土石壩第1部分

第三章土石壩Earth-filland/orRock-fillDam第一節(jié) 概述一、土石壩的類型二、土石壩的發(fā)展三、土石壩的特點(diǎn)四、土石壩的工作條件及設(shè)計(jì)原則-1-第二節(jié)

土石壩的剖面設(shè)計(jì)和構(gòu)造一、土石壩剖面的基本尺寸二、壩體防滲設(shè)施三、壩體排水設(shè)備四、護(hù)坡和壩頂構(gòu)造-2-第三節(jié) 土石壩的筑壩材料一、土石壩筑壩土料設(shè)計(jì)的任務(wù)二、筑壩材料的選擇三、土石料填筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)第四節(jié)

土石壩的滲流分析一、土石壩滲流分析的目的二、土石壩滲流計(jì)算的方法三、土石壩抗?jié)B穩(wěn)定驗(yàn)算四、防止?jié)B透破壞改善滲透穩(wěn)定性的工程措施-3-第五節(jié) 土石壩的穩(wěn)定分析和沉陷校核一、土石壩滑坡滑動(dòng)面的基本類型二、穩(wěn)定分析方法三、穩(wěn)定分析的計(jì)算情況和安全系數(shù)四、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定五、提高壩坡抗滑穩(wěn)定的工程措施六、沉降計(jì)算-4-第六節(jié) 土石壩的裂縫控制及地基處理一、土石壩裂縫的成因和種類二、設(shè)計(jì)階段裂縫控制三、裂縫處理四、土石壩地基處理-5-第七節(jié) 堆石壩和面板堆石壩一、堆石壩的發(fā)展二、堆石壩的類型三、堆石壩的構(gòu)造四、面板堆石壩-6-1-1一、土石壩的分類第一節(jié)

概述2、根據(jù)施工方法分：⑴碾壓式土石壩⑵拋填式堆石壩⑶定向爆破堆石壩⑷水中倒土壩⑸水力沖填壩1、根據(jù)筑壩材料分：⑴土壩⑵堆石壩⑶土石混合壩1-23、碾壓式土石壩按土料在壩體中的配置和防滲體位置的不同，可分為：⑴均質(zhì)壩：壩體由一種材料組成，既是防滲體，又是壩的主體，坡度較緩，用于中低壩。⑵分區(qū)壩1-3⑵分區(qū)壩：心墻壩

——把防滲體放在壩體中部，斷面比均質(zhì)壩小。斜墻壩

——把防滲體放在靠近上游壩面處，有效降低壩體浸潤線，但適應(yīng)地基變形的能力比心墻壩差。易產(chǎn)生縱向裂縫，抗震性能不如心墻壩。土石混合壩

——要求：越靠近防滲體，土料性能越接近防滲體1-4土料透水性自中央向兩邊逐漸增大

土料透水性自上游向下游逐漸增大

⑶鋼筋混凝土、瀝青混凝土面板堆石壩堆石壩主體為堆石，強(qiáng)度高；上游壩面以鋼筋混凝土面板或?yàn)r青混凝土面板防滲?！鷶嗝孑^小。1-5二、土石壩的發(fā)展：⒈概況⑴四千多年以前⑵19世紀(jì)，50m⑶20世紀(jì)50~60年代，大型振動(dòng)碾出現(xiàn)，高土石壩產(chǎn)生世界上高度超過300m的大壩僅2座，都是土石壩，都在塔吉克斯坦，一是努列克壩，高317m，另一座是羅貢壩，高325m。1-6⒉我國土石壩的發(fā)展⑴我國歷史上有文獻(xiàn)記載的可追溯到公元前598~591年。⑵建國前用現(xiàn)代技術(shù)修建的土壩僅甘肅的鴛鴦池水庫大壩一座，50年代幾次擴(kuò)建后壩高37.8m。⑶建國后土石壩建設(shè)的三個(gè)階段：l

