《水利工程概論》第四章-4-土石壩

土石壩概論土石壩泛指由當?shù)赝亮?、石料或混合料，經過拋填、輾壓等方法堆筑成的擋水壩。它是土壩、堆石壩和土石混合壩的總稱。壩體為土料和沙礫料的稱為土壩；石渣、卵石或塊石為主的稱為石壩；土料和石料按一定比例的稱為土石混合壩。

概論

土石壩采用土料、石料堆筑而成，主體筑壩材料耗量大，只能附近取材，又稱為當?shù)夭牧蠅?。概論特點1.

可以就地、就近取材，節(jié)省大量的水泥、木材和鋼材，減少運輸費用；

2.

能適合各種不同的地形、地質和氣候條件；3.

大容量、高效率的施工機械的發(fā)展，降低了建壩的造價，提高了土石壩的施工質量；

4.

工作可靠，壽命較長；5.

高邊坡、地下工程結構、高速水流消能防沖等工程設計和施工技術的綜合發(fā)展，促進了土石壩，尤其是高土石壩的建設和推廣。我國已建和在建高土石壩（壩高大于100m）

序號

壩名

地點

河流

壩型

壩高（m）

完成年份1

石門

臺灣

淡水河

心墻堆石壩

133

19642曾文

臺灣

曾文河

心墻土石壩

133

19733碧口

甘肅文縣

白龍江

心墻土石壩

101．8

19764高島東壩

香港

瀝青混凝土心墻堆石壩

107

1979

5高島西壩

香港瀝青混凝土心墻堆石壩

102．5

1979

6西北口

湖北

黃柏河

混凝土面板堆石壩

100

1990

7石頭河

陜西

石頭河

心墻石壩

114

1981

8魯布革

云南貴州

黃泥河

土質心墻堆石壩

103．8

1989

9白云

湖南城步

巫水

混凝土面板堆石壩

120

1998

10芹山

福建周寧

穆陽溪

混凝土面板堆石壩

122

2000

11天生橋一級

廣西貴州

南盤河

混凝土面板堆石壩

178

在建

12小浪底

河南猛津

黃河

斜心墻堆石壩

154

在建

13烏魯瓦提

新疆和田

拉什河

混凝土面板砂礫石壩

138

在建

14金盆

陜西西安

黑河

土質心墻砂礫石壩

133

在建

15珊溪

浙江寧海

白溪

混凝土面板堆石壩

123．5

在建

16古洞口

湖北興山

古夫河

混凝土面板砂礫石壩

120

在建

17高塘

廣東懷集

白水河

混凝土面板砂礫石壩

110．7

在建

18茄子山

云南龍坡

蘇柏河

混凝土面板堆石壩

104．5

在建

19茅坪溪

湖北

茅坪溪

瀝青混凝土心墻土石壩

104

在建

20柴石灘

云南宜良

南盤江

混凝土面板堆石壩

103

在建土及土力學基本知識土：是巖石經風化后，產生崩解、破碎、變質，又經過各種自然力搬運，在新的環(huán)境下沉積下來的顆粒狀松散堆積物。土的作用是：（1）承受其上的結構載荷；（2）作為材料，修建壩堤、路基等。土及土力學基本知識材料的物理性4因素：粒度、密度、濕度、構度

力學3性能：滲透性、壓縮性、抗剪性土體（地基、邊坡、洞室）的

3個穩(wěn)定：強度、變形、滲透

土力學土及土力學基本知識土的物質成分

包括有作為土骨架的固態(tài)顆粒、孔隙中的水及其溶解物質、氣體。因此，土是由顆粒(固相)、水(液相)和氣(氣相)所組成的三相體系。各種土的顆粒大小和礦物成分差別很大，土的三相間的數(shù)量比例也不盡相同，而且土粒與其周圍的水又發(fā)生了復雜的物理化學作用。土及土力學基本知識粒組按性質相近的原則劃分為六大組(d=200,20,2,1/2,1/20,1/200mm).0.002~0.0050.005~0.050.05~22~6060~200>200粘粒粉粒砂粒圓礫或角礫卵石或碎石漂石或塊石土的粒徑分組土及土力學基本知識例：總重為1000g的土，全部通過篩孔為10mm的篩，而在篩孔為5mm的篩子上的顆粒重量為100g，在篩孔為2mm的篩子上的顆粒重量為200g，則d<5mm的土的重量為900g，占總重1000g的90％。因此，在縱坐標為90，橫坐標為5mm的交叉點處為一實測點；在縱坐標為70，橫坐標為2mm的交叉點處為另一實測點；依此類推，繪制成一條完整曲線。

