土石坝土料选择与填土标准确定讲义

1、第六节 土料选择与填土标准确定一、筑坝材料选择二、土料填筑标准的确定 坝址附近各种天然土石料和枢纽建筑物开挖料的性质、种类、储量、运距等因素。 1筑坝土石料选择的原则 选择筑坝土石料应遵循下列原则： （1）具有（或经加工后具有）与其使用目的相适应的工程特性和长期稳定性； （2）就地、就近取材，减少弃料，少占或农田，并优先考虑利用枢纽建筑物开挖弃料； （3）便于开采、运输和压实。第五节 土料选择与填土标准确定一、筑坝材料选择2坝体不同部位对土石料的要求 土石坝材料的选用范围越来越广泛。风化料、软岩、砾石土均用于筑坝。（1）防渗体对土料的要求: 防渗土料用粘性土， 1) 渗透系数要求：均质坝应不大

2、于110-4cm/s，心墙和斜墙应不大于110-5cm/s； 2)水溶盐含量：均质坝、心墙坝应不大于3%； 3) 有机质含量（按质量计）：均质坝应不大于5%，心墙和斜墙应不大于2%； 4) 具有较好的塑性和稳定性； 5) 浸水与失水时体积变化较小。对冲积粘土、膨胀土，开挖、冻土和分散性粘土不宜作为防渗体的填筑土料。红粘土、湿陷性黄土、砾石土可用于防渗体。（2）坝壳土石料的要求坝壳土石料应满足排水性能好、抗剪强度高、易压实和抗震稳定性良好的要求。 料场开采和坝区开挖的砂、砾石、卵石、石料和风化料及砾石均可作为坝壳的填筑材料。 均匀中细砂只能用于中、低坝坝壳浸润线以上的干燥区，高坝和地震区不宜采用

3、这种土料。 下游坝壳应采用透水性能良好的土石料填筑。对软化系数低，不能压碎成砾石土的风化石料和软岩宜在坝壳的干燥区填筑。 （3）反滤层、过渡层和排水体的要求： 1）质地致密、抗水性和抗风化性能满足工程运用的技术要求； 2）具有符合使用要求的级配和透水性； 3）反滤料和排水体料中粒径小于0.0075mm的颗粒含量应不超过5%。反滤料可利用天然或经过筛选的砂砾石料，也可采用块石、砾石轧制，或采用天然和轧制的混合料。IIIV级低坝经论证可采用土工布作为反滤料。 土料的填筑标准：较高密实度、均匀性、强度和较小的压缩性，在满足渗流条件和坝坡稳定要求下，取得经济合理的坝体剖面。 确定填筑标准时，应考虑下列

4、因素： 坝高、坝型、坝的级别和坝的不同部位； 坝体填料特性：土石料的压实特性、参数 坝基土的强度和压缩性； 当地气候、设计地震烈度和其他影响； 采用的压实机具、施工难易程度； 不同填筑标准对造价的影响。二、土料填筑标准的确定 1粘性土的填筑标准我国碾压式土石坝设计规范（SL2742001）对粘性土的填筑标准作出如下规定 粘性土的填筑标准以压实度和最优含水率作为控制指标:设计干容重应以击实最大干容重乘以压实度确定: d = Pmax对于I、II级坝和高坝的压实度P应取98%100%，IIIV级坝和中、低坝应取0.950.98，V级坝和低坝取小值，设计地震烈度为89度时取最大值。对混凝土防渗墙顶部

5、的高塑性土、湿陷性黄土，需根据工程实际情况确定合适的压实度. 2砂和砾石的填筑标准 对砂、砂砾石等，通过击实可提高其抗剪强度和减小压缩性、防止液化。 试验表明：砂砾的压实与级配和压实功有关；填筑标准应以相对密度为设计控制指标。 对于砂料，相对密度不应低于0.7，反滤料宜为0.7，砂砾石不应低于0.75。对于砂砾石，根据室内结果整理出级配干容重相对密度关系，以便现场挖坑取样检查。对于堆石料，宜用孔隙率为设计控制指标，孔隙率宜取0.2%28%。5.7 土石坝的构造一、防渗体1.土质防渗体 心墙和斜墙。 确定防渗体的原则: J【J】及施工条件。 （1）粘土心墙 由于 【J】4 底厚： 0.3 0.5

6、H 0.15 0.2H 顶厚： 3m。 心墙坡比： 1：0.151：0.3， 肥心墙可达：1：0.41：0.5 墙顶高程： 墙顶正常+（0.30.6）m 墙顶设计+（0.30.6）m 且 墙顶校核 墙顶保护层厚度：不小于当地冻土或干燥深度；且1m。 （2）粘土斜墙 底厚： （垂直于斜墙下游坡） 【J】5 顶厚： 斜墙坡比： 内坡不陡于1：2； 外坡不陡于1：2.5； 墙顶高程： 墙顶正常+（0.60.8）m 墙顶设计+（0.60.8）m 且 墙顶校核 墙顶保护层厚度：不小于当地冻土或干燥深度；且1m。常用23m。2.沥青砼防渗墙 沥青砼具有较好的塑性和柔性，k=1071010 cm/s，防渗和