1949~1957年l

1958~1980年l

1958~1980年1-7l

1949~1957年以防洪治水為目的，從治理淮河開始，興建了一批土壩，壩高都在50m以下，壩型均為均質(zhì)土壩或粘性土心墻砂礫石壩。地基的防滲措施主要是開挖回填粘土截水墻或上游粘土鋪蓋；施工基本依靠人力，配合少量輕型機(jī)具。代表性的工程有淮河上游河南省境內(nèi)的石漫灘、板橋、白沙、薄山、南灣等水庫大壩；北方有永定河上的官廳水庫河遼寧渾河上的大伙房水庫大壩等。這一時(shí)期主要受到施工設(shè)備的限制，堆石壩沒有得到發(fā)展，唯一的一座堆石壩是四川長壽龍溪河梯級(jí)水電站中的獅子灘工程。

1-8l1958~1980年全國掀起建壩高潮，壩高一般達(dá)到80m，個(gè)別達(dá)到100m量級(jí)。壩型仍以均質(zhì)土壩及粘性土心墻或斜墻砂礫石壩為主。大部分工程仍以人力施工為主。在筑壩技術(shù)方面，除碾壓式土石壩外，還發(fā)展了只需少量簡易機(jī)械的水中填土、水力沖填、定向爆破等型式。堆石壩仍受到施工設(shè)備的限制，沒有大的發(fā)展。定向爆破筑壩技術(shù)從1958年開始應(yīng)用，1960年修建廣東南水定向爆破堆石壩。這一時(shí)期也修建了一些拋填式堆石壩。1-9這一時(shí)期有突破性進(jìn)展的是深厚砂礫石地基的防滲處理，引進(jìn)和發(fā)展了混凝土防滲墻技術(shù)。高壓噴射灌漿技術(shù)也有所應(yīng)用，開發(fā)了旋噴、定噴、擺噴等工藝，但多用于臨時(shí)性工程或低水頭建筑物的地基防滲。在勘測設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究方面也有很大發(fā)展，土工試驗(yàn)已有規(guī)范，并在全國推廣。

1-10這一時(shí)期的代表性工程：均質(zhì)土壩——

松濤水庫大壩（海南，80.1m）、岳城水庫大壩（河北，53m）等；心墻壩——

碧口水電站大壩（甘肅，101.8m），毛家村水電站大壩（云南，82.5m）等；斜墻壩——

密云水庫白河主壩（北京，66.4m）等；定向爆破壩——

南水水電站大壩（廣東，80.2m），石砭峪水庫大壩（陜西，82.5m）等。1-11l

1980年以來進(jìn)入70年代后期，特別是1978年以后，土石壩建設(shè)步入了健康發(fā)展的軌道，在科學(xué)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)理論與方法方面已進(jìn)入國際先進(jìn)行列。隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增長，以重型土石壩施工設(shè)備武裝起來的大型施工企業(yè)已有能力在合理工期內(nèi)完成大量土石方的開挖和填筑,施工強(qiáng)度大幅提高。特別是有可能大量使用堆石材料，大大提高了高土石壩的安全性和經(jīng)濟(jì)性。1-12混凝土面板堆石壩從1985年開始在我國興建，與國外相比，起步雖晚，但起點(diǎn)高，發(fā)展快，十余年來已在全國普遍推廣，增強(qiáng)了高土石壩在壩型比較中的競爭力。以碾壓式土石壩為主導(dǎo)的思想已取得共識(shí)。在碾壓式高土石壩中，已逐步形成土質(zhì)心墻（或斜心墻）堆石壩和混凝土面板堆石壩兩種主導(dǎo)壩型，前者一般用于深厚覆蓋層上的高壩，后者已擴(kuò)展到200m量級(jí)的高壩。瀝青混凝土防滲技術(shù)也開始發(fā)展并在天荒坪抽水蓄能電站和三峽的茅坪溪大壩中得到應(yīng)用。1-13

