《水利工程概论》第四章-4-土石坝

土石坝概论土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。它是土坝、堆石坝和土石混合坝的总称。坝体为土料和沙砾料的称为土坝；石渣、卵石或块石为主的称为石坝；土料和石料按一定比例的称为土石混合坝。

概论

土石坝采用土料、石料堆筑而成，主体筑坝材料耗量大，只能附近取材，又称为当地材料坝。概论特点1.

可以就地、就近取材，节省大量的水泥、木材和钢材，减少运输费用；

2.

能适合各种不同的地形、地质和气候条件；3.

大容量、高效率的施工机械的发展，降低了建坝的造价，提高了土石坝的施工质量；

4.

工作可靠，寿命较长；5.

高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等工程设计和施工技术的综合发展，促进了土石坝，尤其是高土石坝的建设和推广。我国已建和在建高土石坝（坝高大于100m）

序号

坝名

地点

河流

坝型

坝高（m）

完成年份1

石门

台湾

淡水河

心墙堆石坝

133

19642曾文

台湾

曾文河

心墙土石坝

133

19733碧口

甘肃文县

白龙江

心墙土石坝

101．8

19764高岛东坝

香港

沥青混凝土心墙堆石坝

107

1979

5高岛西坝

香港沥青混凝土心墙堆石坝

102．5

1979

6西北口

湖北

黄柏河

混凝土面板堆石坝

100

1990

7石头河

陕西

石头河

心墙石坝

114

1981

8鲁布革

云南贵州

黄泥河

土质心墙堆石坝

103．8

1989

9白云

湖南城步

巫水

混凝土面板堆石坝

120

1998

10芹山

福建周宁

穆阳溪

混凝土面板堆石坝

122

2000

11天生桥一级

广西贵州

南盘河

混凝土面板堆石坝

178

在建

12小浪底

河南猛津

黄河

斜心墙堆石坝

154

在建

13乌鲁瓦提

新疆和田

拉什河

混凝土面板砂砾石坝

138

在建

14金盆

陕西西安

黑河

土质心墙砂砾石坝

133

在建

15珊溪

浙江宁海

白溪

混凝土面板堆石坝

123．5

在建

16古洞口

湖北兴山

古夫河

混凝土面板砂砾石坝

120

在建

17高塘

广东怀集

白水河

混凝土面板砂砾石坝

110．7

在建

18茄子山

云南龙坡

苏柏河

混凝土面板堆石坝

104．5

在建

19茅坪溪

湖北

茅坪溪

沥青混凝土心墙土石坝

104

在建

20柴石滩

云南宜良

南盘江

混凝土面板堆石坝

103

在建土及土力学基本知识土：是岩石经风化后，产生崩解、破碎、变质，又经过各种自然力搬运，在新的环境下沉积下来的颗粒状松散堆积物。土的作用是：（1）承受其上的结构载荷；（2）作为材料，修建坝堤、路基等。土及土力学基本知识材料的物理性4因素：粒度、密度、湿度、构度

力学3性能：渗透性、压缩性、抗剪性土体（地基、边坡、洞室）的

3个稳定：强度、变形、渗透

土力学土及土力学基本知识土的物质成分

包括有作为土骨架的固态颗粒、孔隙中的水及其溶解物质、气体。因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例也不尽相同，而且土粒与其周围的水又发生了复杂的物理化学作用。土及土力学基本知识粒组按性质相近的原则划分为六大组(d=200,20,2,1/2,1/20,1/200mm).0.002~0.0050.005~0.050.05~22~6060~200>200粘粒粉粒砂粒圆砾或角砾卵石或碎石漂石或块石土的粒径分组土及土力学基本知识例：总重为1000g的土，全部通过筛孔为10mm的筛，而在筛孔为5mm的筛子上的颗粒重量为100g，在筛孔为2mm的筛子上的颗粒重量为200g，则d<5mm的土的重量为900g，占总重1000g的90％。因此，在纵坐标为90，横坐标为5mm的交叉点处为一实测点；在纵坐标为70，横坐标为2mm的交叉点处为另一实测点；依此类推，绘制成一条完整曲线。

