土石坝

土石坝什么是土石坝？利用坝址附近的土石料填筑（碾压或夯实）而成的挡水建筑物。亦称当地材料坝。历史久远：公元前600多年，我国开始填筑土堤，防御洪水，蓄水兴利。如：安徽芍陂、浙江海塘等。解放后至今，我国内已建成的八万多座水坝，土石坝约占90%左右。国际上：古印度、古埃及等，也很早开始修建土坝。土石坝优点：就地取材，节省三材；筑坝经验丰富；对地形、地质条件适应性强；施工技术简单；便于维修、加高、培厚和扩建。因此，在国内外应用十分广泛。据统计，国内已建成的八万多座水坝，土石坝约占90%左右。密云水库（土坝）水布垭水库（湖北清江）水布垭施工中的水布垭水库土石坝的类型土石坝的类型，从不同的角度有不同的分类方法。下面主要按施工方法、筑坝材料和坝体防渗型式进行分类。1．按筑坝材料分类按筑坝材料分类:分为:1)土坝2)土石混合坝3)堆石坝。(坝体绝大部分由土料筑成时称为土坝；绝大部分由石料筑成时称为堆石坝；由土石混合堆筑时称为土石混合坝。)2．按施工方法分类1）碾压式土石坝碾压式土石坝是由适宜的土石料分层填筑，并用压实机械逐层碾压而成的坝型。近二十多年来，随着大型碾压机械的采用，使得这种坝型得到最广泛的应用。本章将重点介绍这种坝型的设计。2）水力冲填坝水力冲填坝是利用水力和简易的水力机械完成土料开采、运输和填筑等主要工序而筑成的坝型。具体地说，是用高压水枪驱动高压水流向料场的土料喷射冲击，使之成为泥浆，然后通过泥浆泵和输浆管把浆液输送到坝体预定位置分层淤积、沉淀、排水和固结后形成的坝型。我国西北地区创造的水坠坝与这种坝型的施工原理相似，其料场位于坝顶高程以上的山体，泥浆输送是利用浆液的重量经沟渠自流到坝面，因而有学者也把水坠坝归类为水力冲填坝。这种坝型因施工质量难以保证.3）水中填土坝水中填土坝是将易于崩解的土料分层倒入静水中，依靠土体自身重量和运输工具压实而成。施工时，一般在施工仓面上用堤埝围埂分格，并在格中灌水倒土逐层填筑。4）定向爆破土石坝这种坝型是在坝肩山体的预定位置开挖洞室，埋放炸药，引爆后使土石料按照物体平抛运动的轨迹抛到预定的设计位置，完成大部分坝体填筑，再经过加高修复而形成的坝型。这种筑坝方法由于爆破力很大，可能造成坝址附近地质构造破坏等方面问题，因而，一般采用较少。我国已建成这种土坝或堆石坝约有40余座，最高的有陕西石砭峪水库大坝，坝高82.5m，广东乳源南水电站的主坝，坝高81.3m。1）均质坝：均质坝绝大部分由均一的土料分层填筑而成。筑坝料多用透水性较小的粘性壤土或砂质粘土，坝体具有防渗作用。因此，无需设置专门的防渗措施，如图5-1(a)所示。2）土质防渗体分区坝：由透水性很小的土质防渗体和若干种透水土石料分区分层填筑而成。粘性土质防渗体设在坝体中部或上游，称为粘土心墙坝或粘土斜心墙坝，如图5-1(b)、(c)、(d)；设在坝体上游面的称为粘土斜墙坝，如图5-1(e)、(f)、(g)。3．按防渗体的型式分类按防渗设施可分为均质坝、土质防渗体分区坝和非土质材料防渗体坝(碾压式)：3）非土质材料防渗体坝这种坝型的防渗体一般由钢筋混凝土、沥青混凝土或其他非土质材料做成。其中防渗体布置在坝体中央附近的称为心墙坝，如图5-1(h)；防渗体布置在上游面的称为面板土石坝，如图5-1(i)。在堆石坝中，一般将防渗体设在上游坝面，又称面板堆石坝。此外，还有其他型式的分区坝，如坝体上游部分为防渗土料，下游部分为透水土料的分区坝等等，如图5-1(j)所示图5-1碾压式土石坝的类型土石坝的构造土石坝的构造主要包括坝顶、护坡、防渗体和排水体等四个部分。一、坝顶坝顶可采用碎石、单层砌石、沥青或混凝土护面，IV—V级的土石坝也可用草皮护面。当坝顶有交通要求时，坝顶护面应满足公路路面的有关规定。为排除降雨积水，坝顶护面可向下游侧放坡，坡度在2%～3%之间，并做好向下游的排水系统。坝顶上游侧宜布置防浪墙，墙顶应高于坝顶1.00～1.20m，墙底必须与防渗体紧密结合。