在這一階段，最具代表性的工程是天生橋一級(jí)水電站的混凝土面板堆石壩和黃河小浪底水利樞紐的土質(zhì)斜心墻堆石壩。天生橋一級(jí)在1998年底發(fā)電，小浪底工程于1999年底發(fā)電。水布埡-233米國內(nèi)在建的最高的面板堆石壩1-14三、土石壩的特點(diǎn)⒈優(yōu)點(diǎn)：⑴就地取材。⑵適應(yīng)地基變形的能力強(qiáng)，對(duì)地基的要求比砼壩低。⑶施工方法靈活性大。⑷結(jié)構(gòu)簡單，便于維修和加高。1-15⒉缺點(diǎn)：⑴壩頂不能溢流，壩身不便開孔泄洪，需另設(shè)岸邊溢洪道。⑵施工導(dǎo)流不如混凝土壩便利，需另設(shè)溢洪道宣泄施工期洪水。⑶壩體斷面大，工程量相應(yīng)增大。1-16土石壩的工作條件：⒈滲流問題及其控制⒉沖刷問題及其控制⒊沉降問題及其控制⒋穩(wěn)定問題（25%）⒌其他問題l

冰凍破壞。l

動(dòng)物破壞。l

地震破壞。1-17⒈滲流問題及其控制⑴滲流問題壩體大部分浸泡在水中→土體有效重量降低，土的強(qiáng)度指標(biāo)降低。滲流力的作用→增加了滑坡的可能性。滲流在土體中流動(dòng)產(chǎn)生滲透坡降→如果超過允許滲透坡降，可能產(chǎn)生滲透變形。滲流量→滲流量過大會(huì)影響水庫蓄水量，尤其對(duì)抽水蓄能水庫。1-18⑵控制→必須滿足滲流控制要求進(jìn)行合理的防滲設(shè)計(jì)來有效降低水流不利條件，上阻下排，合理布置排水及反濾設(shè)施，加強(qiáng)防滲體與其它部位的連接，保證壩體和壩基的滲透穩(wěn)定性。1-19⒉沖刷問題及其控制⑴沖刷問題土石壩抗沖能力低，雨水、風(fēng)浪的淘刷作用→削弱了壩體的有效部分。→絕大多數(shù)土石壩不允許水流漫頂。1-20⑵控制不允許水流漫頂：漫頂時(shí)水流拖曳作用將表面顆粒帶走，削弱壩體，會(huì)造成土石壩失事。要求：①要有足夠的壩高，應(yīng)預(yù)留沉陷值。②要設(shè)置泄水能力足夠大的泄水建筑物。③在上、下游壩坡應(yīng)采取有效的防護(hù)措施及壩面排水措施。1-21⒊沉降問題及其控制⑴沉降問題：

沉降過大會(huì)造成壩頂高程不足。過大的不均勻沉降會(huì)引起壩體開裂，導(dǎo)致漏水。⑵控制設(shè)計(jì)中要預(yù)留沉降值。為防止不均勻沉降，要合理設(shè)計(jì)壩體剖面及細(xì)部構(gòu)造，正確選擇壩體土料，施工時(shí)土料壓實(shí)要符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。1-22⒋穩(wěn)定問題(1)壩體為散粒體結(jié)構(gòu)，局部范圍剪應(yīng)力>允許剪應(yīng)力，就會(huì)產(chǎn)生壩體滑動(dòng)或壩體連同地基一起滑動(dòng)。(2)控制：壩體和壩基必須穩(wěn)定可靠l合理選擇土料。l合理設(shè)計(jì)壩坡。l施工中做好地基處理，土料壓實(shí)要符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。2-1一、土石壩剖面的基本尺寸⒈壩頂高程：壩頂高程在靜水位以上應(yīng)有足夠的超高，超高值d按下式計(jì)算：第二節(jié)

