1、碾壓式土石壩設計 熟練掌握筑壩材料選擇與填筑標準。 熟練掌握壩體結構設計：壩體材料分區、壩坡、防滲體選擇、反濾與過渡層設計；壩體排水及構造要求。 熟練掌握基礎處理設計：砂礫石壩基滲流控制；易液化土、軟粘土和濕陷性黃土壩基處理。 掌握壩體與壩基、岸坡及其他建筑物的連接設計。 掌握壩的滲流、滲透穩定及壩坡穩定計算。 掌握混凝土面板堆石壩斷面設計及周邊和板間接縫止水構造設計。了解碾壓式土石壩安全監測設計。了解碾壓（澆筑）式瀝青面板與心墻設計。了解分期施工和擴建加高設計。碾壓式土石壩設計第一節 筑壩材料選擇與填筑標準一、筑壩土石料選擇應遵循的原則（1）具有或經過加工處理后具有與其使用目的相適應的工程性

2、質。（2）石料的工程性質在長時期內保持穩定。（3）就地、就近取材，減少棄料，少占或不占農田，并優先考慮樞紐建筑物開挖料的利用。（4）便于開采、運輸和壓實。二 各種筑壩材料的選擇標準及其填筑標準(1)防滲體1）防滲土料的選擇標準滲透系數：均質壩不大于 110-4cms，心墻和斜墻不大于110-5cms。水溶鹽含量含量不大于3。有機質含量：均質壩不大于5，心墻和斜墻不大于2，超過此規定需進行論證。有較好的塑性和滲透穩定性。浸水與失水時體積變化小。 二 各種筑壩材料的選擇標準及其填筑標準2）礫石土防滲體礫石土或稱礫石粘性土，是一種含有相當多粗礫土（粒徑大于5mm），也含有一定數量淅瀝土（粒徑小于5m

3、m）的混合料。其中粒徑大于5mm的顆粒含量不宜超過50%，最大粒徑不宜大于150mm或鋪土厚度的2/3，0.075mm以下的顆粒含量不應小于15。并且在填筑時不允許發生粗料集中架空的現象。實踐證明，級配優良的礫石土，壓實性好，抗剪強度高，壓縮性低，便于施工，是一種優良的筑壩材料。 二 各種筑壩材料的選擇標準及其填筑標準3）其他防滲土料一般情況下，塑性指數大于20和液限大于40的沖積粘土、膨脹土、開挖壓實困難的干硬粘土、凍土、分散性粘土等不宜作為壩的防滲體填筑料，必須采用時，應根據其特性采用相應的措施。 二 各種筑壩材料的選擇標準及其填筑標準(2)壩殼料應具有比較高的強度。要求具有良好的排水性能

4、。砂、礫石、卵石、漂石、碎石等無粘性土料以及料場開采的石料和開挖的石渣料，均可用作壩殼材料，但應根據其性質配置于壩殼的不同部位。 二 各種筑壩材料的選擇標準及其填筑標準（3）反濾料、過濾料及排水材料1）反濾料、過濾層料和排水體料應采用質地致密堅硬，具有高度抗水性和抗風化能力的材料，風化料一般不能用作反濾料。2）材料應具有要求的級配和透水性，其中反濾料和排水體料中粒徑小于0.075mm的顆粒含量應不超過5。3）宜盡量利用天然砂礫料篩選，當缺乏天然砂礫料時，亦可人工軋制，但應選用抗水性和抗風化能力強的母巖材料。4）3級低壩經過論證可采用土工織物作為反濾層。三 各種筑壩材料的填筑標準填筑標準應根據各

5、種因素綜合研究確定含礫和不含礫的粘性土的填筑標準應以壓實度和最優含水率作為設計控制指標。設計干密度應以擊實最大干密度乘以壓實度求得。 三 各種筑壩材料的填筑標準粘性土的壓實度應符合下列要求：1） 1級、2級壩和高壩的壓實度應為98100，3級中、低壩及3級以下的中壩壓實度應為9698；2）設計地震烈度為8度、9度的地區，宜取上述規定的大值；3）有特殊用途和性質特殊的土料的壓實度宜另行確定。4）粘性土的最大干密度和最優含水率應按擊實試驗方法求取。對于礫石土應按SL237-1999土工試驗規程全料試樣求取最大干密度和最優含水率。 三 各種筑壩材料的填筑標準3.砂礫石和砂的填筑標準應以相對密度為設計