土及土力学基本知识在土的粒径级配曲线上纵坐标为10所对应的粒径

称为有效粒径；

与

的比值称为不均匀系数

，即：

值越小，曲线越陡，土越均匀；

值越大，曲线越平缓，土越不均匀；级配良好，作填方，砂垫层，易于获得较大密实度。当

<5时，曲线很陡，表示土均匀；当

>10时，曲线很平缓，表示土的级配良好。称为平均粒径土及土力学基本知识土料的物理性质指标1)土粒相对密度土粒相对密度的定义是土粒质量与同体积的水(在4摄氏度时)的质量之比，用符号

表示。

土粒比重G(2.65~2.80)土及土力学基本知识(2)土的湿容重土在自然含水状态下单位体积的重量。(3)土的干容重土在完全失水状态下的容量。(4)土的饱和容重土体中的孔隙完全被充填状态下的容重。土及土力学基本知识(5)土的浮容重土体完全淹没在水下的容重。(6)土的含水量土体中水分的重量与土粒重量之比。(7)塑性指数(固、塑、液态)液限塑限土及土力学基本知识(8)孔隙率反映土的紧密程度。(9)孔隙比反映土的紧密程度。土及土力学基本知识土的渗透性和渗透变形在水压作用下水通过土体孔隙的能力称为渗透性.土是具有连续孔隙的介质，当它作为水工建筑物的地基或直接把它用做水工建筑物的材料（如土坝）时水就会在水位差作用下，从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。土及土力学基本知识土的压缩性地基变形的大小主要取决于两个方面：一个是建筑物基底压力，它与建筑物荷载大小、基础底面面积、基础埋深及基础形状有关；另一方面取决于土的压缩性质。

土及土力学基本知识土的压缩性土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。土的压缩通常有三部分：①固体土颗粒被压缩；②土中水及封闭气体被压缩；③水和气体从孔隙中挤出。土及土力学基本知识土的抗剪性土的抗剪强度是土的重要力学性质指标。土体的破坏，其本质是剪切破坏。例如边坡太陡、在雨季或受到震动后，容易产生滑动破坏，滑动面显然属剪切破坏面，这种情况比较常见，具有直观性；又如地基破坏，直观上是受压，但本质上也是剪切破坏，在地基中形成两个大体对称的滑动破坏面，这种情况较少见到，通常不具有直观性。土及土力学基本知识土的抗剪性砂性土粘性土土石坝的类型1)按施工方式分类碾压式土石坝，碾压式土石坝是用机械将土料分层碾压密实，是应用最广泛的施工方法。水力冲填坝，湿法填筑施工坝，用水力机械开采运输和填筑土料，而形成坝体。水中倒土坝，是在坝址处修筑围埂形成水池，在静水中填土，使其自行崩解压密，逐步填筑升高坝体。

后两种方法常在国内有的中小型土坝工程施工时采用。土石坝的类型2)按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类

均质坝，坝体基本由透水性小的土料填筑而成，不需设置专门的防渗设备。一般采用透水性较小的砂质粘土或壤土，也可以采用几种土料配置的混合料。

分区坝，由土质防渗体和若干种透水性不同的土石料分区填筑而成。在坝体中央采用弱透水性士料，自中央向上下游侧的土石料透水性逐渐增大，称为心墙坝；上游侧坝体采用弱透水性土料做成防渗斜墙，坝主体采用较透水的土料，其透水性可由上游向下游侧逐渐增大，称为斜墙坝。

