第三章-土石壩及碾壓

土石壩是利用壩址附近土料、石料及砂礫料填筑而成的一種擋水壩；是土壩、堆石壩和土石混合壩的總稱；筑壩材料基本來源于當(dāng)?shù)兀视謱⑵浞Q為“當(dāng)?shù)夭牧蠅巍?。是人類最早建造的壩型，具有悠久的發(fā)展歷史，在各國(guó)使用都極為普遍。PP.25第三節(jié)土石壩

(theRock-fillDam）1同混凝土壩相比，土石壩的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：就地取材，可節(jié)省大量木材、鋼材和水泥等；較能適應(yīng)地基變形，對(duì)地基要求比砼壩要低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,便于維修和加高、擴(kuò)建；施工技術(shù)簡(jiǎn)單，工序少，便于機(jī)械化施工。當(dāng)然，土石壩也存在一些缺點(diǎn)：

壩頂不能過流，需在壩外單獨(dú)設(shè)置泄水建筑物；施工導(dǎo)流不如砼壩便利；剖面大，所以填筑量大；粘性土施工容易受氣候條件影響較大。2一、土石壩的工作條件和設(shè)計(jì)的一般要求滲流方面：壩體為散粒體結(jié)構(gòu)，庫(kù)水在上下游水位差作用下經(jīng)壩體和地基向下游滲透，產(chǎn)生滲透壓力和滲透變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致壩體失事。3沖刷方面：顆粒間粘結(jié)力小，因此土石壩抗沖能力較低；沉降方面：顆粒間存在孔隙，受力后產(chǎn)生沉陷，分為均勻沉降和非均勻沉降；其它方面：冰凍、地震、動(dòng)物巢穴等。穩(wěn)定方面：會(huì)沿壩基面整體滑動(dòng)，失穩(wěn)形式主要是壩坡滑動(dòng)或連同部分地基一起滑動(dòng)。4（1）不允許水流漫頂，要求壩體有一定的超高；（2）滿足滲流要求；（3）壩體和壩基必須穩(wěn)定；（4）應(yīng)避免有害裂縫，還必須能抵抗其他自然現(xiàn)象的破壞作用；（5）安全使用前提下，力求經(jīng)濟(jì)美觀。PP.26為使土石壩能安全有效工作，在設(shè)計(jì)時(shí)一般要求：5二、土石壩的類型1、按施工方法分類：（1）碾壓式土石壩√（2）拋填式堆石壩（2）水力沖填壩（3）水墜壩（4）定向爆破堆石壩PP.2762、碾壓式土石壩按筑壩材料和防滲體的位置可細(xì)分為以下五種：優(yōu)點(diǎn)：材料單一，施工簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：當(dāng)壩身材料粘性較大時(shí)，雨季或冬季施工較困難。（1）均質(zhì)土壩：壩體剖面的全部或絕大部分由一種土料填筑。7（2）心墻土壩：用透水性較好的砂或砂礫石做壩殼，以防滲性較好的材料作為防滲體設(shè)在壩的剖面中心位置。防滲體：粘土、瀝青砼或鋼筋砼，土工膜等優(yōu)點(diǎn)：坡陡，剖面較均質(zhì)壩小，工程量少，心墻占總方量比重不大，施工受季節(jié)影響相對(duì)較??；缺點(diǎn)：要求心墻與壩殼大體同時(shí)填筑，干擾大,一旦建成，難修補(bǔ)；8堆石壩以心墻作為防滲體魯布革大壩典型剖面圖9（3）斜墻土壩優(yōu)點(diǎn)：斜墻與壩殼之間的施工干擾相對(duì)較小，在調(diào)配勞動(dòng)力和縮短工期方面比心墻壩有利；缺點(diǎn)：上游坡較緩，粘土量及總工程量較心墻壩大，抗震性及對(duì)不均勻沉降的適應(yīng)性不如心墻壩。防滲體置于壩的上游面，稱為斜墻。1011小浪底斜心墻壩典型斷面圖12（4）多種土質(zhì)壩：（5）土石混合壩：如壩址附近砂、砂礫不足，而石料較多，上述的多種土質(zhì)壩的一些部位可用石料代替砂料。壩體是由透水性不同的多種土料分區(qū)填筑而成。13三、筑壩土料的性質(zhì)1、粘性土：顆粒小，結(jié)構(gòu)緊密，顆粒間有凝聚力，水流滲過這種土壤時(shí)，遇到的阻力大，因此其防滲性能好。2、非粘性土：砂粒、卵石等顆粒大，顆粒間基本無(wú)凝聚力，但顆粒間摩擦力大，因而其自然穩(wěn)定坡度比粘性土陡。粒間空隙大，容易透水，防滲性能差。14四、土石壩的剖面和構(gòu)造1、壩頂高程：靜水位+波浪爬高+壩頂超高d(二)土石壩的剖面土石壩基本剖面尺寸主要包括：壩頂高程、壩頂寬度、上下游邊坡、防滲和排水設(shè)備的輪廓尺寸

