《水利水電工程概論》第四章4節(jié)土石壩

2023/9/21定義：由土、石料等當?shù)夭牧辖?jīng)拋填、碾壓等方法堆筑成的壩。土石壩又可分為兩大類土壩和堆石壩:1、土壩：土或礫石(含礫量<60%~70%)滲透系數(shù)較低2、堆石壩：塊石或礫石(含礫量>60%~70%)滲透系數(shù)較高、礫石起骨架作用關(guān)鍵：控制壩體強度和穩(wěn)定的是填土或者堆石一、定義及建設(shè)情況2023/9/22建設(shè)情況：歷史最悠久，數(shù)量最多。中國最早的土石壩出現(xiàn)在公元前600多年，我國開始填筑土堤，防御洪水，蓄水興利。如：安徽芍陂(quèbēi)

、浙江海塘等。解放后至今，我國內(nèi)已建成的八萬多座水壩，土石壩約占90%左右。國際上：古印度、古埃及等，也很早開始修建土壩。土石是水利工程建設(shè)中最被廣泛利用的當?shù)夭牧希@不僅有利于群眾性施工，而且隨著大型高效施工機具的采用，施工人數(shù)大幅度減少，施工工期縮短，施工費用大大降低。因此，在國內(nèi)外水利工程建設(shè)中，絕大多數(shù)堤壩均土石材料填筑。2023/9/23安徽壽縣芍陂(quèbēi)芍陂陂塘灌溉工程，位于安徽省壽縣南。春秋時期楚莊王十六年至二十三年（公元前598年～公元前591年）由孫叔敖創(chuàng)建，迄今2500多年一直發(fā)揮不同程度的灌溉效益。1959年，安徽省文化局文物工作隊曾在安豐塘越水壩地方，發(fā)掘出一座漢代（公元前206年～公元220年）水利工程（草土堰）遺址，伴隨出土的有漢代時期鐵錘等文物。芍陂灌區(qū)面積，在公元4世紀～公元13世紀常見記載，有灌田萬頃、灌田五千余頃等說法。自古來芍陂工程的人為破壞嚴重，多次受到戰(zhàn)爭波及，以致到民國年間，芍陂灌溉效益越來越低，1949年實灌面積僅8萬多畝。2023/9/24浙江省鄞(yín)縣它山堰

它山堰是甬江支流鄞江上修建的御咸蓄淡引水灌溉樞紐工程。位于浙江省寧波市西南，唐代大和七年（公元833年）由縣令王元瑋創(chuàng)建。筑堰前，海潮可沿江上溯章溪，因海水倒灌使耕田鹵化，城市用水困難。在鄞江上游出山處的四明山與它山之間，用條石砌筑一座上下各36級的攔河溢流壩。這座壩平時可以下?lián)跸坛?，上蓄溪水，供鄞西平原七鄉(xiāng)數(shù)千頃農(nóng)田灌溉，并通過南塘河供寧波城使用。為防止洪水涌入城市。宋代（公元960年～公元1279年）至清代（公元1644年～公元1911年）時都對工程進行維修。明代嘉靖十五年（公元1536年）加高堰（壩）頂1尺，清代咸豐七年（公元1857年）曾進行較大修治。公元1914年清理堰上淤積，使水道通暢。1987年定為全國重點保護文物。

2023/9/25它山堰2023/9/26

特別是最近十幾年以來，隨著大型高效的土石方施工機械的采用，巖土力學理論和電子計算機技術(shù)在土石壩設(shè)計中的廣泛使用，為建筑高土石壩提供了有利條件，土石壩得到了飛躍發(fā)展，成為當今世界上壩體高度最高、應用最廣泛的壩型。目前世界上最高的水壩為塔吉克斯坦的羅貢土石壩，壩高335m。我國已建的最高土石壩為小浪底土石壩，壩高154m，在建的水布埡面板堆石壩高達233m。在本世紀，我國將發(fā)展更高的土石壩。2023/9/27全世界高壩中土石壩的比例變化2023/9/28各種壩型建設(shè)情況2023/9/29世界土石壩按國家或地區(qū)分類統(tǒng)計圖

