水工建筑物課件 土石壩簡(jiǎn)介

第三章土石壩

Earth-filland/orRock-fillDam一、概述（一）、概念利用當(dāng)?shù)赝潦牧咸钪傻膿跛畨?，又稱當(dāng)?shù)夭牧蠅?。歷史悠久，發(fā)展很快，國(guó)內(nèi)、外廣泛采用。岳城水庫(kù)密云水庫(kù)以禮河毛家灣水電站南水水電站碧口水電站

主壩壩型為均質(zhì)土壩，最大壩高53米，壩頂長(zhǎng)度3570米，壩基巖石為砂礫石復(fù)蓋層，壩體工程量2900萬(wàn)立米，主要泄洪方式岸邊溢洪道，大壩特點(diǎn)是壩下泄洪洞（涵管）。岳城水庫(kù)

主壩壩型為粘土斜墻土壩,最大壩高66米(白河主壩),壩頂長(zhǎng)度960米(白河主壩),壩基巖石為砂礫石復(fù)蓋層,壩缽工程量1105萬(wàn)立米。主要泄洪方式為岸邊溢洪道,大壩特點(diǎn)是壩基混凝土墻和灌漿防滲。密云水庫(kù)

建設(shè)地點(diǎn)在云南會(huì)澤，所在河流為以禮河，控制流域面積868平方公里，多年平均流量15.9秒立米，設(shè)計(jì)洪水流量1700秒立米，總庫(kù)容5.53億立米，設(shè)計(jì)灌溉面積74萬(wàn)畝，裝機(jī)容量1.6萬(wàn)千瓦。

主壩壩型為粘土心墻土石壩，最大壩高80.5米，壩頂長(zhǎng)度467米，壩基巖石為玄武巖，壩體工程量664.3萬(wàn)立米，主要泄洪方式為隧洞。以禮河毛家村水電站

南水水電站建在廣東乳源的南水，控制流域面積608平方公里，多年平均流量33.4秒立米，設(shè)計(jì)洪水流量4190秒立米，總庫(kù)容12.18億立米，裝機(jī)容量7.5萬(wàn)千瓦。

主壩壩型為粘土斜墻堆石壩，最大壩高81.3米，壩頂長(zhǎng)度215米，壩基巖石為砂巖，壩體工程量171.1萬(wàn)立米，主要泄洪方式為隧洞，大壩特點(diǎn)是定向爆破筑壩。南水水電站

碧口水電站建在甘肅文縣白龍江，控制流域面積26000平方公里。多年平均流量275秒立米，設(shè)計(jì)洪水流量7630秒立米?？値?kù)容為521億立米，設(shè)計(jì)灌溉面積0.89萬(wàn)畝，裝機(jī)容量30.0萬(wàn)千瓦。

主壩壩型為壤土心墻土石壩。最大壩高101米，壩頂長(zhǎng)度297米，壩基巖石為干枚巖和凝灰?guī)r。壩體工程量424.1萬(wàn)立米，主要泄洪方式溢洪道和隧洞。

碧口水電站石砭峪水庫(kù)主壩壩型為粘土心墻土石壩,最大壩高105米,壩頂長(zhǎng)度590米,壩基巖石為石英片巖,壩體工程量855萬(wàn)立米,主要泄洪方式為岸邊溢洪道.

石頭河水庫(kù)主壩壩型為瀝青混凝土斜墻堆石壩，最大壩高82.5米，壩頂長(zhǎng)度285米，壩基巖石為片麻花崗巖，壩體工程量208萬(wàn)立米。主要泄洪方式為隧洞，大壩特點(diǎn)是定向爆破筑壩。

