課程課件第三章土石壩

第三章土石壩第三章土石壩1一、土石壩的發(fā)展概況

1.土石壩的定義利用壩址附近的土石料填筑（碾壓或夯實）而成的擋水建筑物。亦稱當?shù)夭牧蠅巍?/p>

2.土石壩的發(fā)展歷史久遠：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、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95%左右。但高土石壩不多：我國已建H＞100m，4座。國際上：古印度、古埃及等，也很早開始修建土壩。從世界壩工建設(shè)發(fā)展趨勢看，土石壩的比重逐年增大，高土石壩不斷涌現(xiàn)。第一節(jié)概述一、土石壩的發(fā)展概況第一節(jié)概述2安徽壽縣芍陂，淮河流域著名古陂塘灌溉工程

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（一說為戰(zhàn)國時楚子思所建），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。芍陂主要水源是淠河，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，現(xiàn)為淠史杭灌區(qū)的一個反調(diào)節(jié)水庫。第一節(jié)概述安徽壽縣芍陂，淮河流域著名古陂塘灌溉工程芍陂陂塘灌溉工程，3浙江省鄞縣它山堰

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。壩頂長42丈，用80塊條石板砌筑而成，壩體中空，用大木梁為支架。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。目前所見它山堰頂長134.4米，堰頂寬4.8米，堰身大部分埋在沙土下，已無引灌作用。1987年定為全國重點保護文物。第一節(jié)概述浙江省鄞縣它山堰它山堰是甬江支流鄞江上修建的御咸蓄淡引4它山堰它山堰5蘇州海塘錢塘江海塘

蘇州海塘錢塘江海塘6課程課件第三章土石壩7第一節(jié)概述

3.土石壩優(yōu)點：就地取材，節(jié)省大量水泥、鋼材和木材；適應地基變形能力較強，對地基要求比混凝土壩低；施工技術(shù)較簡單，工序少，便于組織機械化快速施工；結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，便于管理、維修、加高和擴建；第一節(jié)概述3.土石壩優(yōu)點：8

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。

—擬建黃河龍門土石壩，H=220m?！獢M建大渡河瀑布河電站，擋水土石壩H=195m。第一節(jié)概述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，9世界最高壩——羅貢壩

世界最高的土石壩，也是世界最高壩，工程于1975年開工，1989年完工，位于塔吉克國和國阿姆河支流瓦赫什河上。工程主要任務是灌溉與發(fā)電。最大壩高335米，壩頂長660米，壩頂寬20米，底寬1500米。壩體體積7550萬立方米。水庫庫容133億立方米。水電裝機360萬千瓦。世界最高壩——羅貢壩

世界最高的土石壩，也是世界最高壩，工程10埃及尼羅河上的大型水利工程——阿斯旺高壩

阿斯旺高壩位于開羅以南約700公里。工程于1961年開工，1970年竣工。大壩采用粘土心墻堆石壩，高111米，頂寬40米，底寬980米，壩頂長3830米。阿斯旺大壩在粘土心墻內(nèi)布置灌漿和廊道是大膽創(chuàng)新，廊道凈寬3．5米，高5米，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水庫總庫容為1689億立方米。樞紐建筑物包括大壩、引水工程和電站。電站裝機容量為210萬千瓦。阿斯旺水庫具有灌溉、水力發(fā)電和防洪等作用。埃及尼羅河上的大型水利工程11全球100米以上的高壩的比較建

成

時

期

高壩數(shù)量土石壩

重力壩

拱壩

壩數(shù)%壩數(shù)%壩數(shù)%1950年以前421331163813311951年~1960年712231213028391961年~1968年1104238242244401969年~1974年60345671219321975年~1980年88556214161922總計371166

82123全球100米以上的高壩的比較建成時期高12課程課件第三章土石壩13課程課件第三章土石壩14

密云水庫（土壩）密云水庫（土壩）15岳城水庫岳城水庫16小浪邸水庫小浪邸水庫17小浪邸水庫小浪邸水庫18小浪邸水庫小浪邸水庫19小浪底參數(shù)

小浪底參數(shù)204.土石壩也存在著一些缺點

壩頂一般不能溢流(低土石壩采取特殊結(jié)構(gòu)泄小流量者例外)，需在河岸上另開溢洪道或其他泄水建筑物；施工導流不如混凝土壩方便；對防滲要求高。壩體工程量大，當采用粘性土料填筑時受氣候條件的影響較大。4.土石壩也存在著一些缺點

壩頂一般不能溢流(低土石壩采取21二、土石壩的工作特點

（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，浸潤面和浸潤線的概念；（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，分為均勻沉降和非均勻沉降；（5）其他方面：冰凍、地震、動物筑窩等.第一節(jié)概述二、土石壩的工作特點（1）穩(wěn)定方面：不會沿壩基面整體滑動，22三、土石壩設(shè)計的基本要求

1.具有足夠的斷面維持壩坡的穩(wěn)定。2.設(shè)置良好的防滲和排水設(shè)施以控制滲流。3.根據(jù)現(xiàn)場條件選擇好筑壩土石料的種類、壩的結(jié)構(gòu)形式以及各種土石料在壩體內(nèi)的配置。還應根據(jù)土石料的物理、力學性質(zhì)選擇好壩體各部分的填筑壓實標準，達到技術(shù)經(jīng)濟上的合理性。4.泄洪建筑物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，造成壩的失事。5.采取適當?shù)臉?gòu)造措施，使壩運用可靠和耐久。三、土石壩設(shè)計的基本要求

1.具有足夠的斷面維持壩坡的穩(wěn)定。23四、土石壩的類型按壩高分類

●低壩：高度在30m以下●中壩：高度在30～70m之間●高壩：高度超過70m2.按施工方法分類●碾壓式土石壩：將土石料分層填筑碾壓而成的壩?！袼_填壩：借助水力完成土料的開采、運輸和填筑全部工序而建成的壩?！袼刑钔翂危哼@種壩施工時一般在填土面內(nèi)修筑圍埂分成畦格，在畦格內(nèi)灌水并分層填土，依靠土的自重和運輸工具壓實及排水固結(jié)而成的壩。

四、土石壩的類型按壩高分類2.按施工方法分類24●定向爆破堆石壩：利用定向爆破兩岸山體巖石拋向預定地點而形成的堆石壩。

3.按壩體材料和防滲體布置分類

碾壓式土石壩按筑壩材料和防滲體的位置可分為以下幾種壩型?！窬|(zhì)土壩：壩體基本上由一種透水性較弱的土料(如壤土、砂壤土等)填筑而成。壩體的整個剖面用以防滲并保持穩(wěn)定?！裥膲ν翂危阂酝杆孕〉姆罎B體布置在壩身中央，稱為心墻；而兩側(cè)以透水性較大的砂或砂礫料做壩殼，用以支撐心墻保持壩體穩(wěn)定。心墻常用粘性土構(gòu)成，稱為塑性心墻。也可用瀝青混凝土或鋼筋混凝土構(gòu)成，后者稱為剛性心墻?！穸ㄏ虮贫咽瘔危豪枚ㄏ虮苾砂渡襟w巖石拋向預定地點而形成25

(a)均質(zhì)壩；(b)粘土心墻土壩；(c)剛性心墻土壩；(d)粘土斜墻土壩。

(a)均質(zhì)壩；(b)粘土心墻土壩；26●斜墻土壩：防滲體位于壩的上游面，稱為斜墻；砂礫等透水性大的土料位于斜墻下游作支承體。斜墻常用粘性土料構(gòu)成，稱為塑性斜墻。也有用瀝青混凝土或鋼筋混凝土構(gòu)成的斜墻?！穸喾N土質(zhì)壩：壩體是由透水性不同的多種土料分區(qū)組成的壩。一般有兩種布置方式，一種是土料透水性由中間向兩側(cè)逐漸加大；另一種是透水性自上游向下游逐漸增大?！裢潦旌蠅危寒攭误w中土料和石料各占相當?shù)谋壤龝r，便構(gòu)成土石混合壩。主要有兩種形式，一是上游部分用土料，下游部分為堆石，；另一種是中央部分用粘性土料作防滲體，上下游部分為堆石體。當壩址附近有合宜的土石料時，選用土石混合壩是經(jīng)濟的?！裥眽ν翂危悍罎B體位于壩的上游面，稱為斜墻；砂礫等透水性27(e)、(f)多種土質(zhì)壩；(g)土石混合壩；(h)粘土斜心墻土石混合壩。

