三峡大水工建筑物课件03土石坝

2025/7/221第三章

土石坝

2025/7/222主要内容概述基本剖面渗流分析稳定分析筑坝材料及填筑标准构造设计地基处理面板堆石坝2025/7/223学习要求

掌握土石坝的类型及其构造特点、设计基本原则和方法、渗流和渗透稳定分析、坝坡抗滑稳定分析以及坝基处理等基本知识。了解钢筋混凝土面板堆石坝设计理论和方法。学习重点土石坝的渗流及渗透变形计算；抗滑稳定分析方法。2025/7/224§1概述一、定义及建设情况二、结构特点及优缺点三、工作特点四、地基基本要求五、组成及设计要求六、类型及坝型选择2025/7/225定义：由土、石料等当地材料经抛填、碾压等方法堆筑成的坝建设情况：历史最悠久，数量最多。高土石坝：前苏联的罗贡坝(335m)、努列克坝(300m)。

10036235总计1.4489支墩坝4.41592拱坝11.54180重力坝82.729974土石坝%已建坝数量坝型一、定义及建设情况2025/7/226世界土石坝按国家或地区分类统计图

2025/7/227小浪底水利枢纽基本资料2025/7/228水布垭水利枢纽基本资料2025/7/229水布垭面板堆石坝2025/7/2210结构特点：土石坝是散粒体结构，稳定靠土体的抗剪强度来控制；只会出现局部滑动而失稳，不会出现整体滑动失稳或倾覆失稳问题；为维持坝坡稳定，坡度大，断面大，体积大。二、结构特点及优缺点2025/7/2211优点：就地取材，节省三材，减少运量，降低造价；适应不同的地形、地质、气候条件；结构简单，便于维修、加高和扩建。缺点：坝身一般不能溢流，需另设溢洪道；施工导流不如混凝土坝方便；粘性土料的填筑受气候条件影响；断面大，体积大。2025/7/2212

影响我国高土石坝建设的原因坝址河谷狭窄，洪水流量大，施工导流和泄洪布置工程量大；防渗土料的选择局限于粘性较大的细粒土，施工要求偏严，单价较高；缺乏大容量，高效率的施工机械。2025/7/2213高土石坝发展的机遇：施工机械的发展，提高了施工质量，加快了进度，降低了造价，促进了高土石坝的发展；理论、试验及计算技术发展提高了大坝分析计算水平，加快了设计进度，保障了大坝设计的安全可靠性；高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技术的综合发展，对加速土石坝的建设和发展也起了重要促进作用。2025/7/2214工作特点：坝基与坝身是透水的。上下游水位对土石坝边坡的影响。波浪、冰层能冲刷和破坏坝坡，上下游水位升降对坝坡稳定有不利影响。大气降水与温度对坝体的影响。大气降水使坝面土石流失，冬季结冰使土料膨胀，融化时形成孔穴及裂缝，夏季炎热坝坡干燥出现裂缝坝基及坝身沉降。一般施工质量好的土石坝沉陷量为坝高的0.2～0.4%，1～2m，不均匀沉降要产生裂缝，均匀沉降影响坝高。三、土石坝工作特点2025/7/2215渗透水流的表面——浸润面浸润面与垂直面的交线——浸润线饱和区：土体受上浮力和渗透水压力，在荷载作用下可能滑动倒塌 受动水压力作用，造成下游坡滑动 动水压力产生渗透变形（物理，化学） 冻融情况下对稳定不利 渗漏造成水量损失湿区：毛细水，处于变化中干区：干燥，可能出现裂缝影响浸润线位置的因素：（浸润线越高越不利）上下游水位防渗设备位置坝体内的排水设备位置2025/7/2216岩石地基：具有足够的强度（一般都能满足，但对页岩与粘土岩应做软基处理）岩石的整体性，避免断层，不能有大裂隙无造成滑动的软弱夹层岩石具有足够的抗水性，岩石浸水后不致溶解和软化石灰岩、石膏土基：有足够的地基承载力，尤其对细砂、淤泥、软粘土均匀性好，压缩性不能过大，且能均匀变形无造成坝体滑动的软弱层有足够的抗水性，不被溶解或软化部分土体不能因渗透水压作用被冲刷或浮起四、地基基本要求2025/7/2217土石坝组成土石坝一般有四部分：坝身、防渗体、排水设备和护坡。坝身是土石坝的主体，坝的稳定主要靠它维持；防渗体的作用是降低浸润线，防止渗透破坏和减少渗透水量；排水设备的作用是安全地排除渗透水，增强下游坝坡的稳定性；护坡的作用是防止波浪、冰层、温度变化、雨水和水流等对坝坡的破坏。五、土石坝组成及设计要求2025/7/2218设计基本要求具有足够的断面维持坝坡的稳定。边坡稳定和坝基稳定是土石坝安全的基本保证。施工期、水库水位降落以及地震作用在坝坡的荷载和土石料的抗剪强度指标都将发生变化，应分别计算。设置良好的防渗和排水设施以控制渗流。土石坝挡水后，坝体内形成渗流，饱和区土石料承受上浮力，减轻了抵抗滑动的有效重量；浸水后土石料的抗剪强度降低；渗流力可对坝坡形成不良作用；渗流从坝坡、坝基或河岸逸出时可能引起管涌、流土等渗流破坏。设置防渗和排水设施可以控制渗流范围、改变渗流方向、减小渗流的逸出坡降以增加坝坡、坝基和河岸的抗滑和抗渗稳定，还有利于减小坝体和坝基的渗流量。2025/7/2219根据现场条件选择好土石料的种类、坝的结构以及各种土石料在坝体内的配置，选择好坝体各部分的填筑压实标准，达到技术经济合理性；具有足够的泄洪能力，坝顶在洪水位以上要有足够的安全超高，以防洪水漫顶，造成大坝失事。适当的构造措施，使坝运用可靠、耐久。在库水位变化范围内，上游坝面应有坚固的护坡，防止波浪冲击和淘刷。下游坝坡应能防止雨水的冲刷破坏作用。保护坝内粘性土料，防止夏季日晒、冬季冻胀等形成裂缝。对压缩性大的土料应采取工程措施减少沉降和不均匀沉降，避免裂缝的形成和发展。2025/7/2220206座土石坝事故原因分析破坏原因占总溃坝的%洪水漫顶30渗透破坏25沿管道渗漏13滑坡15护坡5其它7原因不明52025/7/2221分类：按坝高分：低坝、中坝和高坝。按施工方法分：碾压式土石坝；冲填式土石坝；水中填土坝和定向爆破堆石坝等。碾压式土石坝应用最广。碾压式土石坝按土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料种类分为：均质坝、土质防渗体分区坝（土质心墙坝、土质斜墙坝、多种土质坝）、非土质材料防渗体坝（人工材料心墙坝、人工材料面板坝）六、类型及坝型选择2025/7/2222低坝多采用均质坝2025/7/22232025/7/22242025/7/22252025/7/22262025/7/22272025/7/2228坝型的选择：高山峡谷覆盖层很厚，砼坝不经济，宜修土坝；高山峡谷覆盖层不厚，但基岩缓倾角裂隙，泥化夹层很多，宜修土坝；宽河谷小流量的坝址修土石坝有利；坝型选择与筑坝材料有关：黄土地区用水中填土东北地区多雨、冰冻，粘土施工不方便，适宜修薄心墙坝、薄斜墙坝，坝壳料采用砂卵石西南地区粘土压实难，采用薄心墙坝中南华南（湖北、广东）风化岩做坝壳料定向爆破可缩短施工道路，节省运输，节省劳力，节省碾压设备，但需大量炸药中等高度的坝采用水力冲填法高土坝，一般修心墙，斜墙不稳定。2025/7/2229一、设计要求、步骤二、坝顶高程三、坝顶宽度四、坝体坡度§2基本剖面2025/7/2230设计步骤：进行坝型比选拟定坝的各部分尺寸进行渗透、稳定、沉陷的校核计算细部构造设计，地基处理设计计算工程量，取最优方案一、土石坝设计要求、步骤