6、控制指標，并應符合下列要求：1）砂礫石的相對密度不應低于0.75，砂的相對密度不應低于0.70，反濾料的相對密度宜為0.70。2）砂礫石中粗粒料含量小于50時，應保證細料（小于5mm的顆粒）的相對密度也符合上述要求。3）地震區的相對密度設計標準應符合SL20397水工建筑物抗震設計規范的規定。 三 各種筑壩材料的填筑標準4.堆石的填筑標準宜用孔隙率為設計控制指標，并應符合下列要求：1）土質防滲體分區壩和瀝青混凝土心墻壩的堆石料，孔隙率宜為2028；2）瀝青混凝土面板壩堆石料的孔隙率宜在混凝土面板堆石壩和土質防滲體分區壩的孔隙率之間選擇；3）采用軟巖、風化巖石筑壩時，孔隙率宜根據壩體變形、應力及

7、抗剪強度等要求確定；4）設計地震烈度為8度、9度的地區，可取上述孔隙率的小值。 三 各種筑壩材料的填筑標準用孔隙率作為填筑標準有一定困難，實際施工時按碾壓參數（包括碾壓設備的型號、振動頻率及重量、行進速度、鋪筑厚度、碾壓遍數等）及干密度同時控制。 三 各種筑壩材料的填筑標準（4）粘性土的施工填筑含水量應控制在最優含水率23范圍內。（5）在冬季負氣溫下填筑時，應使土料在填筑過程中不凍結，粘性土的填筑含水率宜略低于塑限；砂和砂礫料中的細料部分的含水率宜小于4，并適當提高填筑密度。 第二節 壩體結構設計 一 壩體材料分區（1）均質壩分為壩體、排水體、反濾層和護坡等區。（2）防滲體在上游面時，壩體滲透

8、性宜從上游至下游逐步增大；防滲體在中間時，壩體滲透性宜向上、下游逐步增大。（3）當采用風化料或軟巖筑壩時，壩表面應設保護層，其垂直厚度應不小于1. 5m。 二 壩體邊坡的選擇（1）均質壩、土質防滲體分區壩、瀝青混凝土面板或心墻壩及土工膜心墻或斜墻壩壩坡，可參照已建壩的經驗或近似方法初步擬定，最終應經穩定計算確定。（2）當壩基抗剪強度較低，壩體不滿足深層抗滑穩定要求時，宜采用在壩坡腳壓戧的方法提高其穩定性。（3）上、下游壩坡馬道的設置應根據壩面排水、檢修、觀測、道路、增加護坡和壩基穩定等不同需要確定。（4）土質防滲體分區壩和均質壩上游坡宜少設馬道。（5）若壩基土或筑壩土石料沿壩軸線方向不相同時，

9、應分壩段進行穩定計算，確定相應的壩坡。 三 壩頂高程及構造要求（1）壩頂安全超高、壩頂高程擬定參見第一章有關內容。（2）壩頂構造要求 1）壩頂寬度應根據構造、施工、運行和抗震等因素確定。 2）壩頂蓋面材料應根據當地材料情況及壩頂用途確定，宜采用密實的砂礫石、碎石、單層砌石或瀝青混凝土等柔性材料 3）壩頂面可向上下游側或下游側根據降雨強度放坡，一般在23之間選擇，并做好向下游的排水系統。 4）壩頂上游側的防浪墻應堅固不透水，墻頂應高于壩頂1.001.20m，并必須與防滲體緊密結合，同時設置必要的伸縮縫、做好止水。 四 壩體防滲體的選擇在土石壩中，土質防滲體是應用最為廣泛的防滲結構，且可用作防滲體