7、适应变形的能力均较好，裂缝时，有一定的自愈功能，且施工受气候的影响也小，适用作土石坝的防渗材料。【奥地利】欧申力克沥青砼斜墙堆石坝，H=106m；【石砭峪】沥青砼斜墙定向爆破堆石坝，H=85m。 （1）沥青砼斜墙 早期的斜墙做成双层，在两层沥青砼防渗层之间夹一层排水层，排除透过防渗层的渗水。但实践表明效果并不明显。近年来倾向于不设排水层。斜墙铺设在垫层上，垫层一般为厚13m的碎石，上铺34cm厚的沥青碎石层作为斜墙的基垫。斜墙防渗层厚20cm左右，分层铺压，每一层厚36cm。在迎水面涂一层沥青马蹄脂保护层。按施工要求，斜墙的上游坝坡不应陡于1：1.61：1.7。图531 沥青砼斜墙和心墙坝（高

8、程：m，尺寸：cm）（a）斜墙坝；（b）心墙坝 （2）沥青混凝土心墙 沥青混凝土心墙可做成竖直的或倾斜的。 顶厚： c=3050cm 底厚： 中低坝 （H坝高） 且40cm。 高坝 且40cm （H为坝高） 。 过渡层：设在心墙两侧。二、坝顶和护坡1.坝顶防浪墙：墙顶高于坝顶1.001.20m。用浆砌石或钢筋混凝土筑成，墙底应和坝体中的防渗体紧密连接。坝顶面：向两侧或一侧倾斜，作成23的坡度。坝顶照明：常设。坝顶构造（单位：cm） 3 护坡占总体造价的10%左右 设置护坡的目的： 是为了保护上游坝坡免受波浪淘刷；顺坡雨水水流冲刷、冻胀干裂；冰层和漂浮物等的危害作用；还有防止无粘性土料被大风吹散

9、，蛇、鼠和土栖白蚁等动物在坝坡中营洞造穴等危害。 因此，坝坡表面为土、砂砾石等土石料填筑时应设置专门的护坡。1上 游 护 坡2下 游 护 坡上游护坡 上游坝面要有足够抗冲能力。已建造的土石坝，多采用堆石、干砌石和浆砌石护坡和混凝土护坡。（1）干砌石护坡： 根据波浪大小可做成单层或双层，单层厚度约为0.30.5m，如图所示；双层干砌石护坡厚度约0.40.6m，图（b）。 当护坡与坝体土料之间不满足反滤要求时，护坡底面需设碎石或砾石垫层，防止库水位降落和波浪对坝坡的淘刷。垫层厚度一般为0.150.25m，并满足反滤要求和不冻要求。 干砌石护坡（单位：m） 1-干砌石；2-垫层；3-坝体（2）浆砌石

10、护坡：浆砌石是在块石之间充填砂浆或细石混凝土。 适用于波浪高、压力大、容易被冲坏的情况。浆砌石护坡稳定性较好，其厚度可比干砌石护坡酌情减小。（3）混凝土护坡： 混凝土护坡有现浇和预制两种形式，如图所示。采用方形5m5m20m20m厚度为1520cm的现浇板块、六角形预制块； 其他如沥青混凝土护坡和水泥土护坡，可参考有关文献论述。 如碧口、刘家峡黄山副坝、陆浑等工程，使用效果都较好，在石料缺乏的地区可考虑采用。土石坝浆砌石护坡图 混凝土板护坡矩形板；(b)六角形板1-矩形混凝土板；2-六角形混凝土板；3-碎石或砾石；4-木板柱；5-结合缝土石坝混凝土板护坡矩形板土石坝混凝土板护坡六角形板下游坝坡

11、 下游坝坡工作条件相对上游坝坡好些，一般宜简化设置。下游护坡型式一般有草皮护坡、单层干砌石护坡、卵石或碎石护坡和混凝土框格填石护坡等。 （1）草皮护坡 是均质坝常见的护坡形式，国内应用较普遍，如果坝面排水布置合理，护坡效果良好，而且可以美化环境。草皮护坡的草苗宜采用爬地草或矮草，以减少日常维护工作。若坝坡为无粘性土时，则可在草皮下铺一层2030 cm厚的腐植土，以利于草的生长。 （2）干砌石护坡 国内使用较多，一般采用单层干砌形式、厚度0.20.3m，通常在石料丰富且砌石费用便宜的地区可以考虑采用。 （3）卵石或碎石护坡 适用于由砂或砾石填筑的下游坝坡，卵石或碎石的粒径应为510cm，厚度40