剖面设计包括：坝顶高程、坝顶宽度、坝体坡度以及防渗体和排水设备等，设计要求见第一节。2025/7/2231坝顶高程＝水库静水位加相应的超高，取下列中的最大值设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高坝顶高程是指沉陷稳定后的，竣工时的坝顶高程预留足够的沉陷超高。坝顶设防浪墙时，d为静水位到墙顶的高差。正常情况坝顶应高出静水位0.5m以上，非常情况不低于静水位。二、坝顶高程2025/7/2232调节性能

不完全年调节

千年一遇设计洪水位(m)

274

万年一遇校核洪水位(m)

275

正常高水位(m)

275

正常死水位(m)

230小浪底水利枢纽工程特性表

2025/7/2233坝顶超高：d=ha+e+A

式中ha为最大风浪爬高、e为最大风雍水面高（见第一章）、A安全加高（按建筑物级别确定）坝的级别1234、5设计1.51.00.70.5校核山区、丘陵区0.70.50.40.3平原、滨海区1.00.70.50.3安全加高2025/7/2234三、坝顶宽度

坝顶宽度按构造、施工、运行和抗震等因素综合确定。如无特殊要求，高坝可选用10～15m，中低坝选用5～10m，常取H/10。坝顶宽度必须考虑心墙和斜墙顶部以及反滤层的需求。寒冷地区还需有足够的宽度以保护粘性土料防渗体免受冻害。2025/7/2235四、坝体坡度

坝坡与坝型、坝高、筑坝材料、坝基性质以及施工方法有关，一般参照工程实践类比拟定，然后核算、修改确定。在满足稳定的前提下，尽可能陡以节约工程量。2025/7/2236常用坝坡：中低坝1：3

土质防渗体的心墙坝，下游坝壳为堆石时，坝坡为1：1.5～1：2.5，采用土料时1：2.0～1：3.5

斜墙坝下游坝坡可略陡，上游略缓面板坝：根据石料不同可选1：1.4～1：1.71：1.3～1：1.41：1.5～1：1.6

在变坡处设马道—拦截雨水，防止冲刷坝面，交通、检修、观测，增加稳定。上游除观测需要外，趋向不设马道，下游坝坡也不设或少设。在坝坡上设置斜马道效果良好，对坝面交通极为有利，设Z字形上坝公路，避免岸坡开挖道路。2025/7/2237上游坝坡比下游坝坡缓—上游坝坡长期处于饱和状态，水库水位也可能快速下降斜墙坝的上游坝坡比心墙坝缓—土质防渗体斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性控制，下游坝坡相反变坡与不变坡—粘性土料做成的坝坡沿高度分段，自上而下放缓（地震加速度分布系数在坝顶较大）均质坝放缓下游坝坡—透水性大，为维持渗流稳定；坝基和坝体土料沿坝轴线分布不一致时，分段采用不同坡率，坝坡缓慢过渡。2025/7/2238水布垭下游坝面2025/7/2239§3渗流分析一、概述二、水力学法

三、流网法四、渗透变形及防止措施2025/7/2240一、渗流分析概述分析目的：检验坝的初选形式与尺寸，确定渗流力以核算坝坡稳定进行防渗布置与土料配置，根据坝内的渗流参数与逸出坡降，检验土体的渗流稳定，防止发生管涌和流土，确定坝体及坝基中防渗体和排水设施。确定通过坝及两岸的渗流量并设计排水系统的容量2025/7/2241渗流计算内容：确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；确定坝体与坝基的渗流量；确定坝体出逸段与下游坝基表面的出逸坡降，以及不同土层间的渗透比降；确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；确定坝肩的等势线、渗流量或渗透比降。2025/7/2242渗流计算应包括以下水位组合情况：上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；上游设计洪水位与下游相应的水位；上游校核洪水位与下游相应的水位；库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。