水布埡混凝土面板堆石壩，壩高233米小浪底大壩為斜心墻堆石壩,壩高154米

世界大壩按壩型分類統(tǒng)計(jì)壩型已建壩數(shù)量%土石壩2997482.7重力壩418011.5拱壩15924.4支墩壩4891.4總計(jì)36235100世界土石壩按國(guó)家或地區(qū)分類統(tǒng)計(jì)表壩型已建壩數(shù)量%中國(guó)1747558.3美國(guó)469415.7歐洲（含俄羅斯）19186.4日本14845.0印度9983.3南美6292.1其他27789.2（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(guò)300m的大壩僅2座，都是土石壩，一座是塔吉克斯坦的努列克壩，高317m，另一座是該國(guó)尚未完建的羅貢壩，高325m。⒉我國(guó)土石壩的發(fā)展⑴我國(guó)歷史上有文獻(xiàn)記載的可追溯到公元前598~591年。⑵建國(guó)前用現(xiàn)代技術(shù)修建的土壩僅甘肅的鴛鴦池水庫(kù)大壩一座，50年代幾次擴(kuò)建后壩高37.8m。⑶建國(guó)后土石壩建設(shè)的三個(gè)階段：l

1949~1957年l

1958~1980年l

1980~今l

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(kù)大壩；北方有永定河上官?gòu)d水庫(kù)河；遼寧渾河上的大伙房水庫(kù)大壩等。這一時(shí)期主要受到施工設(shè)備的限制，堆石壩沒(méi)有得到發(fā)展，唯一的一座堆石壩是四川長(zhǎng)壽龍溪河梯級(jí)水電站中的獅子灘工程。

l1958~1980年全國(guó)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(jiǎn)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(méi)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。l1958~1980年這一時(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(cè)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(guó)推廣。

l1958~1980年，這一時(shí)期的代表性工程：均質(zhì)土壩——松濤水庫(kù)大壩（海南，80.1m）、岳城水庫(kù)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(kù)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(kù)大壩（陜西，82.5m）等。l

1980年以來(lái)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(guó)際先進(jìn)行列。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增長(zhǎng)，以重型土石壩施工設(shè)備武裝起來(lái)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。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。l

1980年以來(lái)混凝土面板堆石壩從1985年開始在我國(guó)興建，與國(guó)外相比，起步雖晚，但起點(diǎn)高，發(fā)展快，十余年來(lái)已在全國(guó)普遍推廣，增強(qiáng)了高土石壩在壩型比較中的競(jìng)爭(zhēng)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。l

1980年以來(lái)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。土石壩廣泛應(yīng)用的原因：優(yōu)點(diǎn)：（1）筑壩材料可以就地取材，可節(jié)省大量鋼材和水泥，免修公路；（2）較能適應(yīng)地基變形，對(duì)地基的要求比砼壩要低；（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，便于維修和加高、擴(kuò)建；（4）施工技術(shù)簡(jiǎn)單，工序少，便于組織機(jī)械化快速施工。不足之處：壩頂不能過(guò)流，必須另開溢洪道，施工導(dǎo)流不如砼壩便利，對(duì)防滲要求高，因?yàn)槠拭娲?，所以填筑量大而且施工容易受季?jié)影響。（三）、土石壩的工作特點(diǎn)冰凍、地震、動(dòng)物筑窩等。不會(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)。壩體為散粒體結(jié)構(gòu)，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，浸潤(rùn)面和浸潤(rùn)線的概念。顆粒間粘結(jié)力小，因此土石壩抗沖能力較低。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。穩(wěn)定方面：滲流方面：沖刷方面：沉降方面：其它方面：（四）、土石壩的設(shè)計(jì)要求為使土石壩能安全有效地工作，在設(shè)計(jì)方面的一般要求：（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)避免有害裂縫及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。（五）、土石壩的類型1、按施工方法分類：（1）碾壓式；（2）水力沖填式；（3）水中填土式；（4）定向爆破。2、按材料在壩體內(nèi)的配置和防滲體的位置分類（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。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。（2）塑性心墻壩：用透水性較好的砂或砂礫石做壩殼，以防滲性較好的粘性土作為防滲體設(shè)在壩的剖面中心位置，心墻材料可用粘土也可用瀝青混凝土和鋼筋混凝土；優(yōu)點(diǎn)：坡陡，壩剖面較（1）小，工程量少，心墻占總方量比重不大，因此施工受季節(jié)影響相對(duì)較?。蝗秉c(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)；

（3）塑性斜墻壩：防滲體置于壩剖面的一側(cè)。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。（4）多種土質(zhì)壩：壩址附近有多種土料用來(lái)填筑的壩。（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。