(一)土石壩的組成

壩身、防滲體、排水設(shè)備和護(hù)坡15★壩頂高程應(yīng)分別按正常情況和非常情況進(jìn)行計(jì)算，并選用其中的較大值。對(duì)于地震區(qū)還需考慮地震涌浪高度?！飰雾斏嫌卧O(shè)防浪墻時(shí)，計(jì)算得到的壩頂高程應(yīng)為防浪墻頂高程。162、壩頂寬度取決于交通需要、構(gòu)造要求和施工條件。當(dāng)壩高在30m~100m時(shí),Bmin

=0.1H，不小于5m;當(dāng)壩高大于100m時(shí)，Bmin

=H0.5.3、壩坡

取決于壩高、筑壩材料性質(zhì)、運(yùn)用情況、地基條件、施工方法及壩型等因素。土料相同時(shí)上游坡緩于下游坡；水下緩于水上；粘土均質(zhì)壩的壩坡與壩高有關(guān)，壩高越大壩坡越緩；均質(zhì)壩的上下游坡度比心墻壩的壩坡緩；粘土斜墻壩的上游坡比心墻的壩坡緩，而下游壩坡可比心墻壩陡些；變坡處設(shè)馬道，寬1.5~2.0m。17(三)土石壩的主要構(gòu)造1、防滲體由滲透系數(shù)較小的粘性土料構(gòu)成，其尺寸和結(jié)構(gòu)需滿足減小滲透量、降低浸潤(rùn)線和控制滲透坡降的要求。粘性土心墻、粘性土斜墻、粘性土斜心墻瀝青混凝土防滲墻181920

降低壩體浸潤(rùn)線及孔隙壓力，改變滲流方向，增加壩體穩(wěn)定；防止?jié)B流逸出處的滲透變形，保護(hù)壩坡和壩基；防止下游波浪對(duì)壩坡的沖刷及凍脹破壞，起到保護(hù)下游壩坡的作用。2、排水設(shè)備和反濾層常見的型式有:棱體排水、褥墊排水、貼坡排水、綜合式排水21在下游壩腳處用塊石堆成棱體，需設(shè)反濾層。特點(diǎn)：可降低浸潤(rùn)線，防止壩坡凍脹和滲透變形，保護(hù)下游壩腳不受尾水淘刷且有支持壩體增加其穩(wěn)定的作用，是一種可靠的排水型式，但石料用量大，費(fèi)用高，檢修困難。適用：較高的土壩及石料較多的地區(qū)。（1）棱體排水：22用塊石、礫石平鋪在靠下游側(cè)的壩基上，并在其周圍布置反濾層而構(gòu)成的水平排水體，伸入壩體長(zhǎng)度1/3~1/4壩底寬。特點(diǎn)：下游無(wú)水時(shí)，能有效降低浸潤(rùn)線，有助于壩基排水，但對(duì)不均勻沉降的適應(yīng)性較差。適用:下游無(wú)水或水位較低的情況.（2）褥墊排水：23也稱表層排水。設(shè)置在下游壩坡底部，由1~2層堆石或砌石構(gòu)成，在石塊與壩坡之間設(shè)反濾層；特點(diǎn)：形式簡(jiǎn)單，省料且易于檢修，可防止?jié)B透破壞。因未伸入壩體，不能降低浸潤(rùn)線，且防凍性較差。適用：中小型且下游無(wú)水的均質(zhì)壩及防滲體浸潤(rùn)線較低的中等高度的土壩。（3）貼坡排水：24（4）混合式排水將上述幾種排水混合使用。25反濾層:設(shè)在滲透坡降較大,流速較高,土壤易于變形的滲流出口處或進(jìn)入排水處.作用:防止土體在滲流作用下發(fā)生滲透變形.組成:二至三層粒徑不同的砂、石料鋪筑而成，層面與滲流方向盡量垂直，小粒徑—大粒徑。263、護(hù)坡上游壩坡受波浪淘刷、滲流、冰凍等破壞作用；下游面有雨水、風(fēng)、動(dòng)物以及干裂等破壞。上游護(hù)坡：