渗流计算应考虑坝体和坝基渗透系数的各向异性。计算渗流量时宜采用土层渗透系数的大值平均值，计算水位降落时的浸润线宜采用小值平均值。对1、2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场各因素，其它可采用公式计算。岸边的绕坝渗流和高山峡谷的高土石坝应按叁维渗流用数值法计算。2025/7/2243

土石坝的渗流为无压渗流，有浸润面，可视为稳定层流，满足达西定律，简化为平面问题。水位急降时产生不稳定流，需考虑浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。达西定律：连续条件：二维渗流方程：分析法：流体力学法、水力学法、图解法和试验法，最常用的是水力学法和流网法（图解法）。2025/7/2244基本要点:

将坝内渗流分成若干段（即分段法），应用达西定律和杜平假定（假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等），建立各段的运动方程，根据水流连续性求解流速、流量和浸润线等。二、水力学法基本假定：土料均一，各向同性渗流属稳定流看作平面问题渗流看作层流渗流符合连续定律2025/7/2245平均流速：单宽流量：自上游面（x＝0，y=H1)至下游面（x=L,y=H2)积分得：积分（*），可得浸润线方程：（*）（△）2025/7/2246（一）不透水地基上均质土坝的渗流计算1、均质坝的渗流计算

20世纪20年代前苏联学者提出，以浸润线两端为分界线，将均质土坝分为3段：上游楔形体、中间段和下游楔形体，分别列出计算公式，再根据水流连续原理求解，称为“三段法”。2025/7/2247下游无排水用一个等效矩形体代替上游楔形体，把此矩形体与原三段法的中间段和而为一，成为第一段，下游楔形体为第二段。虚拟上游面为铅直的，距原坝坡与设计水位交点A的水平距离为ΔL

上式根据流体力学和电拟试验得到，式中m1为上游坝坡坡率；H1为坝前水深。2025/7/2248

通过第一段EOB’B’’的渗流量为：

第二段B’B’’N，可以下游水面为界，分为水上和水下两部分，应用达西定律，可得通过第二段的渗流量为：

根据水流连续条件q＝q1＝q2，联立以上两式，可求得a0和q。浸润线方程可以用（△）求得，求出后还应对浸润线进口进行修正：自A点引与坝坡AM正交的平滑曲线，曲线下端与计算所得的浸润线相切于A’。坝体为贴坡排水对坝身浸润线位置没有影响，计算方法与下游无排水相同。2025/7/2249②下游有褥垫排水

根据流体力学计算表面，浸润线可由一通过E并以排水起点为焦点的抛物线来表示。焦点处的高度为he，抛物线的原点在排水起点后he/2处，可得抛物线的公式为：2025/7/2250

抛物线通过E(x=0,y=H1),代入可得

代入流量公式，可得单宽流量：2025/7/2251下游棱体排水当下游无水时和褥垫式相同，下游有水时，可将下游水面以上部分按照无水情况处理。2025/7/2252（二）心墙坝的渗流计算心墙土料的渗透系数很小，比坝壳小10E4倍以上，可不考虑上游楔形体降落水头的作用。下游坝壳的浸润线也较平缓，水头主要在心墙部位损失。下游有排水时，可假定浸润线的出逸点为下游水位与堆石内坡的交点A。将心墙简化为等厚的矩形，δ＝（δ1+δ2)/2,则可求通过心墙段的单宽流量q1和心墙下游坝壳的单宽流量q2，联立求得心墙后浸润线高度h和q2025/7/2253（三）斜墙坝的渗流计算将斜墙简化为等厚的矩形，δ＝（δ1+δ2)/2,则可求通过斜墙的单宽流量q1和斜墙坝壳的单宽流量q2，联立求得h和q2025/7/2254（四）有限深透水地基土石坝的渗流计算1、均质坝的渗流计算均质坝透水地基深度为T，渗透系数为KT，坝体渗透系数为k，可将坝体和坝基分开计算。坝体部分按不透水地基计算。可假定坝体不透水，按下式计算坝基的渗流量：式中n为流线弯曲对渗径的影响，可查表。2025/7/22552、心墙坝的渗流计算透水地基上筑有混凝土防渗墙。渗流计算分防渗体段和墙后段两部分。通过防渗心墙和地基防渗墙的渗流量为：联立求得q和h。2025/7/22563、斜墙坝的渗流计算有截水墙的斜墙坝计算分为斜墙截水墙和墙后坝体及地基两部分，分布用平均厚度代替变厚的斜墙和截水墙。斜墙和截水墙的渗流量q1和斜墙、截水墙后的渗流量q2，联立可求得q和h。2025/7/2257公式计算时，可作如下简化：渗透系数相差5倍以内的相邻薄土层可视为一层，采用加权平均渗透系数；双层结构坝基，如下卧土层较厚，且渗透系数小于上覆土层渗透系数的1/100，可将下层视为相对不透水层；当透水层坝基深度大于建筑物不透水层底部长度的1.5倍以上时，可按无限深透水层情况估算。2025/7/2258三、流网法

复杂剖面和边界条件，用计算方法求解土石坝浸润线比较困难，且不准确。流网法可求出渗流区任一点的渗透压力、坡降、流速及渗流量。流网的概念：渗流场：渗流运动的水质点所充满的空间．流线：水质点运动的轨迹．等势线：渗流场中势能相等的各点连线流网：流线与等势线组成的网格2025/7/2259流网的画法：

