第三章_土石坝及碾压

1、1 土石坝是利用坝址附近土料、石料及砂砾料填筑土石坝是利用坝址附近土料、石料及砂砾料填筑而成的一种挡水坝；而成的一种挡水坝； 是土坝、堆石坝和土石混合坝的总称；是土坝、堆石坝和土石混合坝的总称； 筑坝材料基本来源于当地，故又将其称为筑坝材料基本来源于当地，故又将其称为“当地当地材料坝材料坝”。 是人类最早建造的坝型，具有悠久的发展历史，是人类最早建造的坝型，具有悠久的发展历史，在各国使用都极为普遍。在各国使用都极为普遍。PP.25第三节 土石坝( the Rock-fill Dam ( the Rock-fill Dam ）2同混凝土坝相比，土石坝的优点主要体现在以下几方面 ：就地取材，可节省

2、大量木材、钢材和水泥等； 较能适应地基变形，对地基要求比砼坝要低；结构简单,工作可靠,便于维修和加高、扩建；施工技术简单，工序少，便于机械化施工。当然，土石坝也存在一些缺点： 坝顶不能过流，需在坝外单独设置泄水建筑物； 施工导流不如 砼坝便利； 剖面大，所以填筑量大；粘性土施工容易受气候条件影响较大。3一、土石坝的工作条件和设计的一般要求渗流方面：坝体为散粒体结构，库水在上下游水位差作用下经坝体和地基向下游渗透，产生渗透压力和渗透变形，严重时会导致坝体失事。4冲刷方面： 颗粒间粘结力小，因此土石坝抗冲能力较低；沉降方面： 颗粒间存在孔隙，受力后产生沉陷，分为均匀沉降和非均匀沉降；其它方面：冰冻

3、、地震、动物巢穴等。稳定方面： 会沿坝基面整体滑动，失稳形式主要是坝坡滑动或连同部分地基一起滑动。5（1）不允许水流漫顶，要求坝体有一定的超高；（2）满足渗流要求；（3）坝体和坝基必须稳定；（4）应避免有害裂缝，还必须能抵抗其他自然现象的破坏作用；（5）安全使用前提下，力求经济美观。PP.26 为使土石坝能安全有效工作，在设计时一般要求：6二、土石坝的类型1、按施工方法分类：（1）碾压式土石坝 （2）抛填式堆石坝（2）水力冲填坝（3）水坠坝（4）定向爆破堆石坝PP.2772、碾压式土石坝按筑坝材料和防渗体的位置可细分为以下五种：优点：材料单一， 施工简单；缺点：当坝身材料粘性较大时，雨季或冬季

4、施工较困难。（1 1）均质土坝：）均质土坝：坝体剖面的全部或绝大部分由一种土料填筑。8（2 2）心墙土坝：）心墙土坝：用透水性较好的砂或砂砾石做坝壳，以防渗性较好的材料作为防渗体设在坝的剖面中心位置。 防渗体：粘土、沥青砼或钢筋砼，土工膜等优点：坡陡，剖面较均质坝小，工程量少，心墙占总方量比重不大，施工受季节影响相对较小；缺点：要求心墙与坝壳大体同时填筑，干扰大, 一旦建成，难修补；9堆石坝以心墙作为防渗体鲁布革大坝典型剖面图10（3 3）斜墙土坝）斜墙土坝优点：斜墙与坝壳之间的施工干扰相对较小，在调配劳动力和缩短工期方面比心墙坝有利；缺点：上游坡较缓，粘土量及总工程量较心墙坝大，抗震性及对不

5、均匀沉降的适应性不如心墙坝。防渗体置于坝的上游面，称为斜墙。1112小浪底斜心墙坝典型断面图13（4 4）多种土质坝：）多种土质坝：（5 5）土石混合坝：）土石混合坝： 如坝址附近砂、砂砾不足，而石料较多，上述的多种土质坝的一些部位可用石料代替砂料。坝体是由透水性不同的多种土料分区填筑而成。14三、筑坝土料的性质1、粘性土：颗粒小，结构紧密，颗粒间有凝聚力，水流渗过这种土壤时，遇到的阻力大，因此其防渗性能好。2、非粘性土：砂粒、卵石等 颗粒大，颗粒间基本无凝聚力，但颗粒间摩擦力大，因而其自然稳定坡度比粘性土陡。粒间空隙大，容易透水，防渗性能差。15四、土石坝的剖面和构造1、坝顶高程： 静水位

6、+ 波浪爬高+坝顶超高d(二) 土石坝的剖面土石坝基本剖面尺寸主要包括： 坝顶高程、坝顶宽度、上下游边坡、防渗和排水设备的轮廓尺寸 (一) 土石坝的组成 坝身、防渗体、排水设备和护坡16 坝顶高程应分别按正常情况和非常情况进行计算，并选用其中的较大值。对于地震区还需考虑地震涌浪高度。 坝顶上游设防浪墙时，计算得到的坝顶高程应为防浪墙顶高程。172、坝顶宽度取决于交通需要、构造要求和施工条件。当坝高在30m100m时,B min = 0.1H ，不小于5m;当坝高大于100m时， B min = H 0.5 .3、坝坡 取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。土料相同

