常需要一个较长的时间才能完成固结，而砂性土固结速度则较快。33六、土石坝的地基处理一、地基处理1、目的：渗流控制、稳定控制、变形控制2、砂砾石地基的处理砂砾石地基的特点：具有较高的抗剪能力和承载能力，压缩变形小，抗渗性能差，因此对这类地基的处理以渗流控制为主。垂直防渗：粘土截水槽、砼防渗墙和灌浆帷幕；水平防渗：铺盖；34当地基深度在10~15米以内时，采用粘土截水墙。如果深度更大但不超过30米时，可采用混凝土截水墙。35当砂砾石透水层深度大于30米,采用混凝土防渗墙。3637第四节碾压砼坝与砼面板堆石坝一、碾压混凝土坝采用水泥含量比较低的超干硬性混凝土，经碾压而成的混凝土坝。从根本上改革了常规混凝土的浇捣方法，是将土石坝碾压设备和技术应用混凝土坝施工的一种新坝型。碾压混凝土坝的特点：运输、浇筑均可实现机械化；因此，施工速度快，工期短。38单位水泥用量和用水量少，每m3砼水泥用量一般不超过100kg，较常态砼节约30%~50%，用水量也少30%~40%，相应地可大大简化混凝土的温控措施；砂率大，且要求有一定的粉粒含量；采用通仓薄层浇筑，一般不设纵缝，可节省模板及接缝灌浆等费用；工程造价省。39

砼面板堆石坝以堆石体为支承结构，采用砼面板作为坝的防渗体，并将其设置在堆石体上游面。(一)混凝土面板堆石坝的发展第一阶段(1850年~1940年)，为抛填堆石阶段；第二阶段(1940年~1965年)，是由抛填堆石向碾压堆石发展的过渡阶段；第三阶段（1965年以后至今），主要是以碾压堆石为特征，同时在坝体结构、施工技术上有很达的进步，所筑坝也越来越高。二、混凝土面板堆石坝40

早在19世纪中叶，美国就开始修建面板堆石坝。最初这些坝是以木面板防渗，后来为承受更高的水压力，木面板逐渐被混凝土面板代替。当时堆石均采用抛填施工，并辅以高压水枪冲实，所获得的堆石体不太密实，沉陷和水平位移均较大。进入上世纪40年代以来，筑坝高度呈现增加趋势。对采用抛填法施工的堆石体，当坝高大于70m时，混凝土防渗面板已不能承受堆石体的较大变形而发生裂缝漏水，从而导致在较长时期内，这种坝型的发展处于停滞状态。41与此相反，带有反滤层的粘土心墙却能适应抛填堆石的较大变形，满足坝体防渗需要，加上50年代土力学理论、土工试验技术、土壤碾压设备的发展，使得以粘性土料作防渗心墙或斜墙的堆石坝在这期间得到迅速发展，并建成不少高坝。进入60年代以后，将大型振动碾运用于坝体堆石碾压，使堆石体的密实度更高，从而大幅度降低了堆石体变形，再配合接缝止水设施和改进的钢筋混凝土面板防渗，成为现代的新型面板堆石坝。42(二)混凝土面板堆石坝迅速发展的原因1、面板设计于堆石体上游面，水压力在上游坝面的铅直分力有助于坝的稳定，坝体工程量是土石坝中最小的；2、振动碾压使得高密实度堆石体变形小；3、面板兼有护坡防浪作用，经济合理；4、面板在上游面，便于检查维修；5、坝体填筑没有粘性土填方，施工干扰小，气候影响也小，基本可全年施工。弱点：面板对基础沉陷敏感，不抗漂浮物冲击。(三)组成：堆石体、面板、底座（趾板）振动碾43西北口（95m，湖北）天生桥