水工建筑物课件 土石坝简介

第三章土石坝

Earth-filland/orRock-fillDam一、概述（一）、概念利用当地土石材料填筑而成的挡水坝，又称当地材料坝。历史悠久，发展很快，国内、外广泛采用。岳城水库密云水库以礼河毛家湾水电站南水水电站碧口水电站

主坝坝型为均质土坝，最大坝高53米，坝顶长度3570米，坝基岩石为砂砾石复盖层，坝体工程量2900万立米，主要泄洪方式岸边溢洪道，大坝特点是坝下泄洪洞（涵管）。岳城水库

主坝坝型为粘土斜墙土坝,最大坝高66米(白河主坝),坝顶长度960米(白河主坝),坝基岩石为砂砾石复盖层,坝钵工程量1105万立米。主要泄洪方式为岸边溢洪道,大坝特点是坝基混凝土墙和灌浆防渗。密云水库

建设地点在云南会泽，所在河流为以礼河，控制流域面积868平方公里，多年平均流量15.9秒立米，设计洪水流量1700秒立米，总库容5.53亿立米，设计灌溉面积74万亩，装机容量1.6万千瓦。

主坝坝型为粘土心墙土石坝，最大坝高80.5米，坝顶长度467米，坝基岩石为玄武岩，坝体工程量664.3万立米，主要泄洪方式为隧洞。以礼河毛家村水电站

南水水电站建在广东乳源的南水，控制流域面积608平方公里，多年平均流量33.4秒立米，设计洪水流量4190秒立米，总库容12.18亿立米，装机容量7.5万千瓦。

主坝坝型为粘土斜墙堆石坝，最大坝高81.3米，坝顶长度215米，坝基岩石为砂岩，坝体工程量171.1万立米，主要泄洪方式为隧洞，大坝特点是定向爆破筑坝。南水水电站

碧口水电站建在甘肃文县白龙江，控制流域面积26000平方公里。多年平均流量275秒立米，设计洪水流量7630秒立米。总库容为521亿立米，设计灌溉面积0.89万亩，装机容量30.0万千瓦。

主坝坝型为壤土心墙土石坝。最大坝高101米，坝顶长度297米，坝基岩石为干枚岩和凝灰岩。坝体工程量424.1万立米，主要泄洪方式溢洪道和隧洞。

碧口水电站石砭峪水库主坝坝型为粘土心墙土石坝,最大坝高105米,坝顶长度590米,坝基岩石为石英片岩,坝体工程量855万立米,主要泄洪方式为岸边溢洪道.

石头河水库主坝坝型为沥青混凝土斜墙堆石坝，最大坝高82.5米，坝顶长度285米，坝基岩石为片麻花岗岩，坝体工程量208万立米。主要泄洪方式为隧洞，大坝特点是定向爆破筑坝。

水布垭混凝土面板堆石坝，坝高233米小浪底大坝为斜心墙堆石坝,坝高154米

世界大坝按坝型分类统计坝型已建坝数量%土石坝2997482.7重力坝418011.5拱坝15924.4支墩坝4891.4总计36235100世界土石坝按国家或地区分类统计表坝型已建坝数量%中国1747558.3美国469415.7欧洲（含俄罗斯）19186.4日本14845.0印度9983.3南美6292.1其他27789.2（二）、土石坝的发展：⒈概况⑴四千多年以前⑵19世纪，50m⑶20世纪50~60年代，大型振动碾出现，高土石坝产生世界上高度超过300m的大坝仅2座，都是土石坝，一座是塔吉克斯坦的努列克坝，高317m，另一座是该国尚未完建的罗贡坝，高325m。⒉我国土石坝的发展⑴我国历史上有文献记载的可追溯到公元前598~591年。⑵建国前用现代技术修建的土坝仅甘肃的鸳鸯池水库大坝一座，50年代几次扩建后坝高37.8m。⑶建国后土石坝建设的三个阶段：l