7、时上游坡缓于下游坡；水下缓于水上；粘土均质坝的坝坡与坝高有关，坝高越大坝坡越缓；均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓；粘土斜墙坝的上游坡比心墙的坝坡缓，而下游坝坡可比心墙坝陡些；变坡处设 马道，宽1.52.0m。18(三) 土石坝的主要构造1、防渗体 由渗透系数较小的粘性土料构成，其尺寸和结构需满足减小渗透量、降低浸润线和控制渗透坡降的要求。 粘性土心墙 、粘性土斜墙、粘性土斜心墙沥青混凝土防渗墙192021 降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；增加坝体稳定；防止渗流逸出处的渗透变形，保护坝坡和坝基；防止渗流逸出处的渗透变形，保护坝坡和坝

8、基；防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，起到防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，起到保护下游坝坡的作用。保护下游坝坡的作用。2、排水设备和反滤层常见的型式有:棱体排水、褥垫排水、贴坡排水、综合式排水22 在下游坝脚处用块石堆成棱体，需设反滤层。在下游坝脚处用块石堆成棱体，需设反滤层。特点：特点： 可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷且有支持坝体增加其保护下游坝脚不受尾水淘刷且有支持坝体增加其稳定的作用，是一种可靠的排水型式，但石料用稳定的作用，是一种可靠的排水型式，但石料用量大，费用高，检修困难。量大，费用高，检修困难。适用：适用

9、：较高的土坝及石料较多的地区。较高的土坝及石料较多的地区。（1）棱体排水：23 用块石、砾石平铺在靠下游侧的坝基上，并用块石、砾石平铺在靠下游侧的坝基上，并在其周围布置反滤层而构成的水平排水体，伸入在其周围布置反滤层而构成的水平排水体，伸入坝体长度坝体长度 1/31/3 1/41/4坝底宽。坝底宽。特点：特点：下游无水时，能有效降低浸润线，有助于下游无水时，能有效降低浸润线，有助于坝基排水，但对不均匀沉降的适应性较差。坝基排水，但对不均匀沉降的适应性较差。适用适用: : 下游无水或水位较低的情况下游无水或水位较低的情况. .（2）褥垫排水：24 也称表层排水。设置在下游坝坡底部，由也称表层排水

10、。设置在下游坝坡底部，由1 1 2 2层层堆石或砌石构成，在石块与坝坡之间设反滤层；堆石或砌石构成，在石块与坝坡之间设反滤层；特点：特点：形式简单，省料且易于检修，可防止渗透破形式简单，省料且易于检修，可防止渗透破坏。因未伸入坝体，不能降低浸润线，且防冻性较坏。因未伸入坝体，不能降低浸润线，且防冻性较差。差。适用：适用：中小型且下游无水中小型且下游无水 的均质坝及防渗体浸润线的均质坝及防渗体浸润线较低的中等高度的土坝。较低的中等高度的土坝。（3）贴坡排水：25（4）混合式排水 将上述几种排水混合使用。26反滤层反滤层: :设在渗透坡降较大设在渗透坡降较大, ,流速较高流速较高, ,土壤易于变形

11、的土壤易于变形的渗流出口处或进入排水处渗流出口处或进入排水处. .作用作用: :防止土体在渗流作用下发生渗透变形防止土体在渗流作用下发生渗透变形. .组成组成: :二至三层粒径不同的砂、石料铺筑而成，二至三层粒径不同的砂、石料铺筑而成，层面与渗流方向尽量垂直，层面与渗流方向尽量垂直，小粒径小粒径 大粒径。大粒径。273、护坡上游坝坡受波浪淘刷、渗流、冰冻等破坏作用；上游坝坡受波浪淘刷、渗流、冰冻等破坏作用；下游面有雨水、风、动物以及干裂等破坏。下游面有雨水、风、动物以及干裂等破坏。上游护坡：上游护坡： 砌石护坡、堆石护坡、砼板护坡等；砌石护坡、堆石护坡、砼板护坡等；下游护坡：下游护坡： 碎石或

12、砾石护坡，还可采用草皮护坡。碎石或砾石护坡，还可采用草皮护坡。28( (一一) )渗流分析渗流分析1 1、渗流的概念：水库蓄水后，由于上下游、渗流的概念：水库蓄水后，由于上下游水位差的关系，水流会通过坝体土粒之水位差的关系，水流会通过坝体土粒之间的空隙从上游向下游流动。间的空隙从上游向下游流动。五、土坝的渗流、稳定和沉陷292、渗流分析的目的：确定坝体内浸润线的位置；确定坝体内浸润线的位置；确定坝体及坝基的渗流量，以估算水确定坝体及坝基的渗流量，以估算水库的渗漏损失；库的渗漏损失；确定坝体和坝基渗流逸出区的渗流坡确定坝体和坝基渗流逸出区的渗流坡降，检查产生渗透变形的可能性；降，检查产生渗透变形