防浪墙应做成坚固不透水的结构。尺寸应根据稳定和强度条件确定，并设置变形伸缩缝和做好止水措施，如图5-24所示。图5-24坝顶及防浪墙构造图7.08.00.5(b)0.251.20(a)干砌石路面厚0.2m黄泥灌浆碎石1:2.61:2.83%128.2129.40.4沙壳心墙对于高坝或兼顾旅游功能的土石坝，下游侧应设置栏杆等安全防护措施，应按运用要求设置照明设施，建筑艺术处理应美观大方，并与周围环境相互协调。二、护坡设置护坡的目的：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，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。第六节土石坝的构造1．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。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0.3～0.5m，如图5-25（a）所示；双层干砌石护坡厚度约0.4～0.6m，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0.15～0.25m，并满足反滤要求和不冻要求。第六节土石坝的构造图5-25干砌石护坡（单位：m）1-干砌石；2-垫层；3-坝体0.30.20.2123(a)(b)1.00.50.51.50.5123浆砌石护坡：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。混凝土护坡：混凝土护坡有现浇和预制两种形式，如图5-26所示。采用方形5m×5m～20m×20m厚度为15～20cm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。图5-26混凝土板护坡矩形板；(b)六角形板矩形混凝土板；2-六角形混凝土板；3-碎石或砾石；4-木板柱；5-结合缝15～2020～1515～2015025020～1532315442．下游坝坡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。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20～30cm厚的腐植土，以利于草的生长。干砌石护坡：国内使用较多，一般采用单层干砌形式、厚度0.2～0.3m，通常在石料丰富且砌石费用便宜的地区可以考虑采用。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5～10cm，厚度40cm。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4～5m×4～5m，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15～30cm。冰冻地区，垫层厚度还应满足坝坡不冻要求。干砌石护坡与被保护的土料之间不满足反滤要求时，垫层应按反滤要求设置。为消除护坡底面积水、降低浸润线和护坡底面扬压力，现浇混凝土、钢筋混凝土和浆砌石护坡均应预留排水孔，排水孔的间距应根据渗水多少而定。护坡的范围：上游护坡，上部自坝顶开始（如设防浪墙墙时应与防浪墙连接），下部伸至死水位以下不小于2.50m（IV、V级坝可减至1.5m），最低水位不确定时应护至坝脚。下游坝坡应由坝顶护至排水体顶部，无排水体时也应护至坝脚。3．坝面排水除了干砌石或堆石护坡之外，下游坝坡均须设置坝面排水，排水应包括坝顶、坝坡、坝头及坝下游等部位的集水、截水和排水措施。同时，坝坡与岸坡连接处也应设排水沟，其集水面积应包括岸坡积水面积在内。