(e)、(f)多種土質(zhì)壩；28●心墻、斜墻堆石壩：以堆石料作為壩殼，以透水性小的土料或瀝青混凝土、鋼筋混凝土作為防滲體。防滲體位于壩體中央的稱為心墻堆石壩；防滲體設(shè)在上游面的稱為斜墻堆石壩。上游壩面以鋼筋混凝土防滲的也稱為鋼筋混凝土面板堆石壩?！镆陨蠋追N壩型，除均質(zhì)壩外，都是將弱透水材料布置在壩體的上游或中央，以達到防滲的目的。而將透水性較強且抗剪強度較高的材料布置在下游或兩側(cè)，以維持穩(wěn)定，也利于排水。雖然土石壩的形式在不斷發(fā)展和變化，但其材料布置總是離不開這個原則。●心墻、斜墻堆石壩：以堆石料作為壩殼，以透水性小的土料或瀝青29(i)粘土心墻堆石壩；(j)粘土斜墻堆石壩；(k)瀝青混凝土心墻堆石壩；(l)鋼筋混凝土面板堆石壩。(i)粘土心墻堆石壩；(j)粘土斜墻堆石壩；(k)瀝青304.壩型選擇影響壩型選擇的主要因素有：壩的高度、筑壩材料、壩址地形、地質(zhì)條件、施工條件、樞紐布置及運用要求等。壩型選擇應綜合分析這些因素，在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，通過技技術(shù)經(jīng)濟比較，選定最優(yōu)壩型。4.壩型選擇31

土石壩的剖面設(shè)計影響因素：1）壩址附近的土石料分布狀況（包括土石料的種類、性能、儲量、運距等）；2）壩址的地形地質(zhì)條件；3）運行要求和施工條件等；參照已建工程，初擬剖面的尺寸，然后計算和修正，使之成為安全、經(jīng)濟、合理的剖面。土石壩剖面包括壩頂高程、壩頂寬度和壩坡。第二節(jié)剖面尺寸

第二節(jié)土石壩的剖面尺寸與構(gòu)造

土石壩的剖面設(shè)計影響因素：第二節(jié)第二節(jié)土石壩的剖32

第二節(jié)土石壩的剖面尺寸與構(gòu)造一、壩體剖面尺寸（一）壩頂高程

1.壩頂在靜水位以上的超高y

y=R+e+A

式中：y——壩頂超高，m;R——最大波浪在壩坡上的爬高，m;e——最大風壅水面高度，m;A——安全加高，m。eos

(1)A值

查規(guī)范SL274-2001。(2)e值第二節(jié)土石壩的剖面尺寸與構(gòu)造一、壩體剖面尺寸（一）壩33

壩頂超高計算圖

e=KW2Dcos／2gHm壩頂超高計算圖e=34(3)R值●設(shè)計爬高值按建筑物的級別而定，對1、2、3級土石壩取累計頻率P=1%的爬高值R1%；對4、5級壩取累計頻率P=5%的R5%。●正向來波在單坡上的平均波浪爬高Rm●正向來波在帶有馬道的復坡上的平均波浪爬高Rm●當來波波向線與壩軸線的法線成夾角時，波浪爬高等于按正向來波計算爬高值乘以折減系數(shù)K2.壩頂高程

壩頂高程等于水庫靜水位與超高之和，應按以下條件計算，取其中最大值。(3)R值2.壩頂高程35(1)設(shè)計洪水位+正常運用情況的壩頂超高；(2)正常蓄水位+正常運用情況的壩頂超高；(3)校核洪水位+非常運用情況的壩頂超高；(4)正常蓄水位+非常運用情況的壩頂超高+地震安全加高。3.壩頂設(shè)防浪墻時，超高值y是指靜水位與墻頂?shù)母卟?。但此時在正常運用情況下，壩頂應高出靜水位0.5m；在非常運用情況下，壩頂應不低于靜水位。4.壩頂高程是壩頂沉降穩(wěn)定后的數(shù)值，竣工時的壩頂高程還應有足夠的預留沉陷值。對施工質(zhì)量良好的土石壩，壩頂沉降值約為壩高的1%。(1)設(shè)計洪水位+正常運用情況的壩頂超高；3.壩頂設(shè)防浪墻時36

(二)壩頂寬度

壩頂寬度主要取決于交通需要、構(gòu)造要求和施工條件。有時還要考慮防汛搶險、防空、防震等特殊需要。當壩頂有公路或鐵路通過時，其寬度應按照有關(guān)的交通規(guī)定選取。按構(gòu)造和施工要求，壩高H在30～100m時，壩頂最小寬度可取H／10，并不小于5m(一般選用5～10m為宜)。壩高在100m以上時，壩頂最小寬度可取為H0.5。

壩頂寬度還必須滿足心墻或斜墻頂部及反濾過渡層布置厚度的要求，在寒冷地區(qū)同時需滿足防滲體保護層及防冰凍厚度的要求。(二)壩頂寬度37(三)壩面坡度

土石壩的壩面坡度取決于壩高、筑壩材料性質(zhì)、運用情況、地基條件、施工方法及壩型等因素。一般是參考已建成類似工程的經(jīng)驗擬定壩坡，再通過計算分析，逐步修改確定。在滿足穩(wěn)定要求的前提下，應盡可能使壩坡陡些，以減小壩體工程量。壩坡坡度選擇一般遵循以下規(guī)律：1.上游壩坡常比下游壩坡為緩。2.斜墻的上游壩坡一般較心墻壩為緩。而心墻壩，特別是厚心墻壩的下游壩坡，因其穩(wěn)定性受心墻土料特性的影響，一般較斜墻壩為緩。(三)壩面坡度383.上部坡陡，下部坡緩。4.由粉土、砂、輕壤土修建的均質(zhì)壩，透水性較大，為了保持滲流穩(wěn)定，一般要求適當放緩下游壩坡。5.當壩基或壩體土料沿壩軸線分布不一致時，應分段采用不同坡率，在各段間設(shè)過渡區(qū)，在壩坡緩慢變化。二、土石壩的構(gòu)造（一）、壩頂構(gòu)造

1.壩頂一般都做護面

2.壩頂上游側(cè)常設(shè)防浪墻

3.壩頂應做成向一側(cè)或兩側(cè)傾斜的橫向坡度，坡度宜采用2％一3％。

3.上部坡陡，下部坡緩。二、土石壩的構(gòu)造（一）、壩頂構(gòu)造39壩頂構(gòu)造1—心墻2—斜墻3—回填土4—路面壩頂構(gòu)造1—心墻2—斜墻3—回填土4—路面40(二)

土石壩的護坡與壩坡排水1.上游護坡

上游護坡的型式有：拋石、干砌石、漿砌石、混凝土或鋼筋混凝土、瀝青混凝土或水泥土等。

干砌石護坡（單位：m）1—干砌石；2—墊層；3—壩體(二)

土石壩的護坡與壩坡排水1.上游護坡干砌石護坡（41

混凝土板護坡（單位：m）（a）矩形板(b)六角形板

1-矩形混凝土板；2—六角形混凝土板，3—碎石或礫石；4—木檔柱；5—結(jié)合縫?；炷涟遄o坡（單位：m）（a）矩形板(b)六422.下游護坡

可采用干砌石、堆石、卵石、碎石、草皮、鋼筋混凝土框格填石或土工合成材料等。其護坡范圍從壩頂?shù)脚潘怏w，無排水棱體時應護至壩腳。3.壩面排水

為了防止雨水沖刷下游壩坡，常設(shè)縱橫向連通的排水溝。與岸坡的結(jié)合處，也應設(shè)置排水溝以攔截山坡上的雨水。壩面上的縱向排水溝沿馬道內(nèi)側(cè)布置，用漿砌石或混凝土板鋪設(shè)成矩形或梯形。若壩較短，縱向排水溝攔截的雨水可引至兩岸的排水溝排至下游。若壩較長，則應沿壩軸線方向每隔50～100m左右設(shè)一橫向排水溝，以便排除雨水。2.下游護坡3.壩面排水43

壩坡排水（單位：m）1-壩坡；2—馬道；3—縱向排水溝；4—橫向排水溝；5—岸坡排水溝；6—草皮護坡；7—漿徹石排水溝壩坡排水（單位：m）44(三)壩的防滲體1.設(shè)置防滲體的目的●減少滲流量●降低浸潤線●控制滲透坡降2.粘性土心墻