土石壩的剖面設(shè)計(jì)和構(gòu)造2-2⒈壩頂高程：(1)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定波浪爬高h(yuǎn)B按不規(guī)則波法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算出平均爬高后，設(shè)計(jì)爬高按工程等級(jí)確定，對(duì)I、II、III級(jí)土石壩，取累積頻率為1%的爬高值，對(duì)IV、V級(jí)土石壩，取累積頻率為5%的爬高值。因此求出平均爬高后，再根據(jù)爬高統(tǒng)計(jì)分布與平均爬高之間的關(guān)系進(jìn)行換算。2-3⒈壩頂高程：(2)e為最大風(fēng)雍高度，可按下式計(jì)算：風(fēng)雍高度e還可按《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5077-1997）進(jìn)行計(jì)算。2-4⒈壩頂高程：(3)安全超高h(yuǎn)c按壩的級(jí)別和運(yùn)用情況根據(jù)下表確定：運(yùn)用情況壩的級(jí)別ⅠⅡⅢⅣ、Ⅴ正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.32-3⒈壩頂高程：(4)確定壩頂高程時(shí)應(yīng)注意：壩頂高程要分別按正常情況和校核情況進(jìn)行計(jì)算，并選擇其較大值。計(jì)算的d很大時(shí)，可設(shè)置防浪墻，以減少工程量，但無論是否設(shè)防浪墻，壩頂高程在正常運(yùn)用條件下都應(yīng)高出靜水位0.5m并且不得低于非常運(yùn)用條件下的靜水位。2-4⒈壩頂高程：(4)確定壩頂高程時(shí)應(yīng)注意：以上要求的壩頂高程是指包括壩基和壩身沉降穩(wěn)定后的壩頂高程，因此竣工時(shí)應(yīng)有足夠的預(yù)留沉降值。地震區(qū)安全超高d的要求見下表：與非溢流重力壩使用剖面壩頂超高計(jì)算的區(qū)別。壩高<50m50~100100~200>200最小超高值(m)2345~72-5⒉壩頂寬度 根據(jù)壩高、構(gòu)造施工、交通和防汛搶險(xiǎn)要求確定。⒊壩坡影響壩坡的主要因素： 壩型、壩高、筑壩材料的性質(zhì)、地質(zhì)條件及地震等。

2-6⒊壩坡壩型。。心墻壩上游坡一般比同等條件下的斜墻壩陡，下游坡則相反。壩高——壩高超過10~30m時(shí)，應(yīng)從上到下分級(jí)放緩，變坡處設(shè)馬道。每隔15~20m變坡一次。地質(zhì)條件。。地質(zhì)條件較差時(shí)，坡度應(yīng)緩些。當(dāng)上、下游坡為同一種土料時(shí)，上游坡應(yīng)比下游坡緩。2-7土石壩壩體防滲設(shè)施根據(jù)材料可分為：1、人工材料防滲體：瀝青砼，鋼筋砼2、土質(zhì)防滲體⑴土質(zhì)心墻⑵土質(zhì)斜墻⑶斜心墻⑷粘土鋪蓋

2-8⑴土質(zhì)心墻：位置：位于壩體中央或稍偏上游材料：透水性很小的粘土或壤土厚度：頂部由構(gòu)造及施工要求決定，底部由防滲要求及土料的允許滲透坡降決定。底部厚度>H/4（H為不同部位的作用水頭），頂部厚度>3m高程：頂部在靜水位以上的超高，在正常運(yùn)用情況下不小于0.3~0.6m，非常運(yùn)用情況下不得低于非常運(yùn)用的靜水位。坡度：1：0.15~1:0.32-9⑴土質(zhì)心墻：土質(zhì)心墻施工時(shí)應(yīng)注意：頂部應(yīng)設(shè)砂性土保護(hù)層，防冰凍；施工時(shí)心墻上升高度一般略高于壩殼，在鋪筑時(shí)，心墻上下游應(yīng)留有余量，待兩側(cè)削坡后再填筑過渡層及壩體；心墻與上下游壩體之間應(yīng)設(shè)過渡層起過渡、反濾及排水作用。2-10(2)土質(zhì)斜墻：位置：位于壩體上游面材料：確定原則與心墻同厚度：指垂直于斜墻上游面的厚度，確定原則與心墻同高程：頂部在靜水位以上的超高，在正常運(yùn)用情況下不小于0.6~0.8m，非常運(yùn)用情況下不得低于非常運(yùn)用的靜水位。坡度：外坡根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算決定，內(nèi)坡視壩體材料及施工情況決定，若壩體為砂礫石，內(nèi)坡一般不陡于1：22-11(2)土質(zhì)斜墻：土質(zhì)斜墻施工時(shí)應(yīng)注意：上游應(yīng)設(shè)保護(hù)層，防冰凍，應(yīng)分層碾壓；施工時(shí)壩體施工不受斜墻限制，可先行施工；斜墻與下游壩體之間應(yīng)按反濾要求設(shè)置墊層。2-12(3)斜心墻：位置：心墻略向上游傾斜——適用于高土石壩，可克服心墻壩的拱效應(yīng)和斜墻壩對(duì)壩體沉降敏感的缺點(diǎn)。材料：確定原則與心墻相同厚度：確定原則與心墻相同坡度：斜心墻向上游傾斜的坡度為