2023/9/210小浪底土石壩2023/9/211水布埡面板堆石壩水布埡樞紐總工期8年，自從2001年正式開工，工程于2008年12月底全部竣工。水布埡的面板堆石壩是目前世界上最高的面板堆石壩。2023/9/212水布埡水利樞紐基本資料2023/9/213姆里卡水電站位于印度尼西亞爪哇島中部的塞拉尤(Serayu)河上。主壩為心墻土石壩，最大壩高110m。2023/9/2142023/9/215西北口面板堆石壩作為“七五”國家重點科技攻關(guān)的試驗壩，結(jié)合實際工程做了大量科研工作，并用之于工程實際。1988年4月23日至26日澆筑第一塊面板試驗塊，獲得成功，隨后將此項成果移交給施工單位，在1989年3-6月份澆筑其余各塊，卻出現(xiàn)嚴重裂縫事故，基本上呈水平走向，貫穿整個面板條塊。當時引起一些人對面板壩的疑慮，甚至有的面板壩工程提出更改壩型的問題，影響了面板壩的聲譽。經(jīng)過多次調(diào)查分析論證，認為其主要原因是原材料使用不當，施工工藝不嚴格，以及未及時養(yǎng)護等，只要認真對待，還是可以解決的。西北口面板堆石壩2023/9/216江西東津88.5m2023/9/217興山古洞口118m2023/9/2181、結(jié)構(gòu)特點：（1）穩(wěn)定方面：不會沿壩基面整體滑動，失穩(wěn)形式主要是壩坡滑動或連同部分地基一起滑動；（2）滲流方面：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，嚴重時會導致壩體失事；（3）沖刷方面：顆粒間粘結(jié)力小，因此土石壩抗沖能力較低；）（4）沉降方面：顆粒間存在孔隙，受力后產(chǎn)生沉陷；

二、結(jié)構(gòu)特點及優(yōu)缺點2023/9/2191．壩體、壩基的透水性擋水時：由于上、下游水位差的作用，水將經(jīng)壩體和壩基的顆?？紫断蛳掠螡B透。1）使水庫的水量大量流失；2）而且還會引起壩體或壩基產(chǎn)生管涌、流土等滲透變形，導致潰壩事故。以壩體浸潤線為界，線上的土為非飽和狀態(tài)，線下土體則呈飽和狀態(tài)。飽和土體，其抗剪強度指標也將相應降低，對壩坡穩(wěn)定不利。為此，應設(shè)置防滲和排水措施，以減少水庫的滲漏損失和保證壩坡的穩(wěn)定性。二、土石壩的工作特點

2023/9/2202023/9/2212．土石壩的局部失穩(wěn)定破壞形式土石壩是松散的土石料填筑，壩體剖面需要做成上、下游邊坡較平緩的梯形斷面。由于由松散顆粒組成，其失穩(wěn)是以局部壩坡坍塌的形式出現(xiàn)。當壩坡太陡或土體的抗剪強度指標較小時，在滲透壓力和土體上部重力的作用下，局部壩坡土體（包括壩基土體）將向坡外滑移，簡稱滑坡。為了保持壩坡穩(wěn)定，需設(shè)置較平緩的上、下游壩坡。因此，應根據(jù)地形、地質(zhì)條件和筑壩材料等因素選擇適宜的坡。使壩體：保證安全穩(wěn)定、經(jīng)濟合理。2023/9/2223．抗沖性能差壩體材料是松散的顆粒：當洪水漫過壩頂時，水流必然會攜帶土粒流失，從而引起壩體局部破壞或整體潰決。例如，1975年8月，我國淮河上游兩座土壩，因溢洪道泄洪能力不足發(fā)生洪水漫頂而潰壩。由于波浪的作用，必然導致坡面土料的流失和坍塌，削弱壩體剖面尺寸，對壩體穩(wěn)定不利。設(shè)計中，要求：1）壩體應有足夠的超高2）壩坡應有相應的防沖措施。3）保證泄洪措施有足夠的泄洪能力。