●心墻一般布置在壩體中部，有時稍偏上游并略為傾斜。●心墻頂部水平厚度一般不小于3m。●心墻底部厚度應根據(jù)土壤的允許滲透坡降［J］確定，一般不小于H／［J］，且不小于3m。［J］=4(壤土)～6(粘土)?！裥膲蓚?cè)邊坡多在1：0.15～1：0.3之間，厚心墻有達到l：0.4～1：0.5。

(三)壩的防滲體1.設(shè)置防滲體的目的2.粘性土心墻45粘土心墻壩(m)粘土心墻壩(m)46●心墻的頂部應高出設(shè)計洪水位0.3～0.6m，且不低于校核水位，當有可靠的防浪墻時，心墻頂部高程也不應低于設(shè)計洪水位?！裥膲斉c壩頂之間應設(shè)有保護層?！裥膲εc壩殼之間應設(shè)置過渡層?！裥膲εc地基和兩岸必須有可靠的連接。

心墻與地基的連接●心墻的頂部應高出設(shè)計洪水位0.3～0.6m，且不低于校核水473.粘性土斜心墻

●斜墻位于壩體上游面，其結(jié)構(gòu)尺寸的確定與粘性土心墻基本相同。●頂厚也不宜小于3m。為保證抗?jié)B穩(wěn)定，底厚不宜小于作用水頭的1／5?！駢攽叱鲈O(shè)計洪水位o．6～0．8m，且不低于校核水位。同樣，如有可靠的防浪墻，斜墻頂部也不應低于設(shè)計洪水位?！裥眽敳亢蜕嫌纹露急仨氃O(shè)保護層。●斜墻與保護層以及下游壩體之間，應根據(jù)需要分別設(shè)置過渡層?！裥眽氨Ｗo層的坡度取決于土壩穩(wěn)定計算的結(jié)果，一般內(nèi)坡不宜陡于1：2．0，外坡常在1：2．5以上

3.粘性土斜心墻48粘性土斜墻(m)粘性土斜墻(m)494.粘性土斜心墻●

斜心墻的位置介于心墻與斜墻之間，即心墻略向上游傾斜的防滲體?！裥毙膲κ菫榱丝朔绷⑿膲Ξa(chǎn)生拱效應和斜墻對變形敏感的缺點而發(fā)展起來的。它既保留了心墻壩有較的上游壩坡，又保持了斜墻壩下游坡較穩(wěn)定的好處，并可改善壩體的應力狀態(tài)和避免防滲體裂縫。●斜心墻的上游邊坡一般在1：o．4～1：1．0之間。

5.非土料防滲體

非土料防滲體有鋼筋混凝土、瀝青混凝土、木板、鋼板、漿砌塊石和塑料薄膜等，較常用的是瀝青混凝土和鋼筋混凝土。4.粘性土斜心墻5.非土料防滲體50粘土斜心墻土石壩(單位：m)粘土斜心墻土石壩(單位：m)51

無排水單層瀝青混凝土斜墻壩(單位：cm)l一密實的瀝青混凝土防滲層；2一整平層；3一碎石墊層無排水單層瀝青混凝土斜墻壩(單位：cm)52

西北口混凝土面板堆石壩西北口混凝土面板堆石壩53(四)壩體排水設(shè)備1.土石壩壩體排水的主要目的

是有計劃地將滲入壩內(nèi)的水排至下游，降低浸潤線位置，避免滲流直接從下游壩坡逸出，使下游壩體大部分土料處于較干燥狀態(tài)，以增加壩坡的穩(wěn)定性；防止土壤的滲透變形和凍脹破壞等。

2.壩體排水布置的要求

排水設(shè)備應始終保持充分的排水能力；排水設(shè)備周圍的土壤不應產(chǎn)生滲透破壞。應在排水設(shè)備與壩體和土基的接觸面上設(shè)置反濾層；應便于檢查和維修。

3.排水設(shè)備的型式(四)壩體排水設(shè)備2.壩體排水布置的要求3.排水設(shè)備的54(1)貼坡排水貼坡排水l一浸潤線；2～厚度不小于O．4m塊石；3一O．1～O．2m卵石；4一O．1～O．2m砂墊層；5一下游最高水位。(1)貼坡排水貼坡排水55

●貼坡排水結(jié)構(gòu)簡單，用石料較少，且便于觀察和檢修，可防止?jié)B流逸出處的滲透破壞，保護下游壩坡免受尾水沖刷。但因未伸入壩體，不能降低浸潤線。

●僅適用于中小型工程且下游無水的均質(zhì)壩和浸潤線較低的心墻、斜墻壩。(2)堆石棱體排水●

棱體排水可以降低壩體浸潤線，防止壩坡凍脹和滲透變形，保護下游壩趾免受尾水淘刷，并可支撐壩體，增加下游壩坡的穩(wěn)定性。

●但石料用量較多，造價較高，棱體填筑與壩體施工可能有干擾。多用在較高的壩和石料比較豐富的地區(qū)?！褓N坡排水結(jié)構(gòu)簡單，用石料較少，且便于觀察和檢修，可56堆石排水棱體

l一浸潤線；2～堆石；3一反濾層；4一下游最高水位。堆石排水棱體57(3)褥墊式排水褥墊式排水l一浸潤線；2一中細砂反濾層厚O．2m；3一砂礫層厚O．5～1．Om；4一砌塊石；5一碎石。(3)褥墊式排水褥58

●

這種排水體能顯著降低壩體浸潤線，也有助于地基的排水固結(jié)，可避免冰凍。但對不均勻沉降的適應性差，如發(fā)生堵塞、斷裂則難以檢修?！襁m用于下游無水、壩體和壩基土壤的透水性較小。(4)混合式排水●在實際工程中，常根據(jù)具體情況采用將幾種排水型式組合在一起的混合式排水設(shè)備，以發(fā)揮各種排水設(shè)施的作用?！窭纾寒斚掠谓?jīng)常無水或只短時間內(nèi)有水的情況，可采用褥墊式排水與貼坡排水相結(jié)合；為了更有效地降低浸潤線也可采用褥墊式排水與棱體排水相結(jié)合；當下游經(jīng)常有水，但最高水位持續(xù)時間不長，為節(jié)省石料，可考慮在下游正常水位以下采用堆石棱體排水，以上采用貼坡排水。

●這種排水體能顯著降低壩體浸潤線，也有助于地基的排水59

混合式排水1－浸潤線；2－下游最高水位；3－下游正常水位?；旌鲜脚潘?0第三節(jié)土石壩的滲流分析一、概述在土石壩中，滲透水流對壩體、壩基的滲透破壞，危害性更大，因滲透破壞屬于隱蔽性破壞，常不易被發(fā)現(xiàn)。如發(fā)現(xiàn)和搶修不及時，將會導致難予補救的嚴重后果。1．滲流分析的主要任務土石壩剖面基本尺寸和防滲排水設(shè)施初步擬定后，必須進行滲流分析，并通過分析求得滲流場的水頭分布和滲透水力比降，為壩坡安全性和滲流穩(wěn)定性評判提供依據(jù)。滲流分析的主要任務是：第三節(jié)土石壩的滲流分析一、概述61第三節(jié)土石壩的滲流分析

1）確定浸潤線位置:

為壩坡穩(wěn)定計算和布置壩內(nèi)觀測管提供依據(jù)，根據(jù)浸潤線的高低，選擇排水設(shè)施型式和尺寸。

2）確定滲透比降（坡降）：

確定壩坡滲流逸出點和下游地基表面的滲透比降和不同土層的滲透比降，評判該處的滲透穩(wěn)定性，以便確定是否應采取有效的防滲反濾保護措施。

3）確定壩體與壩基的滲流量：估算水庫的滲漏損失，以便加強防滲措施，把滲流量控制在允許的范圍內(nèi)。第三節(jié)土石壩的滲流分析1）確定浸潤線位置:62●

流體力學法從滲流的基本微分方程(拉普拉斯方程)出發(fā)，引入特定問題的邊界條件，以求解滲流場內(nèi)任意點的滲透要素(滲透流速、滲透坡降和滲透力等)?！裰辉趲追N很簡單的邊界條件下才有精確的理論解，在邊界條件比較復雜的實際工程中難于應用?！裼捎谟嬎銠C的廣泛應用，使復雜邊界條件下微分方程的數(shù)值解法(差分法、有限單元法和邊界元法等)得到了發(fā)展，從而大大地擴展了流體力學法的應用。