13、的可能性；为坝体稳定分析和布置观测设备提供为坝体稳定分析和布置观测设备提供依据。依据。30渗透变形渗透变形管涌管涌 坝体或地基中的土壤细颗粒被渗透水流坝体或地基中的土壤细颗粒被渗透水流带走，并逐步形成渗流通道的现象。带走，并逐步形成渗流通道的现象。流土流土 在渗流作用下，产生的土体浮动或流失现在渗流作用下，产生的土体浮动或流失现象；象；它主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗它主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗流出口处。流出口处。 多发生在坝的下游坡或闸坝下游地基面渗流多发生在坝的下游坡或闸坝下游地基面渗流逸出处。粘性土因颗粒之间存在凝聚力且渗透系逸出处。粘性土因颗粒之间存在凝聚力且渗透系数较

14、小，一般不易发生管涌破坏，而在缺乏中间数较小，一般不易发生管涌破坏，而在缺乏中间粒径的非粘性土中极易发生。粒径的非粘性土中极易发生。31(二) 稳定分析重力坝 沿坝基面的整体抗滑稳定分析拱坝 坝肩(拱座)的稳定分析土坝 主要指上下游坝坡的抗滑稳定分析土石坝坝坡的滑动面型式： 圆弧滑动面：滑动面通过粘性土部位时， 折线滑动面：滑动面通过非粘性土部位时； 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时。3233(三)土坝的沉陷 在自重或外力的作用下，土体孔逐渐隙中的水、气被逐渐排出，孔隙缩小，土体被压实，这个过程称为 固结。 粘性土常需要一个较长的时间才能完成固结，而砂性土固结速度则较快

15、。34六、土石坝的地基处理一、地基处理1、目的： 渗流控制、稳定控制、变形控制2、砂砾石地基的处理 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。垂直防渗：粘土截水槽、砼防渗墙和灌浆帷幕；水平防渗：铺盖；35当地基深度在1015米以内时，采用粘土截水墙。如果深度更大但不超过30米时，可采用混凝土截水墙。36当砂砾石透水层深度大于30米, 采用混凝土防渗墙。3738第四节 碾压砼坝与砼面板堆石坝一、碾压混凝土坝 采用水泥含量比较低的超干硬性混凝土，经碾压而成的混凝土坝。 从根本上改革了常规混凝土的浇捣方法，是将土石坝碾压设备和技术应用

16、混凝土坝施工的一种新坝型。碾压混凝土坝的特点： 运输、浇筑均可实现机械化；因此，施工速度快，工期短。39 单位水泥用量和用水量少，每m3砼水泥用量一般不超过100kg，较常态砼节约30%50%，用水量也少30%40%，相应地可大大简化混凝土的温控措施； 砂率大，且要求有一定的粉粒含量； 采用通仓薄层浇筑，一般不设纵缝，可节省模板及接缝灌浆等费用； 工程造价省。40 砼面板堆石坝以堆石体为支承结构，采用砼面板作为坝的防渗体，并将其设置在堆石体上游面。 (一)混凝土面板堆石坝的发展第一阶段(1850年1940年)， 为抛填堆石阶段；第二阶段(1940年1965年)，是由抛填堆石向碾压堆石发展的过渡

17、阶段；第三阶段（1965年以后至今），主要是以碾压堆石为特征，同时在坝体结构、施工技术上有很达的进步，所筑坝也越来越高 。二、混凝土面板堆石坝41 早在19世纪中叶，美国就开始修建面板堆石坝。最初这些坝是以木面板防渗，后来为承受更高的水压力，木面板逐渐被混凝土面板代替。当时堆石均采用抛填施工，并辅以高压水枪冲实，所获得的堆石体不太密实，沉陷和水平位移均较大。 进入上世纪进入上世纪4040年代以来，筑坝高度呈现增年代以来，筑坝高度呈现增加趋势。对采用抛填法施工的堆石体，当坝高加趋势。对采用抛填法施工的堆石体，当坝高大于大于70m70m时，混凝土防渗面板已不能承受堆石时，混凝土防渗面板已不能承受堆

18、石体的较大变形而发生裂缝漏水，从而导致在较体的较大变形而发生裂缝漏水，从而导致在较长时期内，这种坝型的发展处于停滞状态。长时期内，这种坝型的发展处于停滞状态。42 与此相反，带有反滤层的粘土心墙却能与此相反，带有反滤层的粘土心墙却能适应抛填堆石的较大变形，满足坝体防渗需要，适应抛填堆石的较大变形，满足坝体防渗需要，加上加上5050年代土力学理论、土工试验技术、土壤碾年代土力学理论、土工试验技术、土壤碾压设备的发展，使得以粘性土料作防渗心墙或斜压设备的发展，使得以粘性土料作防渗心墙或斜墙的堆石坝在这期间得到迅速发展，并建成不少墙的堆石坝在这期间得到迅速发展，并建成不少高坝。高坝。 进入进入6060年代以后，将大型振动碾运用于坝体年代以后，将大型振动碾运用于坝体堆石碾压，使堆石体的密实度更高，从而大幅度堆石碾压，使堆石体的密实度更高，从而大幅度降低了堆石体变形，再配合接缝止水设施和改进降低了