浸润线和不透水地基的表面都是流线；上下游水下边坡都是等势线；下游边坡出逸点至下游水位既是等势线又是流线。出逸段和浸润线上各点压力均为大气压力。根据经验初拟浸润线位置及出逸点，然后将上、下游落差等分，等分的水平线与浸润线的交点即为等势线与浸润线的交点，由交点绘制与等势线，一端垂直浸润线，一端垂直于地基表面，然后绘制流线，反复修正。2025/7/22602025/7/22612025/7/2262四、渗透变形及防止措施1、渗透变形：定义：土石坝及地基中的渗流，由于物理和化学作用，土体颗粒流失，导致土壤发生局部破坏，称为渗透变形。渗透变形及其发展过程与土料性质、颗粒级配及水流条件、防渗、排水措施等因素有关。2、常见渗透变形的型式：管涌、流土、接触冲刷、剥离、化学管涌等。管涌：在一定渗流作用下，土体中的细颗粒沿骨架颗粒所形成的孔隙管道移动或被渗流带走，发生于无粘性土中（沙砾料）。2025/7/2263流土：指在渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象。流土常见于下游逸出处。接触冲刷：渗流沿着两种不同介质的接触面流动时，把其中颗粒层的细粒带走。接触流土：渗流垂直于两种不同介质的接触面流动时，把其中一层的细粒，移入到另一层中去。例如反滤层的淤塞。化学管涌：指土体中的盐类被渗流水溶解带走的现象。2025/7/2264渗透变形的判别：

1、用土料的不均匀系数η；

2、用土体的孔隙直径与填料粒径之比；

3、用土体的细粒含量来判别。2025/7/22652025/7/22663、渗透变形破坏标准及防止措施土体在渗流作用下是否发生渗透破坏，主要取决于土体本身的抗渗强度。通常用临界坡降作为判定标准。

临界坡降指土体中的细粒随着渗流的加剧，由静止转化为运动状态的坡降，可通过试验和计算确定。2025/7/2267

渗透稳定和渗透坡降及土的组成有关，增加抗渗稳定的工程措施：降低渗透坡降；增加渗流出口处土体的抗渗能力。具体有：①增大渗径，降低渗透破坏或截阻渗流；②设排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗透压力。在可能发生管涌地段，需设反滤层，拦截细粒；可能发生流土地段，加设盖重。2025/7/2268§4稳定分析一、概述二、荷载及组合三、稳定分析方法四、提高稳定的工程措施2025/7/2269

土石坝在自重、水荷载、渗透压力和地震荷载作用下，若剖面尺寸不当或坝体、坝基土料的抗剪强度不足，坝体或坝体连同部分地基发生滑动，造成失稳。坝基内有软弱夹层时，也可能发生塑性流动。饱和细沙受地震作用还可能发生液化失稳。分析目的：分析坝体及坝基在各种不同条件下可能产生的失稳形式，校验其稳定性，确定坝体经济剖面。失稳特点：坝体由散粒材料组成，不会出现整体滑动或倾覆失稳，只可能发生局部失稳破坏。一、稳定分析概述2025/7/2270稳定破坏形式滑动：坝或坝基材料的抗剪强度不够，沿某一滑动面向下坍滑。液化：细砂或均匀砂料，地震、打桩振动、爆炸饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩，孔隙水不能立即排出，有效应力转化为孔隙应力，砂土抗剪强度降低，砂料随水的流动而流散。影响因素：有效粒径小，孔隙比大，砂料均匀，受力体大，受力猛，透水性小，易液化。美国福特派克坝380万立方米的砂体在10分钟内流失；铁路桥因火车振动而液化。塑性流动：坝体或坝基剪应力超过了土料抗剪强度，变形超过弹性极限值，坝坡或坝脚地基土被压出或隆起，坝体产生裂缝或沉陷。软粘土坝体容易发生。2025/7/2271滑动面形状1、曲面滑动面滑动面顶部陡而底部渐缓，曲面近似圆弧，多发生于粘性土中。2、折线滑动面多发生于非粘性土坡，如薄心墙坝、斜墙坝；折点一般在水面附近。3、复式滑动面厚心墙或粘土及非粘土构成的多种土质坝形成复式滑动面。当坝基内有软弱夹层时，滑动面不再向下深切，而沿夹层形成曲、直组合的复式滑动。2025/7/2272荷载:1、坝体自重

坝体内浸润线以上部分按湿容重计算，下游水位以上按饱和容重，下游水位以下部分按浮容重计算。湿容重：单位体积中土、水、空气的重量。饱和容重：水占满了土中的空隙，单位体积内水和土的重量。浮容重：土的有效重量，等于饱和容重-12、渗透压力：

动水压力方向与渗流方向相同，作用于单位土体上的渗流力可按下式计算：f=γj

式中γ为水的容重，j为渗透坡降渗透压力对边坡稳定不利二、荷载及荷载组合2025/7/22733、孔隙水压力土体可压缩，水是不可压缩的，且不能传递剪力。当土体孔隙饱和时，荷载由水来承担，孔隙受压排水后，土粒骨架开始承担（有效应力），孔隙水所承担的应力为孔隙应力（孔隙水应力），两者之和为总应力。土体中有孔隙水压力后，有效应力降低，对稳定不利。粘性土在以下情况会产生孔隙水压力：①施工期；②库水位降落；③地震时附加孔隙水压力。孔隙水压力随土料性质、填土含水量、填筑速度、坝内各点荷载和排水条件不同，随时间变化，随排水而变化。2025/7/2274荷载组合土石坝施工、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷载下，应分别计算其稳定性。控制稳定的有施工期（包括竣工时）、稳定渗流期、库水位降落期和正常运用遇地震四种工况，应计算的内容：施工期的上、下游坝坡；稳定渗流期的上、下游坝坡；水库水位降落期的上游坝坡；正常运用遇地震的上、下游坝坡。2025/7/2275

土石坝各种计算工况，土体的抗剪强度均应采用有效应力法计算：粘性土施工期同时采用总应力法计算：粘性土库水位降落期同时采用总应力计算：式中：τ为土体的抗剪强度2025/7/22762025/7/2277三、稳定分析

坝坡抗滑稳定计算应采用刚体极限平衡法。对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，宜采用计及条块间作用力的简化毕肖普法；对于有软弱夹层、薄斜墙、薄心墙坝的坝坡稳定分析及任何坝型，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿－普赖斯等分析。非均质坝体和坝基稳定安全系数的计算应考虑安全系数的多极值特性。滑动破坏面应在不同的土层进行分析比较，直到求得最小稳定安全系数。2025/7/22782025/7/22792025/7/2280四、提高稳定的工程措施