二、滲流分析方法1.流體力學法●流體力學法從滲流的基本微分方程(拉普拉斯方程)出發(fā)，63第三節(jié)土石壩的滲流分析（2）水力學法這是近似的解析法，但必須基于以下基本假設(shè)：1）假設(shè)滲透系數(shù)K在同一或相近的土料中各向同性；2）假設(shè)壩體內(nèi)部滲流為層流，認為壩內(nèi)滲流符合達西定律；3）假設(shè)壩體內(nèi)部滲流為漸變流（杜平假定），認為滲流場中任意過水斷面各點的水平流速和比降都是相等的。這種方法不完全符合拉普拉斯方程，因而不能精確求出任一點的水力要素。但其所確定的浸潤線、平均流速、平均比降和滲流量，已能滿足（Ⅲ—Ⅴ級）土石壩工程的精度要求。第三節(jié)土石壩的滲流分析（2）水力學法64第三節(jié)土石壩的滲流分析

（3）流網(wǎng)法用手工繪制流網(wǎng)，利用流網(wǎng)求解平面滲流問題的水力要素，也可用來解決較復雜的邊界問題。

（4）試驗方法

試驗方法很多，最常用的是電模擬法，利用滲流場和電流場在數(shù)學上和物理上具有相似性，即都滿足拉普拉斯方程，從而用電流模擬滲流，用電壓模擬滲流水頭，便可求解滲流問題。第三節(jié)土石壩的滲流分析（3）流網(wǎng)法65

均質(zhì)壩的流網(wǎng)圖1—浸潤線；2一等勢線；3一流線均質(zhì)壩的流網(wǎng)圖66三、滲流分析的水力學法(一)基本假定1.壩體各部分土料是均質(zhì)的，壩體內(nèi)任一點在各方向的滲透系數(shù)為常數(shù)；2.滲透水流屬層流運動，符合達西定律，即滲透流速v=kJ(k為滲透系數(shù)，J為滲透坡降)；3.滲透水流為穩(wěn)定漸變流，任意過水斷面上各點的流速和水頭可認為是常數(shù)。(二)滲流計算的基本公式1.

不透水地基嚴格地講，絕對不透水地基是不存在的，但在土壩滲流計算中，對滲透系數(shù)小于壩體滲透系數(shù)100倍以上的地基，可近似認為是不透水地基。三、滲流分析的水力學法(一)基本假定(二)滲流計算的基本公式672.滲流計算時按平面問題處理，取單位壩長作為計算對象。

3.基本公式矩形區(qū)域滲流計算圖1212●達西定律：v=kJ●Dupuit假定：過水斷面各點J、v為常數(shù)J=-dy／dxq=vw=-kdy／dx·yqdx=-kydy經(jīng)積分得：

對任一斷面：q=k·(H12-y2)／2x浸潤線方程式：2qx=k·(H12-y2)Dupuit公式2.滲流計算時按平面問題處理，取單位壩長作為計算對象。368（三)不透水地基上土壩的滲流計算

1.均質(zhì)土壩的滲流計算(1)下游無排水設(shè)備情況

無排水設(shè)備的均質(zhì)壩的滲流計算圖（三)不透水地基上土壩的滲流計算1.均質(zhì)土壩的滲流計算69●將原來的三段滲流簡化成兩段

土壩剖面上游楔形體、中間段和下游楔形體三段上游梯形段AEOB"B′和下游三角形段B′B″N●計算上游梯形段的滲流量q1

●計算下游三角形段的滲流量q2

●根據(jù)水流連續(xù)條件，q1=q2=q，求出兩個未知數(shù)滲流量q和和逸出點高度α0

?！駥⒃瓉淼娜螡B流簡化成兩段土壩剖面上游楔形體、中間段70●浸潤線方程

●浸潤線修正上游壩面附近的浸潤線需作適當修正：自A點作與壩坡AM正交的平滑曲線，曲線下端與計算求得的浸潤線相切于Aˊ點。

●當下游無水時

當下游無水時，以上各式中的H2=0。(2)下游有排水設(shè)備情況

1)有貼坡排水情況

有貼坡排水時，因貼坡排水對壩體浸潤線位置沒有影響，所以計算方法與下游無排水情況相同。●浸潤線方程●浸潤線修正●當下游無水時(2)下游有排水712)有褥墊排水情況

設(shè)褥墊排水設(shè)備的均質(zhì)壩的滲流計算圖2)有褥墊排水情況設(shè)褥墊排水設(shè)備的均質(zhì)壩的滲72●柯臣尼結(jié)論浸潤線可由一以排水起點D為焦點的拋物線來表示。

●浸潤線方程

●壩身的單寬滲流量q

●柯臣尼結(jié)論●浸潤線方程●壩身的單寬滲流量q733)有棱體排水情況

●當下游無水時，按上述褥墊式排水情況計算。●當下游有水時，可將下游水面以上部分按照褥墊式下游無水情況處理。設(shè)棱體排水的滲流計算圖3)有棱體排水情況設(shè)棱體排水的滲流計算圖742.心墻土壩的滲流計算不透水地基上心墻土壩的滲流計算圖●將梯形心墻簡化成等厚的矩形

2.心墻土壩的滲流計算不透水地基上心墻土壩的滲流計算圖●75

●通過心墻的單寬滲流量q1

●通過下游壩殼的單寬滲流量q2

●浸潤線方程●根據(jù)水流連續(xù)條件，q1=q2=q，求出兩個未知數(shù)滲流量q和心墻后浸潤線高度h

?！裢ㄟ^心墻的單寬滲流量q1●通過下游壩殼的單寬滲流量q2763.斜墻土壩的滲流計算

不透水地基上斜墻土壩的滲流計算圖

●將變厚度的斜墻簡化成等厚的斜墻3.斜墻土壩的滲流計算不透水地基上斜墻土壩的滲流計算圖77●通過斜墻的單寬滲流量q1

●通過斜墻后壩殼的滲流量q2●根據(jù)水流連續(xù)條件，q1=q2=q，求出兩個未知數(shù)滲流量q和心墻后浸潤線高度h

?！窠櫨€方程●通過斜墻的單寬滲流量q1●通過斜墻后壩殼的滲流量q2●78(四)有限深透水地基上土石壩的滲流計算

1.有限深透水地基

當透水地基深度小于土壩不透水長度的1.5倍時，稱有限深透水地基。

2.計算方法

透水地基上土壩的滲流計算，一般采用壩體與壩基分開計算的方法。即先假定地基不透水，按上述方法確定壩體的滲流量q1和浸潤線(壩體浸潤線可不考慮壩基滲透的影響，仍用地基不透水情況下算出的結(jié)果)；然后再假定壩體不透水，計算壩基的滲流量q2；最后將q1和q2相加，即可近似地得到壩體壩基的滲流量。(四)有限深透水地基上土石壩的滲流計算1.有限深透水地基79(五)總滲流量計算

總滲流量計算

1.將土石壩沿壩軸線分為若干段，然后分別計算選取斷面的單寬滲流量。2.全壩的總滲流量Q計算

(五)總滲流量計算總滲流量計算1.將土石壩沿壩80第三節(jié)土石壩的滲流分析四、土石壩的滲透變形及其防止措施土石壩在滲流的作用下可能發(fā)生滲透變形，造成壩腳產(chǎn)生滲透破壞，甚至會導致工程失事。1．滲透變形的型式土體滲透變形的型式通?？蓺w納為管涌、流土、接觸沖刷與接觸流失等四種類型。（1）管涌管涌是在滲流作用下，無粘性土中的細小顆粒從骨架孔隙中連續(xù)移動和流失的現(xiàn)象。（2）流土流土是在滲流作用下，土體從壩基表面隆起、頂穿或粗細顆粒同時浮起而流失的現(xiàn)象。第三節(jié)土石壩的滲流分析四、土石壩的滲透變形及其防止措施1．81

●據(jù)1998年長江防洪搶險的統(tǒng)計資料，由滲透變形造成的險情約占險情總數(shù)的70%。

土壩的滲流破壞

●據(jù)1998年長江防洪搶險的統(tǒng)計資料，由滲透變形造成的險情82第三節(jié)土石壩的滲流分析（3）接觸沖刷接觸沖刷是當滲流沿兩種不同的土層接觸面流動時，沿層面夾帶細小顆粒流失的現(xiàn)象，一般發(fā)生在兩層級配不同的非粘性土中。（4）接觸流失接觸流失是滲流沿層次分明、滲流系數(shù)相差懸殊的兩相鄰土層的垂直面流動中，將滲透系數(shù)較小土層中的細小顆粒帶入滲透系數(shù)較大土層中的現(xiàn)象。第三節(jié)土石壩的滲流分析（3）接觸沖刷832.滲透變形的危害●滲流變形可在小范圍內(nèi)發(fā)生，也可發(fā)展至大范圍，導致壩體沉降、壩坡塌陷或形成集中的滲流通道等，危及壩的安全?！裢翂纹茐牡氖吕校?5%是由于滲流變形造成的。2.滲透變形的危害●滲流變形可在小范圍內(nèi)發(fā)生，也可發(fā)展至大范84(二)滲透變形的判別