土及土力學基本知識在土的粒徑級配曲線上縱坐標為10所對應的粒徑

稱為有效粒徑；

與

的比值稱為不均勻系數(shù)

，即：

值越小，曲線越陡，土越均勻；

值越大，曲線越平緩，土越不均勻；級配良好，作填方，砂墊層，易于獲得較大密實度。當

<5時，曲線很陡，表示土均勻；當

>10時，曲線很平緩，表示土的級配良好。稱為平均粒徑土及土力學基本知識土料的物理性質指標1)土粒相對密度土粒相對密度的定義是土粒質量與同體積的水(在4攝氏度時)的質量之比，用符號

表示。

土粒比重G(2.65~2.80)土及土力學基本知識(2)土的濕容重土在自然含水狀態(tài)下單位體積的重量。(3)土的干容重土在完全失水狀態(tài)下的容量。(4)土的飽和容重土體中的孔隙完全被充填狀態(tài)下的容重。土及土力學基本知識(5)土的浮容重土體完全淹沒在水下的容重。(6)土的含水量土體中水分的重量與土粒重量之比。(7)塑性指數(shù)(固、塑、液態(tài))液限塑限土及土力學基本知識(8)孔隙率反映土的緊密程度。(9)孔隙比反映土的緊密程度。土及土力學基本知識土的滲透性和滲透變形在水壓作用下水通過土體孔隙的能力稱為滲透性.土是具有連續(xù)孔隙的介質，當它作為水工建筑物的地基或直接把它用做水工建筑物的材料（如土壩）時水就會在水位差作用下，從水位較高的一側透過土體的孔隙流向水位較低的一側。土及土力學基本知識土的壓縮性地基變形的大小主要取決于兩個方面：一個是建筑物基底壓力，它與建筑物荷載大小、基礎底面面積、基礎埋深及基礎形狀有關；另一方面取決于土的壓縮性質。

土及土力學基本知識土的壓縮性土在壓力作用下體積縮小的特性稱為土的壓縮性。土的壓縮通常有三部分：①固體土顆粒被壓縮；②土中水及封閉氣體被壓縮；③水和氣體從孔隙中擠出。土及土力學基本知識土的抗剪性土的抗剪強度是土的重要力學性質指標。土體的破壞，其本質是剪切破壞。例如邊坡太陡、在雨季或受到震動后，容易產生滑動破壞，滑動面顯然屬剪切破壞面，這種情況比較常見，具有直觀性；又如地基破壞，直觀上是受壓，但本質上也是剪切破壞，在地基中形成兩個大體對稱的滑動破壞面，這種情況較少見到，通常不具有直觀性。土及土力學基本知識土的抗剪性砂性土粘性土土石壩的類型1)按施工方式分類碾壓式土石壩，碾壓式土石壩是用機械將土料分層碾壓密實，是應用最廣泛的施工方法。水力沖填壩，濕法填筑施工壩，用水力機械開采運輸和填筑土料，而形成壩體。水中倒土壩，是在壩址處修筑圍埂形成水池，在靜水中填土，使其自行崩解壓密，逐步填筑升高壩體。

后兩種方法常在國內有的中小型土壩工程施工時采用。土石壩的類型2)按壩體材料的組合和防滲體的相對位置分類

均質壩，壩體基本由透水性小的土料填筑而成，不需設置專門的防滲設備。一般采用透水性較小的砂質粘土或壤土，也可以采用幾種土料配置的混合料。

分區(qū)壩，由土質防滲體和若干種透水性不同的土石料分區(qū)填筑而成。在壩體中央采用弱透水性士料，自中央向上下游側的土石料透水性逐漸增大，稱為心墻壩；上游側壩體采用弱透水性土料做成防滲斜墻，壩主體采用較透水的土料，其透水性可由上游向下游側逐漸增大，稱為斜墻壩。

土石壩的類型3)按壩體材料分類

土壩，主要由土料填筑而成。堆石壩，壩體材料中砂礫料含量在60%-70%以上，起骨架作用。設計原則及要求（1）壩身不能泄洪；

土石壩樞紐中應按洪水標準設置容量足夠大的泄洪建筑物，絕對不允許洪水漫頂，造成失事。（2）需有適宜的壩坡維持壩坡及壩基的穩(wěn)定性；

（3）應設置良好的防滲和排水措施，控制滲流及防止壩體產生滲透變形。

滲流在壩體內產生自由水面線，稱為浸潤線。

滲流的危害：造成水庫的水量損失；減輕壩體滲流區(qū)內土體的有效重量,對壩坡的穩(wěn)定不利；使?jié)B流逸出處土體產生滲透破壞。

措施：設置防滲和排水設施。

設計原則及要求（4）根據(jù)現(xiàn)場的土料條件，選擇好土料的填筑標準，防止過大的沉陷；施工壓實過程，應完成70~80%的總沉降量。（5）采取適當?shù)臉嬙齑胧Ｗo壩頂、壩坡免受自然現(xiàn)象的破壞，提高壩運行的可靠性和耐久性。（6）提高土石壩的機械化施工的水平。土石壩的剖面形狀和構造壩頂壩頂高程=靜水位+壩頂超高壩頂超高其中，hB—爬高，a—安全加高，