如果稳定复核后安全系数不满足设计要求，可在设计中放缓坝坡或提高土石料的填筑标准以增加坝体稳定性。对已建土石坝，可采用下列措施：坝脚加压重或放缓坝坡；加强防渗、导渗措施；加固地基2025/7/2281§5筑坝材料及填筑标准

一、概述二、土石料的选择

三、填筑标准2025/7/2282材料设计的要求

：选择合理的结构型式，对坝体材料进行适当配置，满足经济合理、安全可靠、便于施工。材料要求：具有或经加工后具有与使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性；就地、就近取材，减少弃料（环境污染），少占或不占农田，并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用；便于开采、运输和压实近20年来土石坝建设的突出进步之一就是筑坝材料应用范围越来越广。风化料、软岩、砾石土等也可用于筑坝。对不符合要求的材料进行处理后也可采用。一、概述2025/7/2283二、土石料的选择

1、均质坝对土料的要求具有一定的抗渗性和强度。粘粒含量、塑性指数、有机质、可溶盐含量2、防渗土料要求：防渗性、抗剪强度、压缩性、抗渗稳定性、含水量、颗粒级配、膨胀量及体压缩量、可溶盐、有机质含量渗透系数：均质坝≤1e-4cm/s，心墙和斜墙≤1e-5cm/s。水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐，按质量计）≤3%有机质含量：均质坝≤5%，心墙和斜墙≤2%，超出需论证；有较好的塑性和渗透稳定性；浸水与失水时体积变化小我国主要采用粘土、壤土等细粒土。缺点：天然含水量高，雨天难施工，造价高，压缩性大，降低心墙抗水力劈裂能力2025/7/2284

以下粘土不宜作为防渗体填筑料，必须采用时应采取适当措施：塑性指数＞20和液限＞40%的冲积粘土；膨胀土。吸水膨胀，失水收缩。开挖、压实困难的干硬粘土；冻土；分散性粘土。土粒间斥力大于引力，遇低盐水会脱落随渗水流走。经处理后开用于填筑3级低坝。2025/7/22853、坝壳料要求：具有比较高的强度。水下部分要求具有良好的排水能力。4、反滤料、过渡料、排水料要求：质地致密，抗水性和抗风化性能满足工程运用条件；具有要求的级配；具有要求的透水性；反滤料和排水体料中粒径＜0.075mm的颗粒含量≤5%。2025/7/2286三、填筑标准

填筑标准是指土料的压实程度。根据施工条件、材料情况，通过试验，合理确定填筑标准，达到安全经济目的。综合考虑以下因素：坝的级别、高度、坝型和坝的不同部位；土石料的压实特性和采用的压实机具；坝料的填筑干密度和含水率与力学性质的关系，以及设计对土石料力学性质的要求；土料的天然干密度、天然含水率，以及土料进行干燥或湿润处理的程度；当地气候条件对施工的影响；设计地震烈度及其它动荷载作用；坝基土的强度和压缩性；不同填筑标准对造价和施工难易度的影响。2025/7/2287压实系数＝设计干容重/最大干容重粘土：干容重、含水量与压实功能关系密切。最优含水量：在一定压实功能下达到最佳压实效果的含水量。非粘性土：压实程度与含水量关系不大，主要与粒径级配和压实作用力性质与压实功能有关。相对紧密度式中Dr－相对紧密度e－设计孔隙比emax－最大孔隙比emin－最小孔隙比。2025/7/2288§6构造设计一、概述二、防渗体

三、排水四、反滤层五、护坡六、坝顶七、土工合成材料2025/7/2289土石坝设计步骤：

初拟剖面→渗流计算→稳定计算→材料设计→构造设计→地基处理构造设计目的：保障坝的安全和正常运行构造设计内容：

防渗体、排水设备、护坡、坝顶一、概述2025/7/2290

作用：降低浸润线，保证下游坡稳定；降低渗流量，防止渗透变形。

类型：按防渗体材料性质分：塑性材料（粘土、沥青）和刚性材料（混凝土）；按位置分：斜墙、心墙。二、防渗体2025/7/22912025/7/22921、土质防渗体：心墙、斜墙土质防渗体断面满足渗透比降、下游浸润线和渗流量以及施工、结构稳定要求，自上而下逐渐加厚，顶部水平宽度≥3m，底部厚度，斜墙不小于水头的1/5，心墙不宜小于水头的1/4。防渗体顶部要高出正常水位，超高斜0.8～0.6m,心0.6～0.3m。非常运用条件下，防渗体顶部不低于非常运用条件的静水位。有防浪墙时不低于正常水位。防渗体顶部预留竣工后沉降超高。土质防渗体顶部和土质斜墙上游应设保护层。保护层厚度（包括上游护坡垫层）应不小于该地的冻结和干燥深度。心墙、斜墙与坝壳和截水槽与坝基透水层之间，以及下游渗流逸出处，都必须设置反滤层。2025/7/22932、沥青混凝土防渗墙优点：防渗好，K=10-7～10-10cm/s；塑性好，适应变形；厚度小；受气候影响小。要求：强度、热稳定性、和易性、柔性、水稳定性沥青斜墙： 沥青不漏水，不需设排水；一层即可；斜墙与基础连接要适应变形，柔性结构。沥青心墙受外界温度影响小，结构简单，修补困难；厚度H/30，顶厚30～40cm；上游侧设粘性土过渡层，沥青墙坏了可补救；下游侧设排水。2025/7/22942025/7/2295沥青心墙与沥青斜墙比较：优点：不受气候影响，可以采用渣油；施工简单；与坝基连接易；抗振性好；沉陷不容易开裂；与坝体同时施工，早期可蓄水。缺点：厚度大；与坝体同时施工影响进度；检查维修困难。3、混凝土防渗体用于堆石坝、土石混合坝2025/7/2296三、排水作用：降低浸润线和孔隙压力，改变渗流方向，防止渗流出逸处产生渗透变形，保护坝坡土不产生冻胀破坏。 设计要求：能自由地向坝外排出全部渗透水；应按反滤要求设计；便于观测和检修常见的排水形式：1、棱体排水；2、贴坡排水；3、坝体内排水；4、综合排水，综合以上几种。2025/7/2297