小浪底斜心墻壩典型斷面圖二、土石壩的剖面尺寸與構(gòu)造

（一）、基本尺寸1、壩頂高程：壩頂超高其中，h1——爬高，a——安全加高，

e——壩前水位因風(fēng)浪引起的壅高。2、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;當(dāng)壩高大于100m時(shí)，Bmin

=H0.5.3、壩面坡度取決于壩高、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。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；土料相同時(shí)上游坡緩于下游坡；粘土均質(zhì)壩的壩坡與壩高有關(guān)，壩高越大壩坡越緩；碾壓式堆石壩的壩坡比土壩陡。（二）、壩的內(nèi)部構(gòu)造土石壩的內(nèi)部構(gòu)造包括：防滲體、排水設(shè)備、反濾層和護(hù)坡。1、防滲體：一般采用塑性心墻和斜墻，均由滲透系數(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水平鋪蓋人工材料防滲體：瀝青砼，鋼筋砼2、排水設(shè)備主要作用：降低壩體浸潤(rùn)線，有利于下游壩坡穩(wěn)定并防止土壩可能出現(xiàn)的滲透破壞。浸潤(rùn)線：在壩體內(nèi)，滲透水流的表面叫浸潤(rùn)面，浸潤(rùn)面與壩體橫斷面的交線為浸潤(rùn)線。型式：

貼坡排水棱體排水褥墊排水混合排水貼坡排水：又稱表層排水。設(shè)置在下游壩坡底部，由1~2層堆石或砌石構(gòu)成，在石塊與壩坡之間應(yīng)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。棱體排水：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)。褥墊排水用塊石、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，當(dāng)下游水位高于排水設(shè)備時(shí)，降低浸潤(rùn)線的效果明顯降低，我國(guó)應(yīng)用較少。適用:

下游無(wú)水或水位較低的情況.混合式排水將上述幾種排水混合使用。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。3、護(hù)坡：占總體造價(jià)的10%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、根部發(fā)達(dá)的植物以及干裂等破壞。上游護(hù)坡：砌石護(hù)坡、堆石護(hù)坡、瀝青砼護(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。砌石堆石瀝青砼三、土石壩的筑壩材料(略)四、土石壩的滲流分析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(guò)壩體土粒之間的空隙從上游向下游流動(dòng)。土石壩的滲流是無(wú)壓滲流。2、滲流分析的目的：（1）確定壩體內(nèi)浸潤(rùn)線的位置；（2）確定壩體及壩基的滲流量，以估算水庫(kù)的滲漏損失；（3）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；（4）為壩體穩(wěn)定分析和布置觀測(cè)設(shè)備提供依據(jù)。常用的滲流分析方法：流體力學(xué)方法、水力學(xué)方法、流網(wǎng)法和試驗(yàn)法。3、流體力學(xué)方法

滲流基本方程：土壩滲流為層流，因此滿足達(dá)西定律(Darcy’sLaw),滲流區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)勢(shì)函數(shù)應(yīng)滿足拉普拉斯方程：

kx,ky——分別為x,y方向的滲透系數(shù)

以此來(lái)求解滲流場(chǎng)內(nèi)任意電的滲透要素（滲透流速、滲透坡降和滲透力等）對(duì)于簡(jiǎn)單的邊界條件，上述方程能解。對(duì)復(fù)雜邊界條件，需借助數(shù)值方法。4、水力學(xué)方法假設(shè):

均質(zhì),層流,穩(wěn)定漸變流.