土石坝的类型3)按坝体材料分类

土坝，主要由土料填筑而成。堆石坝，坝体材料中砂砾料含量在60%-70%以上，起骨架作用。设计原则及要求（1）坝身不能泄洪；

土石坝枢纽中应按洪水标准设置容量足够大的泄洪建筑物，绝对不允许洪水漫顶，造成失事。（2）需有适宜的坝坡维持坝坡及坝基的稳定性；

（3）应设置良好的防渗和排水措施，控制渗流及防止坝体产生渗透变形。

渗流在坝体内产生自由水面线，称为浸润线。

渗流的危害：造成水库的水量损失；减轻坝体渗流区内土体的有效重量,对坝坡的稳定不利；使渗流逸出处土体产生渗透破坏。

措施：设置防渗和排水设施。

设计原则及要求（4）根据现场的土料条件，选择好土料的填筑标准，防止过大的沉陷；施工压实过程，应完成70~80%的总沉降量。（5）采取适当的构造措施，保护坝顶、坝坡免受自然现象的破坏，提高坝运行的可靠性和耐久性。（6）提高土石坝的机械化施工的水平。土石坝的剖面形状和构造坝顶坝顶高程=静水位+坝顶超高坝顶超高其中，hB—爬高，a—安全加高，

e—坝前水位因风浪引起的壅高。土石坝的剖面形状和构造坝顶宽度取决于交通需要、构造要求和施工条件。我国《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）要求高坝的坝顶最小宽度为10~15m；中低坝的坝顶最小宽度为5~10m。土石坝的剖面形状和构造坝坡

土石坝坝坡选择的原则：在满足稳定要求的前提下，应尽可能采用较陡的坝坡，以减少工程量。

土石坝的剖面形状和构造坝坡

上游坝坡长期处于饱和状态，同时受水库水位骤降的影响，上游坝坡应缓于下游坝坡。

从坝体上部到下部，坝坡逐步放缓，以满足抗渗稳定和结构稳定性的要求。心墙坝两侧坝壳采用非粘性土料，土体颗粒的内摩擦角较大，透水性好，上下游坝坡可陡些，坝体剖面较小，但施工干扰大。

土石坝的剖面形状和构造

设置马道和排水沟，用以拦截雨水、防止坝面冲刷。土石坝的剖面形状和构造土石坝一般由以下几部分组成：

坝体坝的主体

防渗体控制坝体浸润线位置，保持坝体渗流稳定性

排水设施安全地排出坝体的渗水，加速孔隙水压力的消散，防止下游坝坡的渗透破坏

护坡防止波浪、气温、雨水等自然现象对坝坡的危害

土石坝的剖面形状和构造

防渗体（1）土质防渗体

土质防渗体的结构主要有心墙和斜墙两种型式。土石坝的剖面形状和构造

土石坝的剖面形状和构造（2）沥青混凝土防渗墙

沥青混凝土防渗墙的结构主要有心墙和斜墙两种型式

特点：①沥青混凝土具有良好的塑性和柔性，渗透系数约为10-7~10-10cm/s，防渗性能好；②沥青混凝土在产生裂缝时，有较好的自行愈合能力；③施工受气候影响小。