形式选择依据：坝型、下游水位、坝基地质、气候、材料及施工条件。 设计要求：能自由地向坝外排出全部渗透水；应按反滤要求设计；便于观测和检修1、棱体排水结构：下游坡脚用块石堆成的棱体，顶宽1～2m，坝坡（内1：1～1：1.5、外1：1.5～1：2.0）优点：降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护下游不受尾水淘刷，增加稳定缺点：石料用量大，费用高，与坝体施工干扰，检修困难2025/7/22982025/7/22992、贴坡排水结构：在下游坝坡表面用一二层堆石或砌石加反滤层铺设成优点：构造简单、用料省，施工方便，易检修缺点：不能降低浸润线位置，受冰冻失效适用于中小型工程下游无水均质坝或浸润线较低的中等高度坝。3、褥垫排水结构：沿坝基面平铺的由块石组成的水平排水层、外包反滤层优点：缺点：对不均匀沉降适应性差，易断裂，难检修，下游水位高时降低浸润线效果不明显其它2025/7/221002025/7/22101四、反滤层

作用：滤土排水，防止水工建筑物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的接触冲刷。在下游侧具有承压水的土层，还可起压重作用。

位置：在土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间，以及渗流逸出处或进入排水处

要求：相邻层细粒不能穿过粗粒空隙D/d<7～20各层稳定，不能移动不能被细粒堵塞耐久稳定，不改变性质材料：粒径均匀，抗风化的砂、卵石、碎石等

过渡层：避免刚度相差较大的两种土料之间产生急剧的变形和应力反滤层可以起过渡层作用，但过渡层不能做反滤层。2025/7/22102反滤层类型：

(1)Ⅰ型反滤：其特点是反滤层位于被保护土层的下部，渗流方向主要由上向下，如褥垫排水；

(2)Ⅱ型反滤：其特点是反滤层位于被保护土层的上部，渗流方向主要由下向上，如减压沟的反滤层。

渗流方向近乎水平或倾斜向，反滤层近乎垂直或倾斜向的情况，属于过渡型，如贴坡反滤等，可归为Ⅰ型。2025/7/22103反滤层的设计内容

反滤层的设计可分为保护无粘性土和保护粘性土两大类，设计内容有：确定反滤层的类型；根据滤土准则，确定反滤层的级配或选择土工织物产品。并据以选择宜于作反滤层的天然料场或确定人工筛选的任务。对砂砾反滤料确定反滤层的厚度和层数；鉴定反滤料的透水性，对土工织物反滤层还应鉴定淤堵性；有纵向渗流时，鉴定沿反滤层和被保护土层接触面的冲刷稳定性2025/7/22104原因：上游坡面受波浪淘刷、顺坡水流冲刷、冰层和漂浮物等的危害作用；下游受雨水、大风、尾水波浪、冰层和水流作用以及动物、冻胀干裂。类型：砌石护坡（干砌）：单层厚0.3～0.35m，双层0.4～0.6m，垫层0.15～0.25m，自坝顶至最低水位以下1.5～2.0m

堆石护坡：厚0.5～0.9m，垫层0.4～0.5m，与砌石护坡相比，用石料多，省工，消浪好。其它：浆砌石、沥青混凝土、混凝土、钢筋混凝土等下游：碎石、砌石、草皮、表面排水沟、阶梯、马道五、护坡2025/7/221052025/7/22106六、坝顶

坝顶盖面材料应根据当地材料及坝顶用途确定，宜采用密实的沙砾石、碎石、单层砌石或沥青混凝土等柔性材料。坝顶面可向上、下游侧或下游侧放坡。坡度根据降雨强度，在2%～3%内选，并做好向下游的排水系统。坝顶上游侧宜设置防浪墙，墙顶高出坝顶1～1.2m，防浪墙必须与防渗体紧密结合。防浪墙应坚固不透水，结构尺寸根据稳定、强度计算确定，并设置伸缩缝，做好止水。地震区应核算防浪墙的动力稳定性。坝顶结构与布置应经济、实用，建筑艺术处理美观大方，与周围环境协调。坝顶还要设置相应的照明措施、栏杆等安全措施。2025/7/221071-浆砌石防浪墙；2-钢筋混凝土防浪墙；3-坝顶路面；4-沙砾坝壳；5-心墙；6-方柱；7-排水管；8-回填土坝顶路面和浆砌石防浪墙钢筋混凝土防浪墙2025/7/221082025/7/22109七、土工合成材料

以人工合成的聚合物为原料制成的土工织物和土工膜，分别代表透水材料和不透水合成材料。优点：重量轻、整体性好、产品规格化、强度高、耐高温、耐腐蚀、运输方便、施工简易土工织物：编织物、机织物、无纺织物及复合织物