1.根據(jù)顆粒級配判別

此法以土壤不均勻系數(shù)η(η=d60／d10)作為判別依據(jù)。

●η<10的土壤易產(chǎn)生流土；●η>20的壤土易產(chǎn)生管涌；●10<η<20時，可以是流土或管涌。

此法簡單方便，但土的滲透變形不只是取決于不均勻系數(shù)，因此準確性較差。

2.根據(jù)細顆粒含量判別

此法以土體中的細粒含量(粒徑d小于2mm)Pg作為判別依據(jù)。

(二)滲透變形的判別1.根據(jù)顆粒級配判別2.根據(jù)85第三節(jié)土石壩的滲流分析（2）管涌和流土的判別方法粘性土不會產(chǎn)生管涌，無需判別，對于無粘性土，管涌與流土應根據(jù)土的細小顆粒含量按公式（5-28）判別：管涌＜流土≥對于不均勻系數(shù)大于5的不連續(xù)級配土也可采用式（5-29）判別：管涌Pc＜25%流土Pc≥35%中間為過渡型。

第三節(jié)土石壩的滲流分析（2）管涌和流土的判別方法86第三節(jié)土石壩的滲流分析2．滲透變形計算（1）產(chǎn)生管涌和流土的臨界比降計算：1）管涌的臨界水力比降計算：管涌臨界水力比降的理論研究至今尚不成熟，對于中、小型工程，當滲流自下而上時，非粘性土發(fā)生管涌的臨界水力比降可參照下式計算：或2）流土的臨界水力比降計算：第三節(jié)土石壩的滲流分析2．滲透變形計算87第三節(jié)土石壩的滲流分析3．防止?jié)B透變形的工程措施（1）設(shè)置垂直或水平防滲設(shè)施：

攔截滲透水流，延長滲徑，消剎水頭，達到降低滲透比降的目的。（2）設(shè)置排水設(shè)施垂直和水平：減壓井、排水渠、貼坡、棱體排水（3）蓋重壓滲措施（4）設(shè)置反濾層反濾層是提高壩體抗?jié)B破壞能力、防止各種滲透變形特別是防止管涌的有效措施。在防滲體滲流出口處，如不符合反濾要求，必須設(shè)置反濾層。第三節(jié)土石壩的滲流分析3．防止?jié)B透變形的工程措施88

(2)反濾層設(shè)置部位在排水體與壩體之間及排水體與地基之間容易發(fā)生滲透變形，必須設(shè)置反濾層；在土質(zhì)防滲體(包括土質(zhì)心墻、斜墻、截水槽等)與壩殼或透水壩基之間也應設(shè)置反濾層或過渡層。

(3)反濾層的設(shè)計要求●相鄰兩層中，粒徑較小一層的顆粒不得穿過粒徑較大一層的孔隙；●各層內(nèi)的顆粒不得發(fā)生移動；●被保護土層的顆粒不得穿過反濾層，但允許小于0.1mm的細小顆粒被滲流帶走，因為只要土壤骨架不被破壞，就不致發(fā)生滲透變形；(2)反濾層設(shè)置部位(3)反濾層的設(shè)計要求89●反濾層不能被堵塞，而且應具有足夠的透水性，以確保排水暢通；●應保證耐久、穩(wěn)定，在使用期間不會隨時間推移和環(huán)境影響而改變其性能。

反濾層1一碎石或卵石d=5～20mm；2一礫石d=l～5mm；3一砂d=0．25～1mm?！穹礊V層不能被堵塞，而且應具有足夠的透水性，以確保排水暢通；90

(4)反濾層的材料

采用比較均勻的、抗風化的砂、礫、卵石或碎石構(gòu)成反濾層。(5)反濾層的結(jié)構(gòu)(組成)

●一般由2～3層不同粒徑的砂礫料鋪填而成，層面與滲流方向近于垂直，沿滲流方向粒徑由小逐漸增大。

●反濾料每層厚度要大于該層中值粒徑(D50)的8倍；按照施工條件，每層厚度一般為15～30cm。(4)反濾層的材料(5)反濾層的結(jié)構(gòu)(組成)91第三章土石壩第三章土石壩92一、土石壩的發(fā)展概況

1.土石壩的定義利用壩址附近的土石料填筑（碾壓或夯實）而成的擋水建筑物。亦稱當?shù)夭牧蠅巍?/p>

2.土石壩的發(fā)展歷史久遠：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、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95%左右。但高土石壩不多：我國已建H＞100m，4座。國際上：古印度、古埃及等，也很早開始修建土壩。從世界壩工建設(shè)發(fā)展趨勢看，土石壩的比重逐年增大，高土石壩不斷涌現(xiàn)。第一節(jié)概述一、土石壩的發(fā)展概況第一節(jié)概述93安徽壽縣芍陂，淮河流域著名古陂塘灌溉工程

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（一說為戰(zhàn)國時楚子思所建），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。芍陂主要水源是淠河，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，現(xiàn)為淠史杭灌區(qū)的一個反調(diào)節(jié)水庫。第一節(jié)概述安徽壽縣芍陂，淮河流域著名古陂塘灌溉工程芍陂陂塘灌溉工程，94浙江省鄞縣它山堰

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。壩頂長42丈，用80塊條石板砌筑而成，壩體中空，用大木梁為支架。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。目前所見它山堰頂長134.4米，堰頂寬4.8米，堰身大部分埋在沙土下，已無引灌作用。1987年定為全國重點保護文物。第一節(jié)概述浙江省鄞縣它山堰它山堰是甬江支流鄞江上修建的御咸蓄淡引95它山堰它山堰96蘇州海塘錢塘江海塘

蘇州海塘錢塘江海塘97課程課件第三章土石壩98第一節(jié)概述

3.土石壩優(yōu)點：就地取材，節(jié)省大量水泥、鋼材和木材；適應地基變形能力較強，對地基要求比混凝土壩低；施工技術(shù)較簡單，工序少，便于組織機械化快速施工；結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，便于管理、維修、加高和擴建；第一節(jié)概述3.土石壩優(yōu)點：99

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。

—擬建黃河龍門土石壩，H=220m?！獢M建大渡河瀑布河電站，擋水土石壩H=195m。第一節(jié)概述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，100世界最高壩——羅貢壩

世界最高的土石壩，也是世界最高壩，工程于1975年開工，1989年完工，位于塔吉克國和國阿姆河支流瓦赫什河上。工程主要任務是灌溉與發(fā)電。最大壩高335米，壩頂長660米，壩頂寬20米，底寬1500米。壩體體積7550萬立方米。水庫庫容133億立方米。水電裝機360萬千瓦。世界最高壩——羅貢壩

世界最高的土石壩，也是世界最高壩，工程101埃及尼羅河上的大型水利工程——阿斯旺高壩

阿斯旺高壩位于開羅以南約700公里。工程于1961年開工，1970年竣工。大壩采用粘土心墻堆石壩，高111米，頂寬40米，底寬980米，壩頂長3830米。阿斯旺大壩在粘土心墻內(nèi)布置灌漿和廊道是大膽創(chuàng)新，廊道凈寬3．5米，高5米，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水庫總庫容為1689億立方米。樞紐建筑物包括大壩、引水工程和電站。電站裝機容量為210萬千瓦。阿斯旺水庫具有灌溉、水力發(fā)電和防洪等作用。埃及尼羅河上的大型水利工程102全球100米以上的高壩的比較建

成

時

期

高壩數(shù)量土石壩

重力壩

拱壩

壩數(shù)%壩數(shù)%壩數(shù)%1950年以前421331163813311951年~1960年712231213028391961年~1968年1104238242244401969年~1974年60345671219321975年~1980年88556214161922總計371166

82123全球100米以上的高壩的比較建成時期高103課程課件第三章土石壩104課程課件第三章土石壩105

密云水庫（土壩）密云水庫（土壩）106岳城水庫岳城水庫107小浪邸水庫小浪邸水庫108小浪邸水庫小浪邸水庫109小浪邸水庫小浪邸水庫110小浪底參數(shù)