10、的土料范圍很廣。土質防滲體的主要結構形式為心墻和斜墻（圖4-1-1）。防滲體頂部的水平寬度需要考慮機械化施工的要求，不應小于3m。土質防滲體頂部在正常蓄水位或設計洪水位以上的超高，應按表4.1.2-1的規定取值。心墻和斜墻的頂部以及斜墻的上游側均應設置保護層，以防止冰凍和干裂。心墻、斜墻與壩殼和截水槽與壩基透水層之間，以及下游滲流逸出處，都必須設置反濾層。 四 壩體防滲體的選擇土質防滲體斷面應滿足滲透比降、下游浸潤線和滲透流量的要求。土質防滲體的主要結構形式為心墻和斜墻（圖4.1.1）。心墻和斜墻的厚度，決定于土料的容許坡降。在設計中通常采用平均容許坡降Ja作為控制標準，它等于最大作用水頭H與

11、防滲體厚度T的比值，心墻的Ja不宜大于4，斜墻的Ja不宜大于5。在國內外土石壩的建設實踐中，厚心墻的底部厚度常取為水頭的3050，薄心墻的底部厚度取為水頭的15%20%。防滲體頂部的水平寬度需要考慮機械化施工的要求，不應小于3m。 四 壩體防滲體的選擇 四 壩體防滲體的選擇土質防滲體頂部在正常蓄水位或設計洪水位以上的超高，應按表4.1.2-1的規定取值。非常運用條件下，防滲體頂部不應低于非常運用條件的靜水位，并應核算風浪爬高高度的影響。同時，防滲體頂部高程的確定應預留竣工后的沉降超高。 表4-2-1 正常運用情況下防滲體頂部超高 單位:m防滲體結構型式超高防滲體結構型式超高斜墻0.800.60

12、心墻0.600.30 五 反濾層與過渡層設計（1）設計原則1）反濾層的作用是濾土排水，防止土工建筑物在滲流逸出處遭受管涌、流土等滲流變形的破壞以及不同土層界面處的接觸沖刷。2）過渡層的作用是避免在剛度相差較大的兩種土料之間產生急劇變化的變形和應力。3）壩的反濾層必須符合下列要求： 使被保護的土不發生滲透變形； 滲透性大于被保護土，能通暢地排出滲透水流； 不致被細粒土淤塞失效。 五 反濾層與過渡層設計（2）反濾層的級配和層數的計算方法詳見碾壓式土石壩設計規范附錄B 。（3）人工施工時，水平反濾層的最小厚度可采用0.30m，垂直或傾斜反濾層的最小厚度可采用0.50mm；采用機械施工時，最小厚度應根

13、據施工方法確定。（4）如果防滲體與壩殼料之間的反濾層總厚度不能滿足過渡要求時，可加厚反濾層或設置過渡層。（5）混凝土面板堆石壩的墊層和堆石之間，瀝青混凝土心墻和壩殼之間均應設過渡層。（6）土質防滲體分區壩壩殼為堆石時，過渡層應采用連續級配，最大粒徑不宜超過300mm，頂部水平寬度不宜小于3.00m，采用等厚度或變厚度均可。 圖4-2-2 型反濾 圖4-2-3 型反濾 六 壩體排水及構造要求 壩體排水的作用是：控制和引導滲流，降低浸潤線，加速孔隙水壓力消散，防止滲流出逸處產生滲透變形，并保護下游壩坡免遭凍脹破壞。(1) 壩體排水必須滿足以下要求：應有充分的排水能力，以保證自由地向壩外排出全部滲透

14、水；應按反濾原則設計，以保證壩體及地基土不發生滲透破壞；便于觀測和檢修。(2) 壩體排水有四種常用形式：1) 壩內排水。壩內排水又分為豎式排水和水平排水。2) 棱體排水，又稱濾水壩趾。3)貼坡式排水，又稱表面排水。4)綜合型排水。六 壩體排水及構造要求 六 壩體排水及構造要求(3) 排水形式的選擇，必須結合壩基排水的需要及其形式，考慮下列情況，經技術經濟比較確定：(4) 均質壩和下游壩殼用弱透水材料填筑的土石壩，宜優先選用豎式排水，其底部可用褥墊式排水將滲水引出。(5) 壩內水平排水設計應遵守的規定：(6) 棱體排水設計應遵守的規定：(7) 貼坡排水設計應遵守的規定：(8) 壩面排水 七 護坡