0.25~0.75時(shí)較好2-13(4)粘土鋪蓋：位置：與斜墻相連材料：透水性很小（與地基土相比）的粘土或壤土厚度：前端由構(gòu)造及施工要求決定，前端，末端長度：一般為水頭的4~6倍2-14三、壩體排水設(shè)備：⒈主要作用：降低浸潤線，有利于下游壩坡穩(wěn)定并防止?jié)B透變形，保護(hù)壩坡。⒉影響因素：壩型、地基條件、下游水位、氣候、材料及施工條件。⒊組成：由礫石、塊石或排水管做成的排水體和由數(shù)層粒徑沿滲流方向逐漸增大的砂礫料做成的反濾層兩部分組成。⒋主要形式2-15⒋主要形式(1)貼坡排水位置：設(shè)在下游壩坡底部。作用：防止?jié)B透破壞，保護(hù)下游壩腳，但不能降低浸潤線。要求：由1~2層堆石筑成，在石塊與壩坡間應(yīng)設(shè)反濾層。頂部應(yīng)高出浸潤線逸出點(diǎn)并高于下游最高水位1.5~2.0m。適用條件：適用于中小型下游無水的均質(zhì)壩以及有良好防滲體而壩內(nèi)浸潤線較低的中等高度土石壩。2-16⒋主要形式(2)棱體排水位置：在下游壩腳處設(shè)排水棱體。作用：可降低浸潤線，并可防止壩坡凍脹破壞和滲透變形，保護(hù)下游坡腳。要求：頂部高程應(yīng)超出下游最高水位0.5~1.0m，應(yīng)大于波浪沿坡面的爬高，同時(shí)應(yīng)保證壩體浸潤線距坡面的距離大于冰凍深度。在排水與壩體及壩基之間應(yīng)設(shè)置反濾層。排水棱體其內(nèi)坡約為1：1~1：1.5，外坡約為1：1.5~1：2。適用條件：適用于下游有水的情況。2-17⒋主要形式(3)褥墊排水位置：用塊石平鋪在下游的壩基面上，并用反濾層包裹。作用：下游無水時(shí)可有效降低浸潤線，并有助于壩基排水。但對(duì)不均勻沉降的適應(yīng)性差，對(duì)下游有水情況作用不大。要求：伸入壩體的長度不超過1/3~1/4的壩體寬度，一般向下游做成0.005~0.01的坡度，厚度一般為0.4~0.5m。適用條件：適用于下游無水或下游水位很低的情況。2-18⒋主要形式(4)綜合式排水2-19四、護(hù)坡和壩頂構(gòu)造1、護(hù)坡(1)上游護(hù)坡：作用：主要是防止風(fēng)浪淘刷。厚度：其厚度選擇時(shí)應(yīng)考慮波浪因素。材料：砌石、堆石、混凝土或鋼筋混凝土、瀝青混凝土等。護(hù)坡范圍：從壩頂至水庫最低水位以下