2023/9/2234．壩體沉陷量大壩體材料是松散的顆粒：由于壩體土料、石料之間的孔隙存在，壩體是可壓縮的。盡管在筑壩時要求分層填筑、逐層壓實，但壩體的沉陷仍然是不可避免的。當壩基為土基時，沉陷值將更大。過大的沉陷將會降低壩頂?shù)脑O(shè)計高程；而不均勻的沉陷將使壩體產(chǎn)生縱向、橫向和各種走向的裂縫，危及壩身安全。觀測資料表明，竣工后的壩體沉陷仍可達到壩高的0.5%～1.0%左右。因此，在設(shè)計壩頂高程時應適當考慮預留沉陷值—(1.0%)H。2023/9/224優(yōu)點：（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）較能適應地基變形，對地基的要求比砼壩要低；（3）結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，便于維修和加高、擴建；（4）施工技術(shù)簡單，工序少，便于組織機械化快速施工。三、土石壩的優(yōu)缺點

2023/9/225缺點：1、壩身一般不能溢流，需另設(shè)溢洪道；2、施工導流不如混凝土壩方便；3、對防滲要求高，因為剖面大，所以填筑量大而且施工容易受季節(jié)影響。2023/9/226四、土石壩組成及設(shè)計要求壩身防滲體排水設(shè)備護坡壩身是土石壩的主體，壩的穩(wěn)定主要靠它維持；防滲體的作用是防止?jié)B透破壞和減少滲透水量；排水設(shè)備的作用是安全地排除滲透水，增強下游壩坡的穩(wěn)定性；護坡的作用是防止波浪、冰層、溫度變化、雨水和水流等對壩坡的破壞。1、土石壩組成2023/9/227壩體結(jié)構(gòu)圖護坡排水設(shè)備2023/9/2282023/9/229206座土石壩事故原因分析破壞原因占總潰壩的%洪水漫頂30滲透破壞25沿管道滲漏13滑坡15護坡5其它7原因不明52023/9/2301）具有足夠的斷面維持壩坡的穩(wěn)定。2、設(shè)計基本要求：邊坡穩(wěn)定和壩基穩(wěn)定是土石壩安全的基本保證。施工期、水庫水位降落以及地震作用在壩坡的荷載和土石料的抗剪強度指標都將發(fā)生變化，應分別計算。2023/9/2312、設(shè)置良好的防滲和排水設(shè)施以控制滲流。土石壩擋水后，壩體內(nèi)形成滲流，飽和區(qū)土石料承受上浮力，減輕了抵抗滑動的有效重量；浸水后土石料的抗剪強度降低；滲流力可對壩坡形成不良作用；滲流從壩坡、壩基或河岸逸出時可能引起管涌、流土等滲流破壞。設(shè)置防滲和排水設(shè)施可以控制滲流范圍、改變滲流方向、減小滲流的逸出坡降以增加壩坡、壩基和河岸的抗滑和抗?jié)B穩(wěn)定，還有利于減小壩體和壩基的滲流量。2023/9/2323、根據(jù)現(xiàn)場條件選擇好土石料的種類、壩的結(jié)構(gòu)以及各種土石料在壩體內(nèi)的配置，選擇好壩體各部分的填筑壓實標準，達到技術(shù)經(jīng)濟合理性；4、具有足夠的泄洪能力，壩頂在洪水位以上要有足夠的安全超高，以防洪水漫頂，造成大壩失事。2023/9/2335、適當?shù)臉?gòu)造措施，使壩運用可靠、耐久。