1949~1957年l

1958~1980年l

1980~今l

1949~1957年以防洪治水为目的，从治理淮河开始，兴建了一批土坝，坝高都在50m以下，坝型均为均质土坝或粘性土心墙砂砾石坝。地基的防渗措施主要是开挖回填粘土截水墙或上游粘土铺盖；施工基本依靠人力，配合少量轻型机具。代表性的工程有淮河上游河南省境内的石漫滩、板桥、白沙、薄山、南湾等水库大坝；北方有永定河上官厅水库河；辽宁浑河上的大伙房水库大坝等。这一时期主要受到施工设备的限制，堆石坝没有得到发展，唯一的一座堆石坝是四川长寿龙溪河梯级水电站中的狮子滩工程。

l1958~1980年全国掀起建坝高潮，坝高一般达到80m，个别达到100m量级。坝型仍以均质土坝及粘性土心墙或斜墙砂砾石坝为主。大部分工程仍以人力施工为主。在筑坝技术方面，除碾压式土石坝外，还发展了只需少量简易机械的水中填土、水力冲填、定向爆破等型式。堆石坝仍受到施工设备的限制，没有大的发展。定向爆破筑坝技术从1958年开始应用，1960年修建广东南水定向爆破堆石坝。这一时期也修建了一些抛填式堆石坝。l1958~1980年这一时期有突破性进展的是深厚砂砾石地基的防渗处理，引进和发展了混凝土防渗墙技术。高压喷射灌浆技术也有所应用，开发了旋喷、定喷、摆喷等工艺，但多用于临时性工程或低水头建筑物的地基防渗。在勘测设计和试验研究方面也有很大发展，土工试验已有规范，并在全国推广。

l1958~1980年，这一时期的代表性工程：均质土坝——松涛水库大坝（海南，80.1m）、岳城水库大坝（河北，53m）等；心墙坝——碧口水电站大坝（甘肃，101.8m），毛家村水电站大坝（云南，82.5m）等；斜墙坝——密云水库白河主坝（北京，66.4m）等；定向爆破坝——南水水电站大坝（广东，80.2m），石砭峪水库大坝（陕西，82.5m）等。l

1980年以来进入70年代后期，特别是1978年以后，土石坝建设步入了健康发展的轨道，在科学试验和设计理论与方法方面已进入国际先进行列。随着国家经济实力的增长，以重型土石坝施工设备武装起来的大型施工企业已有能力在合理工期内完成大量土石方的开挖和填筑。特别是有可能大量使用堆石材料，大大提高了高土石坝的安全性和经济性。l

1980年以来混凝土面板堆石坝从1985年开始在我国兴建，与国外相比，起步虽晚，但起点高，发展快，十余年来已在全国普遍推广，增强了高土石坝在坝型比较中的竞争力。以碾压式土石坝为主导的思想已取得共识。在碾压式高土石坝中，已逐步形成土质心墙（或斜心墙）堆石坝和混凝土面板堆石坝两种主导坝型，前者一般用于深厚覆盖层上的高坝，后者已扩展到200m量级的高坝。沥青混凝土防渗技术也开始发展并在天荒坪抽水蓄能电站和三峡的茅坪溪大坝中得到应用。l

1980年以来在这一阶段，最具代表性的工程是天生桥一级水电站的混凝土面板堆石坝和黄河小浪底水利枢纽的土质斜心墙堆石坝，天生桥一级在1998年底发电，小浪底工程于1999年底发电。土石坝广泛应用的原因：优点：（1）筑坝材料可以就地取材，可节省大量钢材和水泥，免修公路；（2）较能适应地基变形，对地基的要求比砼坝要低；（3）结构简单，工作可靠，便于维修和加高、扩建；（4）施工技术简单，工序少，便于组织机械化快速施工。不足之处：坝顶不能过流，必须另开溢洪道，施工导流不如砼坝便利，对防渗要求高，因为剖面大，所以填筑量大而且施工容易受季节影响。（三）、土石坝的工作特点冰冻、地震、动物筑窝等。不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。坝体为散粒体结构，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，浸润面和浸润线的概念。颗粒间粘结力小，因此土石坝抗冲能力较低。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。稳定方面：渗流方面：冲刷方面：沉降方面：其它方面：（四）、土石坝的设计要求为使土石坝能安全有效地工作，在设计方面的一般要求：（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）应避免有害裂缝及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。（五）、土石坝的类型1、按施工方法分类：（1）碾压式；（2）水力冲填式；（3）水中填土式；（4）定向爆破。2、按材料在坝体内的配置和防渗体的位置分类（1）均质土坝：坝体剖面的全部或绝大部分由一种土料填筑。优点：材料单一，施工简单；缺点：当坝身材料粘性较大时，雨季或冬季施工较困难。（2）塑性心墙坝：用透水性较好的砂或砂砾石做坝壳，以防渗性较好的粘性土作为防渗体设在坝的剖面中心位置，心墙材料可用粘土也可用沥青混凝土和钢筋混凝土；优点：坡陡，坝剖面较（1）小，工程量少，心墙占总方量比重不大，因此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；