土工膜：高分子聚合物、沥青土工膜2025/7/22110采用土工合成材料作反滤、排水设施的主要工程有：

1铁路、公路反滤、排水设施。

2挡墙后排水系统。

3岸墙后填土排水系统。

4隧洞、隧道衬砌后排水系统。

5土石坝过渡层；灰坝、尾矿坝反滤层。

6防渗铺盖下排气、排水系统。

7农田水利工程、减压井、农用井等外包体。

8地基处理塑料排水带预压工程。2025/7/22111采用土工合成材料防渗的主要工程有：

1土石坝、堆石坝、砌石坝和碾压混凝土坝。

2堤、坝前水平防渗铺盖，地基垂直防渗层。

3尾矿坝、污水库坝身及库区。

4施工围堰。

5渠道、蓄液池（坑、塘）。

6废料场。

7地铁、地下室和隧道、隧洞防渗衬砌。

8路基。

9路基及其它地基盐渍化防治。

10膨胀土和湿陷性黄土的防水层。

11屋面防漏。2025/7/22112采用土工合成材料进行防护的主要工程有：

1江、河、湖、海和渠道、储液池护坡、护底。

2水下结构基础防冲。

3道路边坡防冲。

4涵闸工程护底。

5泥石流和悬崖侧建筑物障墙防冲。

6应急防汛措施。

7沙漠地区砂篱滞砂和固砂。

8军工弹药库防爆。

9严寒地区防冻措施。

10道路防止盐渍化措施。

11边坡土钉加固等。2025/7/221132025/7/221142025/7/22115§7地基处理一、概述二、坝基防渗措施

三、加强地基承载力措施四、与坝基、岸坡及其它建筑物的连接五、土石坝裂缝控制2025/7/22116

土石坝底面积大，坝基应力较小，坝身具有一定适应变形的能力，坝身断面分区和材料的选择也具有灵活性，所以，对天然坝基的要求低于混凝土坝。对坝基处理的要求也不能放松。据统计，土石坝失事约有40%是由于坝基问题引起的。坝基处理的范围包括河床和两岸岸坡。处理的主要要求是：1、控制渗流，减少渗流坡降，避免管涌等有害的渗流变形，控制渗流量；2、保持坝体和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形，不发生明显的均匀沉降，竣工后，坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝高的1%；3、在保证坝安全运行的条件下节省投资。一、概述2025/7/22117对地基的一般要求：有足够的抗剪强度有足够的承载能力透水性小常见的土石坝地基：山区：岩基或浅覆盖层砂卵石强透水地基平原：细砂或有淤泥地基粘土或黄土地基可能出现的技术问题：渗漏问题承载能力低振动液化问题2025/7/22118地基处理主要解决的问题：岩石地基 解决接触面上的集中渗流 岩石裂缝严重时需灌浆 承载能力无问题，需清除表面腐殖土非岩石地基 粘土地基：渗流、强度 砂砾石地基：渗流问题 细砂、淤泥、黄土地基：承载能力问题与岸坡、地基及其它建筑物的连接2025/7/221191、截水槽：截断渗流粘土截水槽：最简单、最普通的措施混凝土截水槽泥浆截水槽2、混凝土防渗墙3、灌浆帷幕水泥灌浆粘土灌浆沥青灌浆化学灌浆4、板桩5、防渗铺盖：延长渗径6、其他二、坝基防渗工程措施2025/7/22120混凝土防渗墙2025/7/22121三、加强地基承载力的工程措施1、换砂法 提高强度、维持坝和坝基稳定，改善排水，加快固结2、压重法 在土坝上下游坡脚处，填筑石料压重，借以增加坝基稳定性 缺点：增加压重后会增大坝基沉陷3、砂井法在坝基中钻孔，然后在孔中填入沙砾，在地基中形成砂桩，提高坝基承载力。4、预压加固法5、控制填土速率6、抽水加固法7、填土挤淤法8、爆炸加固松砂法2025/7/22122四、与坝基、岸坡及其它建筑物的连接1、与坝基地基与坝体土质相近，清基后直接填土地基与坝体土质不同，在结合面做槽与基岩连接时，设混凝土齿墙2、与岸坡岸坡存在的问题：渗透性大，容易出现集中渗流；稳定性差，容易出现滑动和裂缝。处理办法：缓坡连接，不宜陡坡或台阶形，以防裂缝坝体与岸坡连接要紧密，家宽心墙或斜墙以延长渗径，岸坡岩石灌浆防止绕渗2025/7/221233、与其它建筑物设置原因：在连接处，由于土坝沉降过大，容易造成土坝裂缝，结合处容易出现集中渗流土坝与混凝土建筑物结合类型：翼墙式：使混凝土与土坝翼墙相连接插入式：混凝土插入土坝坝身中特点：结构简单，安全可靠，造价低，高坝用得多翼墙的常用形式：围墙式围墙—翼墙式上下翼墙式注意：在翼墙背面设齿墙，延长渗径翼墙背面坡度>0.1，使土体与翼墙结合良好2025/7/22124裂缝的类型和成因 纵缝：走向与坝轴线平行，多数在坝顶和坝坡中部，心墙土料沉降速度慢，坝壳沉降速度快。 横缝：走向与坝轴线垂直，多发身在两岸坝肩。 内部裂缝：水平，主要由于不均匀沉降造成。裂缝防治措施 改善坝体结构或平面布置 重视坝基处理 适当选用坝身土料 采用合适的施工措施和运行方式裂缝处理对表面裂缝，砂土回填，粘土封填对深部裂缝，灌浆处理对严重的裂缝，混凝土防渗墙五、土石坝裂缝控制2025/7/221252025/7/22126§8面板堆石坝一、概述二、坝体结构