小浪底參數(shù)1114.土石壩也存在著一些缺點

壩頂一般不能溢流(低土石壩采取特殊結(jié)構(gòu)泄小流量者例外)，需在河岸上另開溢洪道或其他泄水建筑物；施工導流不如混凝土壩方便；對防滲要求高。壩體工程量大，當采用粘性土料填筑時受氣候條件的影響較大。4.土石壩也存在著一些缺點

壩頂一般不能溢流(低土石壩采取112二、土石壩的工作特點

（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，浸潤面和浸潤線的概念；（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，分為均勻沉降和非均勻沉降；（5）其他方面：冰凍、地震、動物筑窩等.第一節(jié)概述二、土石壩的工作特點（1）穩(wěn)定方面：不會沿壩基面整體滑動，113三、土石壩設(shè)計的基本要求

1.具有足夠的斷面維持壩坡的穩(wěn)定。2.設(shè)置良好的防滲和排水設(shè)施以控制滲流。3.根據(jù)現(xiàn)場條件選擇好筑壩土石料的種類、壩的結(jié)構(gòu)形式以及各種土石料在壩體內(nèi)的配置。還應根據(jù)土石料的物理、力學性質(zhì)選擇好壩體各部分的填筑壓實標準，達到技術(shù)經(jīng)濟上的合理性。4.泄洪建筑物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，造成壩的失事。5.采取適當?shù)臉?gòu)造措施，使壩運用可靠和耐久。三、土石壩設(shè)計的基本要求

1.具有足夠的斷面維持壩坡的穩(wěn)定。114四、土石壩的類型按壩高分類

●低壩：高度在30m以下●中壩：高度在30～70m之間●高壩：高度超過70m2.按施工方法分類●碾壓式土石壩：將土石料分層填筑碾壓而成的壩。●水力沖填壩：借助水力完成土料的開采、運輸和填筑全部工序而建成的壩?！袼刑钔翂危哼@種壩施工時一般在填土面內(nèi)修筑圍埂分成畦格，在畦格內(nèi)灌水并分層填土，依靠土的自重和運輸工具壓實及排水固結(jié)而成的壩。

四、土石壩的類型按壩高分類2.按施工方法分類115●定向爆破堆石壩：利用定向爆破兩岸山體巖石拋向預定地點而形成的堆石壩。

3.按壩體材料和防滲體布置分類

碾壓式土石壩按筑壩材料和防滲體的位置可分為以下幾種壩型?！窬|(zhì)土壩：壩體基本上由一種透水性較弱的土料(如壤土、砂壤土等)填筑而成。壩體的整個剖面用以防滲并保持穩(wěn)定?！裥膲ν翂危阂酝杆孕〉姆罎B體布置在壩身中央，稱為心墻；而兩側(cè)以透水性較大的砂或砂礫料做壩殼，用以支撐心墻保持壩體穩(wěn)定。心墻常用粘性土構(gòu)成，稱為塑性心墻。也可用瀝青混凝土或鋼筋混凝土構(gòu)成，后者稱為剛性心墻?！穸ㄏ虮贫咽瘔危豪枚ㄏ虮苾砂渡襟w巖石拋向預定地點而形成116

(a)均質(zhì)壩；(b)粘土心墻土壩；(c)剛性心墻土壩；(d)粘土斜墻土壩。

(a)均質(zhì)壩；(b)粘土心墻土壩；117●斜墻土壩：防滲體位于壩的上游面，稱為斜墻；砂礫等透水性大的土料位于斜墻下游作支承體。斜墻常用粘性土料構(gòu)成，稱為塑性斜墻。也有用瀝青混凝土或鋼筋混凝土構(gòu)成的斜墻?！穸喾N土質(zhì)壩：壩體是由透水性不同的多種土料分區(qū)組成的壩。一般有兩種布置方式，一種是土料透水性由中間向兩側(cè)逐漸加大；另一種是透水性自上游向下游逐漸增大?！裢潦旌蠅危寒攭误w中土料和石料各占相當?shù)谋壤龝r，便構(gòu)成土石混合壩。主要有兩種形式，一是上游部分用土料，下游部分為堆石，；另一種是中央部分用粘性土料作防滲體，上下游部分為堆石體。當壩址附近有合宜的土石料時，選用土石混合壩是經(jīng)濟的?！裥眽ν翂危悍罎B體位于壩的上游面，稱為斜墻；砂礫等透水性118(e)、(f)多種土質(zhì)壩；(g)土石混合壩；(h)粘土斜心墻土石混合壩。

(e)、(f)多種土質(zhì)壩；119●心墻、斜墻堆石壩：以堆石料作為壩殼，以透水性小的土料或瀝青混凝土、鋼筋混凝土作為防滲體。防滲體位于壩體中央的稱為心墻堆石壩；防滲體設(shè)在上游面的稱為斜墻堆石壩。上游壩面以鋼筋混凝土防滲的也稱為鋼筋混凝土面板堆石壩?！镆陨蠋追N壩型，除均質(zhì)壩外，都是將弱透水材料布置在壩體的上游或中央，以達到防滲的目的。而將透水性較強且抗剪強度較高的材料布置在下游或兩側(cè)，以維持穩(wěn)定，也利于排水。雖然土石壩的形式在不斷發(fā)展和變化，但其材料布置總是離不開這個原則。●心墻、斜墻堆石壩：以堆石料作為壩殼，以透水性小的土料或瀝青120(i)粘土心墻堆石壩；(j)粘土斜墻堆石壩；(k)瀝青混凝土心墻堆石壩；(l)鋼筋混凝土面板堆石壩。(i)粘土心墻堆石壩；(j)粘土斜墻堆石壩；(k)瀝青1214.壩型選擇影響壩型選擇的主要因素有：壩的高度、筑壩材料、壩址地形、地質(zhì)條件、施工條件、樞紐布置及運用要求等。壩型選擇應綜合分析這些因素，在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，通過技技術(shù)經(jīng)濟比較，選定最優(yōu)壩型。4.壩型選擇122

土石壩的剖面設(shè)計影響因素：1）壩址附近的土石料分布狀況（包括土石料的種類、性能、儲量、運距等）；2）壩址的地形地質(zhì)條件；3）運行要求和施工條件等；參照已建工程，初擬剖面的尺寸，然后計算和修正，使之成為安全、經(jīng)濟、合理的剖面。土石壩剖面包括壩頂高程、壩頂寬度和壩坡。第二節(jié)剖面尺寸

第二節(jié)土石壩的剖面尺寸與構(gòu)造

土石壩的剖面設(shè)計影響因素：第二節(jié)第二節(jié)土石壩的剖123

第二節(jié)土石壩的剖面尺寸與構(gòu)造一、壩體剖面尺寸（一）壩頂高程

1.壩頂在靜水位以上的超高y

y=R+e+A

式中：y——壩頂超高，m;R——最大波浪在壩坡上的爬高，m;e——最大風壅水面高度，m;A——安全加高，m。eos

(1)A值

查規(guī)范SL274-2001。(2)e值第二節(jié)土石壩的剖面尺寸與構(gòu)造一、壩體剖面尺寸（一）壩124

壩頂超高計算圖

e=KW2Dcos／2gHm壩頂超高計算圖e=125(3)R值●設(shè)計爬高值按建筑物的級別而定，對1、2、3級土石壩取累計頻率P=1%的爬高值R1%；對4、5級壩取累計頻率P=5%的R5%?！裾騺聿ㄔ趩纹律系钠骄ɡ伺栏逺m●正向來波在帶有馬道的復坡上的平均波浪爬高Rm●當來波波向線與壩軸線的法線成夾角時，波浪爬高等于按正向來波計算爬高值乘以折減系數(shù)K2.壩頂高程

壩頂高程等于水庫靜水位與超高之和，應按以下條件計算，取其中最大值。(3)R值2.壩頂高程126(1)設(shè)計洪水位+正常運用情況的壩頂超高；(2)正常蓄水位+正常運用情況的壩頂超高；(3)校核洪水位+非常運用情況的壩頂超高；(4)正常蓄水位+非常運用情況的壩頂超高+地震安全加高。3.壩頂設(shè)防浪墻時，超高值y是指靜水位與墻頂?shù)母卟?。但此時在正常運用情況下，壩頂應高出靜水位0.5m；在非常運用情況下，壩頂應不低于靜水位。4.壩頂高程是壩頂沉降穩(wěn)定后的數(shù)值，竣工時的壩頂高程還應有足夠的預留沉陷值。對施工質(zhì)量良好的土石壩，壩頂沉降值約為壩高的1%。(1)設(shè)計洪水位+正常運用情況的壩頂超高；3.壩頂設(shè)防浪墻時127