（3）塑性斜墙坝：防渗体置于坝剖面的一侧。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，抗震性及对不均匀沉降的适应性不如心墙坝。（4）多种土质坝：坝址附近有多种土料用来填筑的坝。（5）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。

小浪底斜心墙坝典型断面图二、土石坝的剖面尺寸与构造

（一）、基本尺寸1、坝顶高程：坝顶超高其中，h1——爬高，a——安全加高，

e——坝前水位因风浪引起的壅高。2、坝顶宽度取决于交通需要、构造要求和施工条件。当坝高在30m~100m时，Bmin

=0.1H;当坝高大于100m时，Bmin

=H0.5.3、坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。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；土料相同时上游坡缓于下游坡；粘土均质坝的坝坡与坝高有关，坝高越大坝坡越缓；碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。（二）、坝的内部构造土石坝的内部构造包括：防渗体、排水设备、反滤层和护坡。1、防渗体：一般采用塑性心墙和斜墙，均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水平铺盖人工材料防渗体：沥青砼，钢筋砼2、排水设备主要作用：降低坝体浸润线，有利于下游坝坡稳定并防止土坝可能出现的渗透破坏。浸润线：在坝体内，渗透水流的表面叫浸润面，浸润面与坝体横断面的交线为浸润线。型式：

贴坡排水棱体排水褥垫排水混合排水贴坡排水：又称表层排水。设置在下游坝坡底部，由1~2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，不能降低浸润线，且防冻性较差。适用：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。棱体排水：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，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：较高的土坝及石料较多的地区。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1/3~1/4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:

下游无水或水位较低的情况.混合式排水将上述几种排水混合使用。反滤层:

设在渗透坡降较大,流速较高,土壤易于变形的渗流出口处或进入排水处.作用:防止土体在渗流作用下发生渗透变形.组成: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，小粒径—大粒径。3、护坡：占总体造价的10%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、根部发达的植物以及干裂等破坏。上游护坡：砌石护坡、堆石护坡、沥青砼护坡等；下游护坡：碎石或砾石护坡，还可采用草皮护坡。砌石堆石沥青砼三、土石坝的筑坝材料(略)四、土石坝的渗流分析1、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间的空隙从上游向下游流动。土石坝的渗流是无压渗流。2、渗流分析的目的：（1）确定坝体内浸润线的位置；（2）确定坝体及坝基的渗流量，以估算水库的渗漏损失；（3）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；（4）为坝体稳定分析和布置观测设备提供依据。常用的渗流分析方法：流体力学方法、水力学方法、流网法和试验法。3、流体力学方法

渗流基本方程：土坝渗流为层流，因此满足达西定律(Darcy’sLaw),渗流区内任一点势函数应满足拉普拉斯方程：

kx,ky——分别为x,y方向的渗透系数

以此来求解渗流场内任意电的渗透要素（渗透流速、渗透坡降和渗透力等）对于简单的边界条件，上述方程能解。对复杂边界条件，需借助数值方法。4、水力学方法假设:

均质,层流,稳定渐变流.