在庫水位變化范圍內(nèi)，上游壩面應有堅固的護坡，防止波浪沖擊和淘刷；下游壩坡應能防止雨水的沖刷破壞作用。保護壩內(nèi)粘性土料，防止夏季日曬、冬季凍脹等形成裂縫。對壓縮性大的土料應采取工程措施減少沉降和不均勻沉降，避免裂縫的形成和發(fā)展。2023/9/234分類：1、按壩高分：低壩小于30米中壩30米~70米高壩大于70米五、類型2023/9/2352、按施工方法分：碾壓式土石壩；沖填式土石壩；水中填土壩；定向爆破堆石壩。2023/9/236碾壓式土石壩:用堆石或砂礫石分層碾壓填筑成壩體。它具有透水性好，抗震性能強，排水性好，地震時不會產(chǎn)生孔隙水壓力，不會液化或壩坡失穩(wěn)。施工導流方便，壩體可過水。施工受雨季影響小，可分期施工的優(yōu)點。近二十多年來，隨著大型碾壓機械的采用，使得這種壩型得到最廣泛的應用。本章將重點介紹這種壩型的設(shè)計。2023/9/237振動碾2023/9/238壩面碾壓2023/9/239沖填式土石壩:水力沖填壩是利用水力和簡易的水力機械完成土料開采、運輸和填筑等主要工序而筑成的壩型。具體地說，是用高壓水槍驅(qū)動高壓水流向料場的土料噴射沖擊，使之成為泥漿，然后通過泥漿泵和輸漿管把漿液輸送到壩體預定位置分層淤積、沉淀、排水和固結(jié)后形成的壩型。我國西北地區(qū)創(chuàng)造的水墜壩與這種壩型的施工原理相似，其料場位于壩頂高程以上的山體，泥漿輸送是利用漿液的重量經(jīng)溝渠自流到壩面，因而有學者也把水墜壩歸類為水力沖填壩。這種壩型因施工質(zhì)量難以保證應用較少。2023/9/240水中填土壩:水中填土壩是將易于崩解的土料分層倒入靜水中，依靠土體自身重量和運輸工具壓實而成。施工時，一般在施工倉面上用堤埝圍埂分格，并在格中灌水倒土逐層填筑。2023/9/241定向爆破堆石壩:這種壩型是在壩肩山體的預定位置開挖洞室，埋放炸藥，引爆后使土石料按照物體平拋運動的軌跡拋到預定的設(shè)計位置，完成大部分壩體填筑，再經(jīng)過加高修復而形成的壩型。這種筑壩方法由于爆破力很大，可能造成壩址附近地質(zhì)構(gòu)造破壞等方面問題，因而，一般采用較少。我國已建成這種土壩或堆石壩約有40余座，最高的有陜西石砭峪水庫大壩，壩高82.5m，廣東乳源南水電站的主壩，壩高81.3m。2023/9/242均質(zhì)壩；土質(zhì)防滲體分區(qū)壩（土質(zhì)心墻壩、土質(zhì)斜墻壩、多種土質(zhì)壩）；非土質(zhì)材料防滲體壩（人工材料心墻壩、人工材料面板壩）。碾壓式土石壩：按土料在壩身內(nèi)的配置和防滲體所用的材料種類分為：2023/9/243壩身的絕大部分由一種主料筑成，整個剖面起防滲和穩(wěn)定作用。低壩多采用均質(zhì)壩。

優(yōu)點：材料單一，施工簡單；

缺點：當壩身材料粘性較大時，雨季或冬季施工較困難。2023/9/244岳城水庫建設(shè)地點在河北磁縣，所在河流為漳河，控制流域面積18100平方公里。主壩壩型為均質(zhì)土壩，最大壩高53米，壩頂長度3570米，壩基巖石為砂礫石復蓋層，壩體工程量2900萬立米，主要泄洪方式岸邊溢洪道，大壩