應(yīng)用達(dá)西定律，并假定任一鉛直過(guò)水?dāng)嗝鎯?nèi)各點(diǎn)的滲透坡降相等，對(duì)不透水地基上的矩形土體，流過(guò)斷面上的平均流速為：?jiǎn)螌捔髁浚鹤陨嫌蜗蛳掠畏e分：自上游向區(qū)域中某點(diǎn)（x,y）積分，得浸潤(rùn)線方程：5、流網(wǎng)法繪制流網(wǎng)來(lái)求解平面滲流問(wèn)題中的各個(gè)滲流要素，可用于復(fù)雜邊界條件。６、實(shí)驗(yàn)法：電模擬法五、土石壩的穩(wěn)定分析（一）、目的分析壩體及壩基在各種不同的工作條件下可能產(chǎn)生的穩(wěn)定破壞形式，通過(guò)必要的力學(xué)計(jì)算，校核壩剖面的安全度，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改定出經(jīng)濟(jì)剖面。確定土壩穩(wěn)定性，主要指邊坡的抗滑穩(wěn)定。（二）、壩坡的滑動(dòng)面形式壩坡的滑動(dòng)面形式主要與壩體結(jié)構(gòu)型式、筑壩材料和地基情況、壩的工作條件等因素有關(guān)。1、曲線滑動(dòng)面：滑動(dòng)面通過(guò)粘性土部位時(shí)，2、折線滑動(dòng)面：滑動(dòng)面通過(guò)非粘性土部位時(shí)；3、復(fù)式滑動(dòng)面：滑動(dòng)面通過(guò)粘性土和非粘性土構(gòu)成的多種土質(zhì)壩時(shí)。（三）、荷載及其組合1、自重：水上——濕容重，水下——浮容重。2、滲透力：與滲透坡降有關(guān)。3、孔隙水壓力：總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法.4、地震力：荷載組合：（四）、穩(wěn)定分析方法強(qiáng)度分析法和剛體極限平衡法。1、圓弧滑動(dòng)法：針對(duì)粘性土的壩坡；2、折線滑動(dòng)法：針對(duì)非粘性土的壩坡；（五）、增穩(wěn)措施提高填土的填筑標(biāo)準(zhǔn)壩腳加壓重或放緩邊坡加強(qiáng)防滲、導(dǎo)滲措施加固地基六、土石壩的地基處理及裂縫控制（一）、地基處理1、目的（1）滲流控制（2）穩(wěn)定控制（3）變形控制2、常見(jiàn)地基（1）巖基或淺覆蓋地基（2）砂礫石地基（3）細(xì)砂或有淤泥地基（4）粘土或黃土地基3、砂礫石地基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，灌漿帷幕；水平防滲：鋪蓋；下游設(shè)排水減壓設(shè)施。*當(dāng)砂礫石透水層深度不大時(shí)(10~15米以內(nèi)),采用水平鋪蓋加截水槽的措施.*當(dāng)砂礫石透水層較深時(shí)(>10~15米),采用水平鋪蓋加混凝土防滲墻的措施.*當(dāng)砂礫石透水層很深時(shí),采用水平鋪蓋加灌漿帷幕的措施.（二）、土石壩裂縫類型及控制措施1、類型：干縮、凍融、不均勻沉降、滑坡、水力劈裂等。2、控制措施：七、混凝土面板堆石壩

Rock-filldamwithconcreteface

（一）、堆石壩的發(fā)展三個(gè)階段：1、1850~1940，最高100米，為具有剛性防滲體的拋填式堆石壩。美國(guó)鹽泉（SaltSpring),100m2、1940~1960，土力學(xué)和土工技術(shù)迅速發(fā)展，建成許多以粘性土料為防滲體的堆石壩。其塑性較高，比剛性防滲體更能適應(yīng)堆石體變形.3、1960以后，振動(dòng)碾問(wèn)世，使得堆石體密度和變形模量大大增加，堆石體在各種荷載作用下的變形量大幅度減低。美國(guó)(NewExcheguer),150m。中國(guó)80年開始，第一座為湖北西北口。（二）、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(méi)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。6-2（三）、堆石壩的類型：1、按防滲體材料和位置分⑴土心墻堆石壩⑵土斜墻堆石壩⑶土斜心墻堆石壩⑷鋼筋混凝土面板堆石壩⑸瀝青混凝土面板堆石壩⑹瀝青混凝土心墻堆石壩⑺混凝土重力墻堆石壩6-42、按壩體是否過(guò)水分：⑴不過(guò)水堆石壩：絕大多數(shù)堆石壩不過(guò)水。⑵溢流堆石壩：在壩頂和下游面采用鋼筋混凝土或漿砌石護(hù)面，只能用于中、低壩。（四）、組成堆石體、面板、底座（趾板）1B1A3B3C2B3E3A2AFP1A—上游鋪蓋區(qū)；1B—蓋重區(qū)；2A—墊層區(qū)；2B—特殊墊層區(qū)；3A—過(guò)渡區(qū)；3B—主堆