e—壩前水位因風浪引起的壅高。土石壩的剖面形狀和構造壩頂寬度取決于交通需要、構造要求和施工條件。我國《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL274-2001）要求高壩的壩頂最小寬度為10~15m；中低壩的壩頂最小寬度為5~10m。土石壩的剖面形狀和構造壩坡

土石壩壩坡選擇的原則：在滿足穩(wěn)定要求的前提下，應盡可能采用較陡的壩坡，以減少工程量。

土石壩的剖面形狀和構造壩坡

上游壩坡長期處于飽和狀態(tài)，同時受水庫水位驟降的影響，上游壩坡應緩于下游壩坡。

從壩體上部到下部，壩坡逐步放緩，以滿足抗?jié)B穩(wěn)定和結構穩(wěn)定性的要求。心墻壩兩側壩殼采用非粘性土料，土體顆粒的內摩擦角較大，透水性好，上下游壩坡可陡些，壩體剖面較小，但施工干擾大。

土石壩的剖面形狀和構造

設置馬道和排水溝，用以攔截雨水、防止壩面沖刷。土石壩的剖面形狀和構造土石壩一般由以下幾部分組成：

壩體壩的主體

防滲體控制壩體浸潤線位置，保持壩體滲流穩(wěn)定性

排水設施安全地排出壩體的滲水，加速孔隙水壓力的消散，防止下游壩坡的滲透破壞

護坡防止波浪、氣溫、雨水等自然現(xiàn)象對壩坡的危害

土石壩的剖面形狀和構造

防滲體（1）土質防滲體

土質防滲體的結構主要有心墻和斜墻兩種型式。土石壩的剖面形狀和構造

土石壩的剖面形狀和構造（2）瀝青混凝土防滲墻

瀝青混凝土防滲墻的結構主要有心墻和斜墻兩種型式

特點：①瀝青混凝土具有良好的塑性和柔性，滲透系數(shù)約為10-7~10-10cm/s，防滲性能好；②瀝青混凝土在產生裂縫時，有較好的自行愈合能力；③施工受氣候影響小。