坝面排水系统的布置（图5-27）、排水沟的尺寸和底坡应由计算确定。排水系统应纵横贯通，有马道时，纵向排水沟宜设在马道内侧，竖向排水沟可每隔50～100m设一条。排水沟的横断面可用混凝土浇筑或浆砌石砌筑，一般断面尺寸应不小于深0.2m，宽0.3m。第六节土石坝的构造图5-27（单位：m）1-坝顶；2-马道；3-纵向排水沟；4-横向排水沟；5-岸坡排水沟；6-草皮护坡；7-浆砌石排水沟I-I412325AIA详图1.10.370.30.362I图5-28土质防渗体坝（a）粘土心墙坝；（b）粘土斜墙坝1:3.5反滤层不透水层截水墙混凝土齿墙砂砾石冲积层（b）粘土斜墙截水墙保护层砂壳（a）8过渡层690.58139.2土质防渗体顶部最小厚度宜取3.0m。心(斜)墙顶部、上游墙面应设保护层，其厚度不得小于1.0m。土质防渗体与坝壳的上、下游接触面，如不能满足反滤要求，均须设置反滤层。2．非土质材料防渗体（1）沥青混凝土防渗体沥青混凝土具有:塑性和柔性好；防渗性能较好。渗透系数约10-7～10-10cm/s；如陕西的石砭峪堆石坝、甘肃的党河水库大坝和北京的半城子坝均采用沥青混凝土作为防渗体。沥青混凝土防渗体尺寸：厚度通常取40～125cm。对于中低坝，其底部厚度可采用坝高的1/40～1/60，顶部但不应小于30cm。如党河水库沥青混凝土心墙坝，坝高58m，心墙底部厚度为1.5m，顶部为0.5m。沥青混凝土斜墙坝：沥青混凝土斜墙做成双层式，即在两层沥青混凝土防渗层之间夹一层由贫沥青混凝土铺成的排水层，如图5-29（a），其作用是排除渗过首层防渗层的渗水，但效果并不明显。近年来许多工程都倾向于采用简单的单层式沥青混凝土斜墙，如图5-29（b）所示。第六节土石坝的构造图5-29沥青混凝土面板构造（单位：m）1-沥青砂胶；2-沥青砂浆；3-沥青混凝土（分3层浇筑）；4-排水层；5-沥青混凝土（分2层浇筑）；6-整平层；7-沥青砂浆；8-碎石垫层；9-混凝土截水墙；10-沥青砂浆；11-滑动层第五章土石坝6926122（a）74651232（b）38（c）910611151063（2）钢筋混凝土面板钢筋混凝土防渗体：在堆石坝中应用，少量土坝有采用。防渗体的型式，以面板或心墙防渗体的。如广东飞来峡水库的副坝就是用钢筋混凝土做成心墙防渗体的土坝。3、复合土工膜利用土工膜作坝体防渗体材料：可以降低工程造价，而且施工方便快速，不受气候影响。多或少对2级以下的低坝，可采用土工膜代替粘土、混凝土等，作为坝体的防渗体材料。第六节土石坝的构造1322.0m41:1.55四、排水设施对渗入坝体内的水量。应设置排水设施，将渗水快速，有计划地排出坝外，以达到降低坝体浸润线和孔隙压力，防止渗流逸出区域产生渗透变形，保证坝坡稳定。坝体排水应满足如下三点要求：①排水体能自动地向坝外排出全部渗水；②排水体应便于观测和检修；③排水体应按反滤要求设计。常用的排水设施有如下几种形式：1．贴坡排水贴坡排水又称表面排水，它是在下游坝坡底部区域用石块或卵石加反滤层铺砌在坝坡表面。的排水设施（图5-30）。排水顶部超出坝体浸润线逸出点2.0m—1.5m。当下游有水时，排水顶面高程应高于波浪沿坡面的爬高；排水下游处应设置排水沟，并应具有足够的尺寸和深度，以便在沟内水面结冰后，下部仍有足够的排水断面。特点：这种形式的排水构造简单，省工节料，施工和检修都很方便。但不能降低坝体浸润线，且易因冰冻而失效；常用于中小型工程下游无水的均质坝或浸润线较低的中低坝。第六节土石坝的构造图5-30贴坡排水1-浸润线；2-护坡；3-反滤层；4-排水；5-排水沟2．棱体排水棱体排水又称滤水坝趾，它是在下游坡脚处用块石堆筑而成的排水设施（图5-3（a））。尺寸：顶部高程：应大于该地区的冰结深度，并应满足波浪爬高的要求。高出下游水位1.0m—0.5m。顶部宽度：应根据施工和观测的要求确定，一般为1.0～2.0m。排水的内