砌石護(hù)坡、堆石護(hù)坡、砼板護(hù)坡等；下游護(hù)坡：

碎石或礫石護(hù)坡，還可采用草皮護(hù)坡。27(一)滲流分析1、滲流的概念：水庫(kù)蓄水后，由于上下游水位差的關(guān)系，水流會(huì)通過壩體土粒之間的空隙從上游向下游流動(dòng)。五、土壩的滲流、穩(wěn)定和沉陷282、滲流分析的目的：確定壩體內(nèi)浸潤(rùn)線的位置；確定壩體及壩基的滲流量，以估算水庫(kù)的滲漏損失；確定壩體和壩基滲流逸出區(qū)的滲流坡降，檢查產(chǎn)生滲透變形的可能性；為壩體穩(wěn)定分析和布置觀測(cè)設(shè)備提供依據(jù)。29滲透變形管涌

壩體或地基中的土壤細(xì)顆粒被滲透水流帶走，并逐步形成滲流通道的現(xiàn)象。流土

在滲流作用下，產(chǎn)生的土體浮動(dòng)或流失現(xiàn)象；它主要發(fā)生在粘性土及均勻非粘性土體的滲流出口處。多發(fā)生在壩的下游坡或閘壩下游地基面滲流逸出處。粘性土因顆粒之間存在凝聚力且滲透系數(shù)較小，一般不易發(fā)生管涌破壞，而在缺乏中間粒徑的非粘性土中極易發(fā)生。30(二)穩(wěn)定分析重力壩—沿壩基面的整體抗滑穩(wěn)定分析拱壩—壩肩(拱座)的穩(wěn)定分析土壩—主要指上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定分析土石壩壩坡的滑動(dòng)面型式：圓弧滑動(dòng)面：滑動(dòng)面通過粘性土部位時(shí)，折線滑動(dòng)面：滑動(dòng)面通過非粘性土部位時(shí)；復(fù)式滑動(dòng)面：滑動(dòng)面通過粘性土和非粘性土構(gòu)成的多種土質(zhì)壩時(shí)。3132(三)土壩的沉陷