土石壩的剖面形狀和構造排水設施

排水設施由礫石、碎石、卵石做成的排水體和反濾層兩部分組成。

（1）貼坡排水

特點：①簡單、省料、易檢修；②保護下游壩坡不受尾水沖刷，防止下游壩坡滲透變形；③不能降低浸潤線。

適用條件：浸潤線較低的壩型。

土石壩的剖面形狀和構造（2）堆石棱體排水

特點：①能降低壩體浸潤線；②對下游壩坡有防沖、支撐作用；③用料多，施工干擾大。

適用條件：高壩、石料多的地區(qū)。

土石壩的剖面形狀和構造（3）褥墊式排水

特點：①降低壩體浸潤線，有助于軟粘土地基的固結排水；②適應不均勻變形能力差，易斷裂，檢修困難，施工干擾大。

適用條件：下游無水的均質壩。

土石壩的剖面形狀和構造（4）綜合式排水特點：將幾種不同形式的排水組合在一起成為綜合式排水，以兼取各種形式的優(yōu)點。

土石壩的剖面形狀和構造反濾層土石壩的剖面形狀和構造反濾層作用：排水濾土

組成：由1~3層級配均勻、耐風化的砂、礫、軟石或碎石構成，每層粒徑隨滲流方向而增大。

設計的原則：

①被保護土層不發(fā)生管涌等有害的滲透變形。

②透水性大于被保護土層，能通暢地排除滲透水流，同時不致被細顆粒淤塞而失效。

土石壩的穩(wěn)定分析壩坡的滑動面形式

壩坡的滑動面形式主要與壩體結構型式、筑壩材料和地基情況、壩的工作條件等因素有關。1、曲線滑動面：滑動面通過粘性土部位；2、折線滑動面：滑動面通過非粘性土部位；3、復式滑動面：滑動面通過粘性土和非粘性土構成的多種土質壩。1-壩殼或者壩體；2-防滲體；3-滑動面；4-軟弱夾層土石壩的穩(wěn)定分析作用力1、自重：水上——濕容重，水下——浮容重2、滲透力：與滲透坡降有關3、孔隙水壓力4、地震力：地震區(qū)應考慮地震慣性力。土石壩的穩(wěn)定分析荷載組合正常運用：（1）水庫蓄滿水（一般為正常蓄水位）形成穩(wěn)定滲流時，驗算下游壩坡穩(wěn)定。（2）水庫水位為最不利水位時，上游坡的計算。（3）庫水位降落，使上游坡產生滲透壓力時的穩(wěn)定計算。土石壩的穩(wěn)定分析荷載組合非常運用：（1）庫水位驟降時的上游壩坡的計算（2）施工期（含竣工期）考慮孔隙水壓力上下游壩坡穩(wěn)定計算（3）地震情況下，上下游壩坡計算（4）校核水位時下游坡的計算土石壩的穩(wěn)定分析穩(wěn)定分析方法

1、圓弧滑動法：針對粘性土的壩坡；2、折線滑動法：針對非粘性土的壩坡；地基處理目的（1）滲流控制（2）穩(wěn)定控制（3）變形控制地基處理土石壩對地基的要求最低,但為了解決地基滲漏、承載力低、壓縮量大、抗剪強度低以及震動液化等問題，通常必須采取地基處理措施。地基處理常見地基（1）巖基或淺覆蓋地基（2）砂礫石地基（3）細砂或有淤泥地基（4）粘土或黃土地基地基處理砂礫石地基處理

砂礫石地基的特點：具有較高的抗剪能力和承載能力，壓縮變形小，抗?jié)B性能差，因此對這類地基的處理以滲流控制為主。常用的防滲排水措施有：(1)垂直防滲：粘土截水槽、砼防滲墻，灌漿帷幕；(2)水平防滲：鋪蓋；(3)下游設排水減壓設施。地基處理(1)垂直防滲設施：

粘土截水墻

地基處理(1)垂直防滲設施：

混凝土防滲墻

地基處理(1)垂直防滲設施：

帷幕灌槳

地基處理(2)水平防滲上游設置鋪蓋水平防滲設施一般是用粘性土料修筑水平鋪蓋與壩身防滲體相連接，并向上游延伸至要求的長度。鋪蓋的作用是延長滲徑，從而使壩基滲漏損失和滲流坡降減小至容許范圍以內。水平鋪蓋不能完全截阻滲流，其防滲效果有一定限度，但施工簡單。

地基處理(3)下游排水減壓設施當壩基下有透水層且埋藏較淺時，可以在下游壩趾設置排水溝。當壩基下透水層埋藏較深，地基為成層結構時，可以在下游壩趾設置減壓井，有效地排除滲水，降低壩基揚壓力。地基處理1-粉質粘土2-重粉質壤土3-砂礫石層4-碎石培厚5-透水蓋重

6-減壓井

7-軟弱夾層用蓋重提高地基的抗?jié)B穩(wěn)定性地基處理細砂和淤泥層地基細砂地基的主要問題是容易發(fā)生液化。

液化是在震動荷載作用下，土壩內孔隙水來不及排出，土體內孔隙壓力上升，使土體顆粒間的連接強度降低，而處于流動狀態(tài)。

地基處理細砂和淤泥層地基處理方法：①打板樁封閉或壓重，目的是增加土體的約束力。②采用振沖、強夯、爆破、擠密、震動碾壓等加密方法加固，提高土體的密實度和顆粒骨架的穩(wěn)定性。③排水和減壓，創(chuàng)造排水條件以使振動孔隙水壓力很快消散。地基處理淤泥地基處理

淤泥地基的主要問題是天然含水量高，抗剪強度低，承載能力差。處理方法有：①挖除；②設置砂井加速排水；③壩腳壓重，以保持地基的穩(wěn)定性。堆石壩

堆石壩的壩體主要用堆石組成.包括：堆石體、面板、底座（趾板）堆石壩

天生橋一級面板堆石壩堆石壩

面板堆石壩迅速發(fā)展的原因1、面板設計于堆石體上游面，水壓力在上游壩面的鉛直分力有助于壩的穩(wěn)定，壩體工程量是土石壩中最小的；2、振動碾壓使得高密實度堆石體變形??；3、面板兼有護坡防浪作用，經濟合理；4、面板在上游面，便于檢查維修；5、壩體填筑沒有粘性土填方，施工干擾小，氣候影響也小，基本可全年施工。弱點：面板對基礎沉陷敏感，不抗漂浮物沖擊堆石壩

土石壩與混凝土壩的比較壩型

類別土石壩混凝土壩重力壩拱壩剖面最大介于兩者之間最小荷載滲透壓力揚壓力溫度荷載溢流（壩頂）不可以可以可