12、cm。 （4）钢筋混凝土框格填石护坡 适用坝坡较陡、仅仅采用卵石或碎石护坡不稳定且不适宜采用草皮护坡的情况。框格尺寸一般为45m45m，框条宽0.2m，厚0.3m，在框格中填卵石或碎石。 对干砌石、浆砌石、卵石或碎石、沥青混凝土以及钢筋混凝土护坡，护坡的下部都应设置碎石或砂、砂砾石垫层。 垫层厚度约为1530cm。冰冻地区，垫层厚度还应满足坝坡不冻要求。土石坝下游卵石或碎石护坡土石坝下游草皮护坡土石坝下游草皮护坡土石坝下游干砌石护坡2、排水设备主要作用：控制和引导渗流，降低浸润线，加速孔隙水压力消散，以增加稳定性，保护下游坝坡免遭冻胀破坏。反滤的作用：保护渗流出口，防止坝体坝基发生管涌、流土等

13、渗透变形。型式： 贴坡排水 棱体排水 褥垫排水 综合排水三、坝体排水和反滤层1）贴坡排水：又称表层排水。设置在下游坝坡底 部，由12层堆石或砌石构成，在石块与坝坡之间应设反滤层；特 点：形式简单，省料且易于检修，可防止渗透破坏。因未伸入坝体，但不能降低浸润线，且防冻性较差。适用场合： 中小型且下游无水 的均质坝及防渗体浸润线较低的中等高度的土坝。2）棱体排水： 又称为滤水坝址，在下游坝脚处用块石堆成棱体，需设反滤层。特 点：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稳定的作用，还可与坝基排水相连接，是一种可靠的排水型式，但石料用量大，费用高，检修困难。适用

14、场合： 较高的土坝及石料较多的地区。3）褥垫排水 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，伸入坝体长度1/21/3坝底宽。特 点：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，当下游水位高于排水设备时，降低浸润线的效果明显降低，我国应用较少。适用场合: 下游无水或水位较低的情况.4）混合式排水 将上述几种排水混合使用。 2.反滤层及过渡层反滤的作用：滤土排水，防止在渗流逸出处遭受管涌、流土等渗流变形的破坏以及不同土层界面处的接触冲刷。位置：土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间， 坝壳与坝基的透水部位均应尽量满足反滤原则。过渡层：主要对

15、其两侧土料的变形起协调作用。 反滤层可起过渡层的作用，而过渡层却不一定能满足反滤的要求。 在分区坝的防渗体与坝壳之间，根据需要与土料情况可以只设置反滤层，也可同时设置反滤层和过渡层。 反滤层的类型 型反滤，反滤层位于被保护土的下部，渗流方向主要由上向下，如：斜墙后的反滤层。型反滤要承受被保护土层的自重和渗流压力的双重作用，其防止渗流变形的条件更为不利。 型反滤，反滤层位于被保护土的上部，渗流方向主要由下向上，如:位于地基渗流逸出处的反滤层。 渗流方向水平而反滤层成垂直向的，属过渡型，如：心墙、减压井、竖式排水等的反滤层。 反滤层设计要求 1）被保护土层不发生管涌等有害的渗流变形，在防渗体出现裂

16、缝的情况下，土颗粒不会被带出反滤层，而且能促使裂缝自行愈合。这就要求反滤料必须具有足够小的孔隙，以防土粒被冲入孔隙或通过孔隙而被冲走。 2）透水性大于被保护土层，能通畅地排出渗透水流，同时不致被细粒土淤塞而失效。要求反滤料必须具有足够大的孔隙。 3) 反滤层组成：由13层级配均匀，耐风化的砂、砾、卵石或碎石构成。 水平反滤层的最小厚度为0.3m； 垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5m。SL274-2001规定：当被保护土为无粘性土，且不均匀系数Cu=58时，第一层反滤料的级配，按太沙基准则选用（1）（2）式中D15反滤料的特征粒径；d85、d15分别为被保护土的控制粒径和特征粒径。 选择第

17、二层反滤料时采用以上相同的准则，只是以第一层反滤料作为被保护土，其余类推。当被保护土为粘性土时，SL274-2001推荐采用谢拉德1989年提出的方法。详细内容可参见规范附录。 现代土石坝的反滤层大多只用一层，有时两层，较少用三层，如：前苏联的萨尔桑格、热瓦理斯克，我国台湾的石门，以及日本的御母衣等坝，均采用一层反滤直接向坝壳过渡。罗贡、努列克、奥罗维尔、石头河等高坝，设两层反滤。过渡层： 可避免刚度相差较大的两侧土料之间产生急剧变化的变形和应力。故在砼面板堆石坝的垫层和堆石之间，沥青砼心墙和坝壳之间均应设置过渡层。 土质防渗体分区坝，除坝壳料为堆石外，一般不设，即使为堆石，若反滤层有一定厚度，也可不设置。四、新材料土工合成材料 国家技术监督局与建设部发布了土工合成材料应用技术规范（GB5029098）。1.土工膜 土工膜：k 。早期用于渠道防渗，20世纪60年代后用于土石坝。土工膜铺设在上游面，在其上、下部分别设置上垫层和下垫层，再在表面加防护层。老化和使用寿命：大量室内和现场试验表明薄膜埋设于土石坝内，与温度、紫外线、大气等老化因素基本隔绝，加上抗老化剂的应用，可以认为，老化并不严重。前苏联在有关规程中规定：聚乙稀薄膜