在自重或外力的作用下，土體孔逐漸隙中的水、氣被逐漸排出，孔隙縮小，土體被壓實(shí)，這個(gè)過程稱為固結(jié)。粘性土常需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成固結(jié)，而砂性土固結(jié)速度則較快。33六、土石壩的地基處理一、地基處理1、目的：滲流控制、穩(wěn)定控制、變形控制2、砂礫石地基的處理砂礫石地基的特點(diǎn)：具有較高的抗剪能力和承載能力，壓縮變形小，抗?jié)B性能差，因此對(duì)這類地基的處理以滲流控制為主。垂直防滲：粘土截水槽、砼防滲墻和灌漿帷幕；水平防滲：鋪蓋；34當(dāng)?shù)鼗疃仍?0~15米以內(nèi)時(shí)，采用粘土截水墻。如果深度更大但不超過30米時(shí)，可采用混凝土截水墻。35當(dāng)砂礫石透水層深度大于30米,采用混凝土防滲墻。3637第四節(jié)碾壓砼壩與砼面板堆石壩一、碾壓混凝土壩采用水泥含量比較低的超干硬性混凝土，經(jīng)碾壓而成的混凝土壩。從根本上改革了常規(guī)混凝土的澆搗方法，是將土石壩碾壓設(shè)備和技術(shù)應(yīng)用混凝土壩施工的一種新壩型。碾壓混凝土壩的特點(diǎn)：運(yùn)輸、澆筑均可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化；因此，施工速度快，工期短。38單位水泥用量和用水量少，每m3砼水泥用量一般不超過100kg，較常態(tài)砼節(jié)約30%~50%，用水量也少30%~40%，相應(yīng)地可大大簡(jiǎn)化混凝土的溫控措施；砂率大，且要求有一定的粉粒含量；采用通倉(cāng)薄層澆筑，一般不設(shè)縱縫，可節(jié)省模板及接縫灌漿等費(fèi)用；工程造價(jià)省。39

砼面板堆石壩以堆石體為支承結(jié)構(gòu)，采用砼面板作為壩的防滲體，并將其設(shè)置在堆石體上游面。(一)混凝土面板堆石壩的發(fā)展第一階段(1850年~1940年)，為拋填堆石階段；第二階段(1940年~1965年)，是由拋填堆石向碾壓堆石發(fā)展的過渡階段；第三階段（1965年以后至今），主要是以碾壓堆石為特征，同時(shí)在壩體結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)上有很達(dá)的進(jìn)步，所筑壩也越來越高。二、混凝土面板堆石壩40

早在19世紀(jì)中葉，美國(guó)就開始修建面板堆石壩。最初這些壩是以木面板防滲，后來為承受更高的水壓力，木面板逐漸被混凝土面板代替。當(dāng)時(shí)堆石均采用拋填施工，并輔以高壓水槍沖實(shí)，所獲得的堆石體不太密實(shí)，沉陷和水平位移均較大。進(jìn)入上世紀(jì)40年代以來，筑壩高度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。對(duì)采用拋填法施工的堆石體，當(dāng)壩高大于70m時(shí)，混凝土防滲面板已不能承受堆石體的較大變形而發(fā)生裂縫漏水，從而導(dǎo)致在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，這種壩型的發(fā)展處于停滯狀態(tài)。41與此相反，帶有反濾層的粘土心墻卻能適應(yīng)拋填堆石的較大變形，滿足壩體防滲需要，加上50年代土力學(xué)理論、土工試驗(yàn)技術(shù)、土壤碾壓設(shè)備的發(fā)展，使得以粘性土料作防滲心墻或斜墻的堆石壩在這期間得到迅速發(fā)展，并建成不少高壩。進(jìn)入60年代以后，將大型振動(dòng)碾運(yùn)用于壩體堆石碾壓，使堆石體的密實(shí)度更高，從而大幅度降低了堆石體變形，再配合接縫止水設(shè)施和改進(jìn)的鋼筋混凝土面板防滲，成為現(xiàn)代的新型面板堆石壩。42(二)混凝土面板堆石壩迅速發(fā)展的原因1、面板設(shè)計(jì)于堆石體上游面，水壓力在上游壩面的鉛直分力有助于壩的穩(wěn)定，壩體工程量是土石壩中最小的；2、振動(dòng)碾壓使得高密實(shí)度堆石體變形??；3、面板兼有護(hù)坡防浪作用，經(jīng)濟(jì)合理；4、面板在上游面，便于檢查維修；5、壩體填筑沒有粘性土填方，施工干擾小，氣候影響也小，基本可全年施工。弱點(diǎn)：面板對(duì)基礎(chǔ)沉陷敏感，不抗漂浮物沖擊。(三)組成：堆石體、面板、底座（趾板）振動(dòng)碾43西北口（95m，湖北）天生橋