(二)壩頂寬度

壩頂寬度主要取決于交通需要、構(gòu)造要求和施工條件。有時還要考慮防汛搶險、防空、防震等特殊需要。當壩頂有公路或鐵路通過時，其寬度應按照有關(guān)的交通規(guī)定選取。按構(gòu)造和施工要求，壩高H在30～100m時，壩頂最小寬度可取H／10，并不小于5m(一般選用5～10m為宜)。壩高在100m以上時，壩頂最小寬度可取為H0.5。

壩頂寬度還必須滿足心墻或斜墻頂部及反濾過渡層布置厚度的要求，在寒冷地區(qū)同時需滿足防滲體保護層及防冰凍厚度的要求。(二)壩頂寬度128(三)壩面坡度

土石壩的壩面坡度取決于壩高、筑壩材料性質(zhì)、運用情況、地基條件、施工方法及壩型等因素。一般是參考已建成類似工程的經(jīng)驗擬定壩坡，再通過計算分析，逐步修改確定。在滿足穩(wěn)定要求的前提下，應盡可能使壩坡陡些，以減小壩體工程量。壩坡坡度選擇一般遵循以下規(guī)律：1.上游壩坡常比下游壩坡為緩。2.斜墻的上游壩坡一般較心墻壩為緩。而心墻壩，特別是厚心墻壩的下游壩坡，因其穩(wěn)定性受心墻土料特性的影響，一般較斜墻壩為緩。(三)壩面坡度1293.上部坡陡，下部坡緩。4.由粉土、砂、輕壤土修建的均質(zhì)壩，透水性較大，為了保持滲流穩(wěn)定，一般要求適當放緩下游壩坡。5.當壩基或壩體土料沿壩軸線分布不一致時，應分段采用不同坡率，在各段間設(shè)過渡區(qū)，在壩坡緩慢變化。二、土石壩的構(gòu)造（一）、壩頂構(gòu)造

1.壩頂一般都做護面

2.壩頂上游側(cè)常設(shè)防浪墻

3.壩頂應做成向一側(cè)或兩側(cè)傾斜的橫向坡度，坡度宜采用2％一3％。

3.上部坡陡，下部坡緩。二、土石壩的構(gòu)造（一）、壩頂構(gòu)造130壩頂構(gòu)造1—心墻2—斜墻3—回填土4—路面壩頂構(gòu)造1—心墻2—斜墻3—回填土4—路面131(二)

土石壩的護坡與壩坡排水1.上游護坡

上游護坡的型式有：拋石、干砌石、漿砌石、混凝土或鋼筋混凝土、瀝青混凝土或水泥土等。

干砌石護坡（單位：m）1—干砌石；2—墊層；3—壩體(二)

土石壩的護坡與壩坡排水1.上游護坡干砌石護坡（132

混凝土板護坡（單位：m）（a）矩形板(b)六角形板

1-矩形混凝土板；2—六角形混凝土板，3—碎石或礫石；4—木檔柱；5—結(jié)合縫?；炷涟遄o坡（單位：m）（a）矩形板(b)六1332.下游護坡

可采用干砌石、堆石、卵石、碎石、草皮、鋼筋混凝土框格填石或土工合成材料等。其護坡范圍從壩頂?shù)脚潘怏w，無排水棱體時應護至壩腳。3.壩面排水

為了防止雨水沖刷下游壩坡，常設(shè)縱橫向連通的排水溝。與岸坡的結(jié)合處，也應設(shè)置排水溝以攔截山坡上的雨水。壩面上的縱向排水溝沿馬道內(nèi)側(cè)布置，用漿砌石或混凝土板鋪設(shè)成矩形或梯形。若壩較短，縱向排水溝攔截的雨水可引至兩岸的排水溝排至下游。若壩較長，則應沿壩軸線方向每隔50～100m左右設(shè)一橫向排水溝，以便排除雨水。2.下游護坡3.壩面排水134

壩坡排水（單位：m）1-壩坡；2—馬道；3—縱向排水溝；4—橫向排水溝；5—岸坡排水溝；6—草皮護坡；7—漿徹石排水溝壩坡排水（單位：m）135(三)壩的防滲體1.設(shè)置防滲體的目的●減少滲流量●降低浸潤線●控制滲透坡降2.粘性土心墻

●心墻一般布置在壩體中部，有時稍偏上游并略為傾斜。●心墻頂部水平厚度一般不小于3m?！裥膲Φ撞亢穸葢鶕?jù)土壤的允許滲透坡降［J］確定，一般不小于H／［J］，且不小于3m。［J］=4(壤土)～6(粘土)?！裥膲蓚?cè)邊坡多在1：0.15～1：0.3之間，厚心墻有達到l：0.4～1：0.5。

(三)壩的防滲體1.設(shè)置防滲體的目的2.粘性土心墻136粘土心墻壩(m)粘土心墻壩(m)137●心墻的頂部應高出設(shè)計洪水位0.3～0.6m，且不低于校核水位，當有可靠的防浪墻時，心墻頂部高程也不應低于設(shè)計洪水位?！裥膲斉c壩頂之間應設(shè)有保護層?！裥膲εc壩殼之間應設(shè)置過渡層。●心墻與地基和兩岸必須有可靠的連接。

心墻與地基的連接●心墻的頂部應高出設(shè)計洪水位0.3～0.6m，且不低于校核水1383.粘性土斜心墻

●斜墻位于壩體上游面，其結(jié)構(gòu)尺寸的確定與粘性土心墻基本相同?！耥敽褚膊灰诵∮?m。為保證抗?jié)B穩(wěn)定，底厚不宜小于作用水頭的1／5?！駢攽叱鲈O(shè)計洪水位o．6～0．8m，且不低于校核水位。同樣，如有可靠的防浪墻，斜墻頂部也不應低于設(shè)計洪水位?！裥眽敳亢蜕嫌纹露急仨氃O(shè)保護層?！裥眽εc保護層以及下游壩體之間，應根據(jù)需要分別設(shè)置過渡層?！裥眽氨Ｗo層的坡度取決于土壩穩(wěn)定計算的結(jié)果，一般內(nèi)坡不宜陡于1：2．0，外坡常在1：2．5以上

3.粘性土斜心墻139粘性土斜墻(m)粘性土斜墻(m)1404.粘性土斜心墻●

斜心墻的位置介于心墻與斜墻之間，即心墻略向上游傾斜的防滲體?！裥毙膲κ菫榱丝朔绷⑿膲Ξa(chǎn)生拱效應和斜墻對變形敏感的缺點而發(fā)展起來的。它既保留了心墻壩有較的上游壩坡，又保持了斜墻壩下游坡較穩(wěn)定的好處，并可改善壩體的應力狀態(tài)和避免防滲體裂縫?！裥毙膲Φ纳嫌芜吰乱话阍?：o．4～1：1．0之間。

5.非土料防滲體

非土料防滲體有鋼筋混凝土、瀝青混凝土、木板、鋼板、漿砌塊石和塑料薄膜等，較常用的是瀝青混凝土和鋼筋混凝土。4.粘性土斜心墻5.非土料防滲體141粘土斜心墻土石壩(單位：m)粘土斜心墻土石壩(單位：m)142

無排水單層瀝青混凝土斜墻壩(單位：cm)l一密實的瀝青混凝土防滲層；2一整平層；3一碎石墊層無排水單層瀝青混凝土斜墻壩(單位：cm)143

西北口混凝土面板堆石壩西北口混凝土面板堆石壩144(四)壩體排水設(shè)備1.土石壩壩體排水的主要目的

是有計劃地將滲入壩內(nèi)的水排至下游，降低浸潤線位置，避免滲流直接從下游壩坡逸出，使下游壩體大部分土料處于較干燥狀態(tài)，以增加壩坡的穩(wěn)定性；防止土壤的滲透變形和凍脹破壞等。

2.壩體排水布置的要求

排水設(shè)備應始終保持充分的排水能力；排水設(shè)備周圍的土壤不應產(chǎn)生滲透破壞。應在排水設(shè)備與壩體和土基的接觸面上設(shè)置反濾層；應便于檢查和維修。