应用达西定律，并假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等，对不透水地基上的矩形土体，流过断面上的平均流速为：单宽流量：自上游向下游积分：自上游向区域中某点（x,y）积分，得浸润线方程：5、流网法绘制流网来求解平面渗流问题中的各个渗流要素，可用于复杂边界条件。６、实验法：电模拟法五、土石坝的稳定分析（一）、目的分析坝体及坝基在各种不同的工作条件下可能产生的稳定破坏形式，通过必要的力学计算，校核坝剖面的安全度，经过反复修改定出经济剖面。确定土坝稳定性，主要指边坡的抗滑稳定。（二）、坝坡的滑动面形式坝坡的滑动面形式主要与坝体结构型式、筑坝材料和地基情况、坝的工作条件等因素有关。1、曲线滑动面：滑动面通过粘性土部位时，2、折线滑动面：滑动面通过非粘性土部位时；3、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。（三）、荷载及其组合1、自重：水上——湿容重，水下——浮容重。2、渗透力：与渗透坡降有关。3、孔隙水压力：总应力法和有效应力法.4、地震力：荷载组合：（四）、稳定分析方法强度分析法和刚体极限平衡法。1、圆弧滑动法：针对粘性土的坝坡；2、折线滑动法：针对非粘性土的坝坡；（五）、增稳措施提高填土的填筑标准坝脚加压重或放缓边坡加强防渗、导渗措施加固地基六、土石坝的地基处理及裂缝控制（一）、地基处理1、目的（1）渗流控制（2）稳定控制（3）变形控制2、常见地基（1）岩基或浅覆盖地基（2）砂砾石地基（3）细砂或有淤泥地基（4）粘土或黄土地基3、砂砾石地基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，灌浆帷幕；水平防渗：铺盖；下游设排水减压设施。*当砂砾石透水层深度不大时(10~15米以内),采用水平铺盖加截水槽的措施.*当砂砾石透水层较深时(>10~15米),采用水平铺盖加混凝土防渗墙的措施.*当砂砾石透水层很深时,采用水平铺盖加灌浆帷幕的措施.（二）、土石坝裂缝类型及控制措施1、类型：干缩、冻融、不均匀沉降、滑坡、水力劈裂等。2、控制措施：七、混凝土面板堆石坝

Rock-filldamwithconcreteface

（一）、堆石坝的发展三个阶段：1、1850~1940，最高100米，为具有刚性防渗体的抛填式堆石坝。美国盐泉（SaltSpring),100m2、1940~1960，土力学和土工技术迅速发展，建成许多以粘性土料为防渗体的堆石坝。其塑性较高，比刚性防渗体更能适应堆石体变形.3、1960以后，振动碾问世，使得堆石体密度和变形模量大大增加，堆石体在各种荷载作用下的变形量大幅度减低。美国(NewExcheguer),150m。中国80年开始，第一座为湖北西北口。（二）、面板堆石坝迅速发展的原因1、面板设计于堆石体上游面，水压力在上游坝面的铅直分力有助于坝的稳定，坝体工程量是土石坝中最小的；2、振动碾压使得高密实度堆石体变形小；3、面板兼有护坡防浪作用，经济合理；4、面板在上游面，便于检查维修；5、坝体填筑没有粘性土填方，施工干扰小，气候影响也小，基本可全年施工。弱点：面板对基础沉陷敏感，不抗漂浮物冲击。6-2（三）、堆石坝的类型：1、按防渗体材料和位置分⑴土心墙堆石坝⑵土斜墙堆石坝⑶土斜心墙堆石坝⑷钢筋混凝土面板堆石坝⑸沥青混凝土面板堆石坝⑹沥青混凝土心墙堆石坝⑺混凝土重力墙堆石坝6-42、按坝体是否过水分：⑴不过水堆石坝：绝大多数堆石坝不过水。⑵溢流堆石坝：在坝顶和下游面采用钢筋混凝土或浆砌石护面，只能用于中、低坝。（四）、组成堆石体、面板、底座（趾板）1B1A3B3C2B3E3A2AFP1A—上游铺盖区；1B—盖重区；2A—垫层区；2B—特殊垫层区；3A—过渡区；3B—主堆