三、构造设计四、材料分区五、研究问题2025/7/22127定义：

用堆石或砂砾石分层碾压填筑成坝体，用混凝土面板作防渗体的坝，简称“面板堆石坝”或“面板坝”。一、概述发展过程：19世纪及20世纪早期为抛填堆石坝阶段；美国采矿、淘金抛石填筑、高压水枪冲实沉降大面板难以承受大变形1940年后的20年内，抛填堆石坝向碾压堆石坝发展，出现了土质心墙堆石坝、斜墙堆石坝；太沙基薄层碾压1965年后，碾压堆石坝。2025/7/22128西北口面板堆石坝，坝高95m2025/7/22129江西东津88.5m2025/7/22130兴山古洞口118m2025/7/22131面板堆石坝的优点：抗滑稳定性好。水荷载→面板→坝体，整个堆石坝重量及面板上部分水重抵抗水压；分层碾压的堆石密实度高，抗剪强度大。坝坡1：1.3或1：1.4，对应坡角37.6°或35.5°，接近松散抛填堆石的自然休止角，大大低于碾压堆石的内摩擦角（大于45°），大多数堆石坝不做稳定分析。坝坡陡，断面小，枢纽布置紧凑。透水性好，抗震性能强。排水性好，处于无水状态，地震时不会产生孔隙水压力，不会液化或坝坡失稳。施工导流方便，坝体可过水。施工受雨季影响小，可分期施工。2025/7/22132振动碾2025/7/22133坝面碾压2025/7/22134二、坝体结构混凝土面板堆石坝主要由堆石体和防渗系统组成。2025/7/22135名称位置作用要求垫层区面板下方平整面板，避免应力集中；减少水荷载引起的变形；辅助防渗粒径不能太大，有较多细料；良好级配过渡区垫层区和主堆石区之间保护垫层并起过渡作用级配连续，最大粒径≤300mm，低压缩性和高抗剪强度，自由排水性能

主堆石区坝体上游是承受水荷载的主要支撑体低压缩性、高抗剪强度、较好的透水性和耐久性。硬岩堆石料或砂砾料

次堆石区坝体下游与主堆石区共同保持坝体稳定，其变形对面板影响轻微软岩堆石料1、堆石体由垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区组成2025/7/221362、防渗系统由钢筋砼面板、趾板、趾板地基的灌浆帷幕、周边缝和面板间的接缝止水组成。a、面板

位于堆石坝体上游面起防渗作用的混凝土结构。应根据坝体变形及施工条件进行面板分缝分块。垂直缝的间距可为12～18m。

在两坝肩附近的面板应设张性垂直缝（A缝），其余部分的面板设压性垂直缝（B缝）。张性垂直缝的数量可根据地形地质条件参照工程经验或有限元计算确定。两岸垂直缝在距周边缝法线方向约0.6～1.0m范围内，应垂直于周边缝布置成折线形式。2025/7/221372025/7/22138

面板水平施工缝的设置宜考虑施工条件，满足临时挡水或分期蓄水的要求。继续浇筑混凝土之前，施工缝的缝面应经凿毛处理，清理干净，缝面用水湿润，铺一薄层高强度砂浆。面板钢筋应穿过缝面。

分期浇筑的面板，其施工缝应低于填筑体顶部高程，高差宜大于5m。如发现已浇筑面板与垫层间有脱空现象，应以低标号、低压缩性砂浆等灌注密实后再浇筑面板混凝土，保证其良好结合。2025/7/22139面板厚度的确定应满足下列要求：便于布置钢筋和止水，其相应最小厚度为0.30m；控制渗透水力梯度不超过200；在达到上述要求的前提下，应选用较薄的面板厚度，以提高面板柔性，降低造价。

面板的顶部厚度宜取0.30m，并向底部逐渐增加，在相应高度处的厚度：

t＝0.30十(0.002～0.0035)H式中t——面板厚度，m；

H——计算断面至面板顶部的垂直距离，m。中低坝可采用0.3～0.4m等厚面板。2025/7/22140b、趾板：连接地基防渗体与面板的混凝土板。保证面板与河床及岸坡间的不透水连接，同时是基础帷幕的盖板和滑模施工的起始工作面。岩基上趾板厚度可小于与其连接的面板厚度，最小设计厚度应不小于0.3m。高坝底部趾板厚度应不小于0.5m，可按高程分段采用不同厚度。

趾板下游面垂直于面板底面的高度应不小于0.9m。趾板一般可不作稳定分析。厚度超过2m时，需进行稳定和应力分析。趾板稳定分析用刚体极限平衡法。计算中不计趾板锚筋作用及面板与趾板之间的传力。堆石压力只能考虑堆石的主动压力，或考虑面板下的堆石在面板承受水库压力后产生的侧向压力。2025/7/22141c、接缝止水周边缝应设置止水。底部止水铜片应选为最基本的防渗线，中部Pvc或橡胶止水片及顶部止水视情况选用。顶部止水系统一般由柔性填料、粉细砂(或粉煤灰)等材料构成，可以是其中的一种止水材料，也可以是柔性填料和无粘性材料两种止水材料。低坝和50m以下中坝可以只采用一道底部止水。中坝及100m以下高坝宜设置底、顶部两道止水。100m以上的高坝宜选用底、顶部两道止水，或底、中、顶部三道止水。

不同坝高的压性垂直缝均应采用硬平缝结构，都只需采用一道底部止水。缝的一侧缝面应涂沥青乳液等防粘剂。止水铜片下应设置PVC垫片并粘合在水泥砂浆垫座上。止水铜片两侧底角应设置沥青止浆条。高坝张性垂直缝宜采用底、顶部两道止水，中、低坝可只采用一道底止水，其结构同压性缝。2025/7/22142

面板水平施工缝须用钢筋穿过，应不设止水。

趾板伸缩缝可采用铜片、PVC或橡胶片止水，并应与周边缝止水构成封闭系统。

防浪墙与面板的水平接缝，宜设置底、顶部两道止水。

中间与顶部止水均应与相接缝的底部止水连接形成封闭结构：周边缝PVC止水带宜用夹具与垂直缝处的底部止水连接；周边缝柔性止水可用柔性填料塞与垂直缝的底部止水连接。止水面膜宜粘结或压结，固定在面板上。

寒冷地区在水位变动区不应采用角钢、膨胀螺栓作为柔性填料面膜的止水固定件，宜采用粘结材料，以避免遭到冻胀的破坏而失去其固定作用。

混凝土防渗墙与连接板之间的接缝止水，应按周边缝止水设计。2025/7/221432025/7/221442025/7/221452025/7/22146三、构造设计1、防浪墙作用：挡水、防浪，减少堆石填筑方量，防浪墙延伸到两岸与坝头基岩连接，形成完整的防渗体系。面板坝坝体稳定性能好，坝体沉降量较小，采用高