1.5~2.5m。2-201、護(hù)坡(2)下游護(hù)坡：作用：防止雨水沖刷、干裂、動(dòng)物破壞及下游有水部位的波浪、冰凍和水流作用。材料：砌石、堆石、碎石、草皮等。護(hù)坡范圍：壩頂至排水棱體，無排水棱體時(shí)護(hù)至坡腳。⒉壩頂構(gòu)造：交通、排水、防浪墻3-1一、土石壩筑壩土料設(shè)計(jì)的任務(wù)：對(duì)壩體各部位的土料進(jìn)行選擇，然后確定土料的填筑標(biāo)準(zhǔn)。（土石壩主要由壩殼、防滲體、排水設(shè)備、護(hù)坡等組成，還有反濾層及過渡層。）3-2二、土石壩筑壩土料的選擇：一般土料原則上均可作為碾壓式土石壩的筑壩材料，或經(jīng)處理后用于壩的不同部位。但下列土料不宜采用：沼澤土、斑脫土、地表土及含有未完全分解有機(jī)質(zhì)的土料。1、均質(zhì)壩對(duì)土料的要求2、防滲體對(duì)土料的要求3、壩殼對(duì)土石料的要求（壩殼保持大壩穩(wěn)定）4、排水、護(hù)坡對(duì)土石料的要求5、反濾料及過渡層土料6、關(guān)于風(fēng)化料及特殊粘土料的采用3-31、均質(zhì)壩對(duì)土料的要求(1)強(qiáng)度指標(biāo)Φ、c較大。(2)滲透系數(shù)k較小，<10-4cm/s。(3)要有一定的塑性：塑性指數(shù)Ip=ωL-ωP=7～17。→能適應(yīng)壩基變形而不會(huì)產(chǎn)生裂縫。(4)有機(jī)雜質(zhì)含量≤5%。(5)土質(zhì)：絕大多數(shù)采用粘性土。3-42、防滲體對(duì)土料的要求(1)滲透系數(shù)k較小，<10-5cm/s。→抗?jié)B性(2)有較好的塑性以適應(yīng)壩體及壩基變形，塑性指數(shù)Ip大于10～12。(3)有機(jī)雜質(zhì)含量≤2%，水溶鹽含量按重量比≤3%，有良好級(jí)配。(4)浸水和失水時(shí)體積變化較小。(5)土質(zhì)：粘粒含量（粒徑<0.005mm）為15%~30%或塑性指數(shù)為10～17的中、重壤土以及粘粒含量30%~40%或塑性指數(shù)為17～20的粘土較合適。3-53、壩殼對(duì)土石料的要求(1)強(qiáng)度指標(biāo)Φ、c較大，具有抗震、抗滑穩(wěn)定性。(2)排水性能好，k>103×k防滲體。→經(jīng)過防滲體后，迅速降低浸潤線。(3)有良好級(jí)配：級(jí)配連續(xù)；不均勻系數(shù)η=d60/d10≈30～100。(4)土質(zhì)：級(jí)配良好的無粘性土（砂、礫石、卵石、碎石等），料場開采的石料、開挖的石渣。3-64、排水、護(hù)坡對(duì)土石料的要求(1)良好的抗水性、抗凍性和抗風(fēng)化性。(2)具有一定的強(qiáng)度：抗壓強(qiáng)度≥50Mpa(3)巖質(zhì)：不宜用風(fēng)化料，用新鮮巖石、卵石、碎石。3-75、反濾料及過渡層土料(1)應(yīng)具有必要的透水性、強(qiáng)度，具有高度的抗水性和抗風(fēng)化能力。(2)必須具有良好的級(jí)配，粒徑小于0.1mm的顆粒含量小于5%，不應(yīng)含有粒徑小于0.05mm的粉土和粘粒。(3)土質(zhì)：反濾料應(yīng)盡量采用天然砂礫篩分，也可用人工砂和碎石。3-86、關(guān)于風(fēng)化料及特殊粘土料的采用(1)風(fēng)化料也可作為筑壩材料，但應(yīng)注意其性能的不穩(wěn)定性，不可作為護(hù)坡、排水，上游及下游浸潤線以下也不能采用風(fēng)化料，應(yīng)使其在干燥區(qū)工作。(2)特殊粘土料有（南方）紅土、膨脹土等。紅土是要作降低含水率處理；膨脹土用于心墻或均質(zhì)壩內(nèi)部，表面有一定壓重，就可正常使用