土石坝的剖面形状和构造排水设施

排水设施由砾石、碎石、卵石做成的排水体和反滤层两部分组成。

（1）贴坡排水

特点：①简单、省料、易检修；②保护下游坝坡不受尾水冲刷，防止下游坝坡渗透变形；③不能降低浸润线。

适用条件：浸润线较低的坝型。

土石坝的剖面形状和构造（2）堆石棱体排水

特点：①能降低坝体浸润线；②对下游坝坡有防冲、支撑作用；③用料多，施工干扰大。

适用条件：高坝、石料多的地区。

土石坝的剖面形状和构造（3）褥垫式排水

特点：①降低坝体浸润线，有助于软粘土地基的固结排水；②适应不均匀变形能力差，易断裂，检修困难，施工干扰大。

适用条件：下游无水的均质坝。

土石坝的剖面形状和构造（4）综合式排水特点：将几种不同形式的排水组合在一起成为综合式排水，以兼取各种形式的优点。

土石坝的剖面形状和构造反滤层土石坝的剖面形状和构造反滤层作用：排水滤土

组成：由1~3层级配均匀、耐风化的砂、砾、软石或碎石构成，每层粒径随渗流方向而增大。

设计的原则：

①被保护土层不发生管涌等有害的渗透变形。

②透水性大于被保护土层，能通畅地排除渗透水流，同时不致被细颗粒淤塞而失效。

土石坝的稳定分析坝坡的滑动面形式

坝坡的滑动面形式主要与坝体结构型式、筑坝材料和地基情况、坝的工作条件等因素有关。1、曲线滑动面：滑动面通过粘性土部位；2、折线滑动面：滑动面通过非粘性土部位；3、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。1-坝壳或者坝体；2-防渗体；3-滑动面；4-软弱夹层土石坝的稳定分析作用力1、自重：水上——湿容重，水下——浮容重2、渗透力：与渗透坡降有关3、孔隙水压力4、地震力：地震区应考虑地震惯性力。土石坝的稳定分析荷载组合正常运用：（1）水库蓄满水（一般为正常蓄水位）形成稳定渗流时，验算下游坝坡稳定。（2）水库水位为最不利水位时，上游坡的计算。（3）库水位降落，使上游坡产生渗透压力时的稳定计算。土石坝的稳定分析荷载组合非常运用：（1）库水位骤降时的上游坝坡的计算（2）施工期（含竣工期）考虑孔隙水压力上下游坝坡稳定计算（3）地震情况下，上下游坝坡计算（4）校核水位时下游坡的计算土石坝的稳定分析稳定分析方法

1、圆弧滑动法：针对粘性土的坝坡；2、折线滑动法：针对非粘性土的坝坡；地基处理目的（1）渗流控制（2）稳定控制（3）变形控制地基处理土石坝对地基的要求最低,但为了解决地基渗漏、承载力低、压缩量大、抗剪强度低以及震动液化等问题，通常必须采取地基处理措施。地基处理常见地基（1）岩基或浅覆盖地基（2）砂砾石地基（3）细砂或有淤泥地基（4）粘土或黄土地基地基处理砂砾石地基处理

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。常用的防渗排水措施有：(1)垂直防渗：粘土截水槽、砼防渗墙，灌浆帷幕；(2)水平防渗：铺盖；(3)下游设排水减压设施。地基处理(1)垂直防渗设施：

粘土截水墙

地基处理(1)垂直防渗设施：

混凝土防渗墙

地基处理(1)垂直防渗设施：

帷幕灌桨

地基处理(2)水平防渗上游设置铺盖水平防渗设施一般是用粘性土料修筑水平铺盖与坝身防渗体相连接，并向上游延伸至要求的长度。铺盖的作用是延长渗径，从而使坝基渗漏损失和渗流坡降减小至容许范围以内。水平铺盖不能完全截阻渗流，其防渗效果有一定限度，但施工简单。

地基处理(3)下游排水减压设施当坝基下有透水层且埋藏较浅时，可以在下游坝趾设置排水沟。当坝基下透水层埋藏较深，地基为成层结构时，可以在下游坝趾设置减压井，有效地排除渗水，降低坝基扬压力。地基处理1-粉质粘土2-重粉质壤土3-砂砾石层4-碎石培厚5-透水盖重

6-减压井

7-软弱夹层用盖重提高地基的抗渗稳定性地基处理细砂和淤泥层地基细砂地基的主要问题是容易发生液化。

液化是在震动荷载作用下，土坝内孔隙水来不及排出，土体内孔隙压力上升，使土体颗粒间的连接强度降低，而处于流动状态。

地基处理细砂和淤泥层地基处理方法：①打板桩封闭或压重，目的是增加土体的约束力。②采用振冲、强夯、爆破、挤密、震动碾压等加密方法加固，提高土体的密实度和颗粒骨架的稳定性。③排水和减压，创造排水条件以使振动孔隙水压力很快消散。地基处理淤泥地基处理

淤泥地基的主要问题是天然含水量高，抗剪强度低，承载能力差。处理方法有：①挖除；②设置砂井加速排水；③坝脚压重，以保持地基的稳定性。堆石坝

堆石坝的坝体主要用堆石组成.包括：堆石体、面板、底座（趾板）堆石坝

天生桥一级面板堆石坝堆石坝

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，不抗漂浮物冲击堆石坝

土石坝与混凝土坝的比较坝型

类别土石坝混凝土坝重力坝拱坝剖面最大介于两者之间最小荷载渗透压力扬压力温度荷载溢流（坝顶）不可以可以可