3.排水設(shè)備的型式(四)壩體排水設(shè)備2.壩體排水布置的要求3.排水設(shè)備的145(1)貼坡排水貼坡排水l一浸潤線；2～厚度不小于O．4m塊石；3一O．1～O．2m卵石；4一O．1～O．2m砂墊層；5一下游最高水位。(1)貼坡排水貼坡排水146

●貼坡排水結(jié)構(gòu)簡單，用石料較少，且便于觀察和檢修，可防止?jié)B流逸出處的滲透破壞，保護下游壩坡免受尾水沖刷。但因未伸入壩體，不能降低浸潤線。

●僅適用于中小型工程且下游無水的均質(zhì)壩和浸潤線較低的心墻、斜墻壩。(2)堆石棱體排水●

棱體排水可以降低壩體浸潤線，防止壩坡凍脹和滲透變形，保護下游壩趾免受尾水淘刷，并可支撐壩體，增加下游壩坡的穩(wěn)定性。

●但石料用量較多，造價較高，棱體填筑與壩體施工可能有干擾。多用在較高的壩和石料比較豐富的地區(qū)?！褓N坡排水結(jié)構(gòu)簡單，用石料較少，且便于觀察和檢修，可147堆石排水棱體

l一浸潤線；2～堆石；3一反濾層；4一下游最高水位。堆石排水棱體148(3)褥墊式排水褥墊式排水l一浸潤線；2一中細砂反濾層厚O．2m；3一砂礫層厚O．5～1．Om；4一砌塊石；5一碎石。(3)褥墊式排水褥149

●

這種排水體能顯著降低壩體浸潤線，也有助于地基的排水固結(jié)，可避免冰凍。但對不均勻沉降的適應性差，如發(fā)生堵塞、斷裂則難以檢修?！襁m用于下游無水、壩體和壩基土壤的透水性較小。(4)混合式排水●在實際工程中，常根據(jù)具體情況采用將幾種排水型式組合在一起的混合式排水設(shè)備，以發(fā)揮各種排水設(shè)施的作用?！窭纾寒斚掠谓?jīng)常無水或只短時間內(nèi)有水的情況，可采用褥墊式排水與貼坡排水相結(jié)合；為了更有效地降低浸潤線也可采用褥墊式排水與棱體排水相結(jié)合；當下游經(jīng)常有水，但最高水位持續(xù)時間不長，為節(jié)省石料，可考慮在下游正常水位以下采用堆石棱體排水，以上采用貼坡排水。

●這種排水體能顯著降低壩體浸潤線，也有助于地基的排水150

混合式排水1－浸潤線；2－下游最高水位；3－下游正常水位?；旌鲜脚潘?51第三節(jié)土石壩的滲流分析一、概述在土石壩中，滲透水流對壩體、壩基的滲透破壞，危害性更大，因滲透破壞屬于隱蔽性破壞，常不易被發(fā)現(xiàn)。如發(fā)現(xiàn)和搶修不及時，將會導致難予補救的嚴重后果。1．滲流分析的主要任務土石壩剖面基本尺寸和防滲排水設(shè)施初步擬定后，必須進行滲流分析，并通過分析求得滲流場的水頭分布和滲透水力比降，為壩坡安全性和滲流穩(wěn)定性評判提供依據(jù)。滲流分析的主要任務是：第三節(jié)土石壩的滲流分析一、概述152第三節(jié)土石壩的滲流分析

1）確定浸潤線位置:

為壩坡穩(wěn)定計算和布置壩內(nèi)觀測管提供依據(jù)，根據(jù)浸潤線的高低，選擇排水設(shè)施型式和尺寸。

2）確定滲透比降（坡降）：

確定壩坡滲流逸出點和下游地基表面的滲透比降和不同土層的滲透比降，評判該處的滲透穩(wěn)定性，以便確定是否應采取有效的防滲反濾保護措施。

3）確定壩體與壩基的滲流量：估算水庫的滲漏損失，以便加強防滲措施，把滲流量控制在允許的范圍內(nèi)。第三節(jié)土石壩的滲流分析1）確定浸潤線位置:153●

流體力學法從滲流的基本微分方程(拉普拉斯方程)出發(fā)，引入特定問題的邊界條件，以求解滲流場內(nèi)任意點的滲透要素(滲透流速、滲透坡降和滲透力等)。●只在幾種很簡單的邊界條件下才有精確的理論解，在邊界條件比較復雜的實際工程中難于應用。●由于計算機的廣泛應用，使復雜邊界條件下微分方程的數(shù)值解法(差分法、有限單元法和邊界元法等)得到了發(fā)展，從而大大地擴展了流體力學法的應用。

二、滲流分析方法1.流體力學法●流體力學法從滲流的基本微分方程(拉普拉斯方程)出發(fā)，154第三節(jié)土石壩的滲流分析（2）水力學法這是近似的解析法，但必須基于以下基本假設(shè)：1）假設(shè)滲透系數(shù)K在同一或相近的土料中各向同性；2）假設(shè)壩體內(nèi)部滲流為層流，認為壩內(nèi)滲流符合達西定律；3）假設(shè)壩體內(nèi)部滲流為漸變流（杜平假定），認為滲流場中任意過水斷面各點的水平流速和比降都是相等的。這種方法不完全符合拉普拉斯方程，因而不能精確求出任一點的水力要素。但其所確定的浸潤線、平均流速、平均比降和滲流量，已能滿足（Ⅲ—Ⅴ級）土石壩工程的精度要求。第三節(jié)土石壩的滲流分析（2）水力學法155第三節(jié)土石壩的滲流分析

（3）流網(wǎng)法用手工繪制流網(wǎng)，利用流網(wǎng)求解平面滲流問題的水力要素，也可用來解決較復雜的邊界問題。

（4）試驗方法

試驗方法很多，最常用的是電模擬法，利用滲流場和電流場在數(shù)學上和物理上具有相似性，即都滿足拉普拉斯方程，從而用電流模擬滲流，用電壓模擬滲流水頭，便可求解滲流問題。第三節(jié)土石壩的滲流分析（3）流網(wǎng)法156

均質(zhì)壩的流網(wǎng)圖1—浸潤線；2一等勢線；3一流線均質(zhì)壩的流網(wǎng)圖157三、滲流分析的水力學法(一)基本假定1.壩體各部分土料是均質(zhì)的，壩體內(nèi)任一點在各方向的滲透系數(shù)為常數(shù)；2.滲透水流屬層流運動，符合達西定律，即滲透流速v=kJ(k為滲透系數(shù)，J為滲透坡降)；3.滲透水流為穩(wěn)定漸變流，任意過水斷面上各點的流速和水頭可認為是常數(shù)。(二)滲流計算的基本公式1.

不透水地基嚴格地講，絕對不透水地基是不存在的，但在土壩滲流計算中，對滲透系數(shù)小于壩體滲透系數(shù)100倍以上的地基，可近似認為是不透水地基。三、滲流分析的水力學法(一)基本假定(二)滲流計算的基本公式1582.滲流計算時按平面問題處理，取單位壩長作為計算對象。

3.基本公式矩形區(qū)域滲流計算圖1212●達西定律：v=kJ●Dupuit假定：過水斷面各點J、v為常數(shù)J=-dy／dxq=vw=-kdy／dx·yqdx=-kydy經(jīng)積分得：

對任一斷面：q=k·(H12-y2)／2x浸潤線方程式：2qx=k·(H12-y2)Dupuit公式2.滲流計算時按平面問題處理，取單位壩長作為計算對象。3159（三)不透水地基上土壩的滲流計算

1.均質(zhì)土壩的滲流計算(1)下游無排水設(shè)備情況

無排水設(shè)備的均質(zhì)壩的滲流計算圖（三)不透水地基上土壩的滲流計算1.均質(zhì)土壩的滲流計算160●將原來的三段滲流簡化成兩段

土壩剖面上游楔形體、中間段和下游楔形體三段上游梯形段AEOB"B′和下游三角形段B′B″N●計算上游梯形段的滲流量q1

●計算下游三角形段的滲流量q2

●根據(jù)水流連續(xù)條件，q1=q2=q，求出兩個未知數(shù)滲流量q和和逸出點高度α0

?！駥⒃瓉淼娜螡B流簡化成兩段土壩剖面上游楔形體、中間段161●浸潤線方程

●浸潤線修正上游壩面附近的浸潤線需作適當修正：自A點作與壩坡AM正交的平滑曲線，曲線下端與計算求得的浸潤線相切于Aˊ點。

●當下游無水時

當下游無水時，以上各式中的H2=0。(2)下游有排水設(shè)備情況

1)有貼坡排水情況

有貼坡排水時，因貼