15、 壩表面為土、砂、砂礫石等材料時應設專門護坡，堆石壩可采用堆石材料中的粗顆粒料或超徑石做護坡。（1）護坡的形式、厚度及材料粒徑。（2）護坡的形式。（3）護坡的厚度和粒徑計算。（4）護坡的覆蓋面積應按以下要求確定：（5）護坡料與被保護料之間應滿足反濾要求，并設置排水。寒冷地區的粘性土護坡，應根據凍脹是否引起護坡變形設置不小于當地凍結深度的防凍墊層。第三節 壩基處理設計（一）壩基處理的一般要求（二）砂礫石壩基的處理在砂礫石地基上建壩的主要問題是進行滲流控制，解決辦法是做好防滲和排水。 （二）砂礫石壩基的處理（1）垂直防滲1）垂直防滲的型式：截水槽、混凝土防滲墻、灌漿帷幕或其組合等。2）截水槽當壩基

16、砂礫石層不太深厚時，截水槽是最為常用而又穩妥可靠的防滲設施。一般布置在大壩防滲體底部（均質壩則多設在靠上游1/3至1/2壩底寬處），橫貫整個河床并延伸到兩岸。（2）上游防滲鋪蓋 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少至容許范圍以內。鋪蓋多在中小工程中使用。對高、中壩，復雜地層、滲透系數較大和防滲要求較高的工程應慎重選用。鋪蓋應與下游排水設施聯合使用。（3）下游排水設施及蓋重設置原則 對于成層結構的砂礫石地基，單純采用水平防滲不能有效降低滲透壓力、消除滲透變形及下游沼澤化時，應設置排水溝或減壓井，排水設施應做在透水層上。 壩基排水設施的選用及布置 水平排水墊層，反濾排水溝反濾排水

17、暗溝減壓井排水減壓井系統設計 確定井徑、井距、井深、出口水位，并計算滲流量及井間滲水壓力，使其小于允許值。3）混凝土防滲墻深厚砂礫石地基采用混凝土防滲墻是比較有效和經濟的防滲設施，設計原則：厚度應根據壩高和施工條件確定；插入土質防滲體高度宜為1/10壩高；高壩可適當降低，或根據滲流計算確定；低壩應不低于2m。在墻頂填筑含水率大于最優含水率的高塑性土區；墻底宜嵌入基巖0.51.0m。對風化較深和斷層破碎帶可根據壩高和斷層破碎情況加深；高壩深砂礫石層的混凝土防滲墻，應進行應力應變分析，為確定混凝土的強度提供依據；除應具有所要求的強度外，還應有足夠的抗滲性和耐久性，在混凝土內可摻粘土、粉煤灰及其他外

18、加劑；對高壩深厚覆蓋層中的混凝土防滲墻宜采用鉆孔、物探等方法做強度和滲透性的質量檢查。4）灌漿帷幕 根據容許的滲透坡降J確定帷幕厚度T。灌漿帷幕前，應先按可灌比（M）判別其可灌性：M15可灌注水泥漿；M10可灌注水泥粘土漿。可灌性應通過室內及現場試驗最終確定。可灌比M可按式（4.3.1）計算： MD15/d85 (4.3.1)式中 D15受灌地層中小于該粒徑的土重占總土重的15，mm； d85灌注材料中小于該粒徑的土重占總土重的85，mm。4）灌漿帷幕帷幕厚度T可按式（4.3.2）計算： TH/J (4.3.2)式中 H最大設計水頭，m； J帷幕的允許坡降，對一般水泥粘土漿，可采用34。對深度

19、較大的多排帷幕，根據滲流計算和已有的工程實例可沿深度逐漸減薄；4）灌漿帷幕帷幕的底部深入相對不透水層宜不小于5m，若相對不透水層較深，可根據滲流分析，并結合類似工程研究確定；多排帷幕灌漿的孔、排距應通過灌漿試驗確定，初步可選用23m，排數可根據帷幕厚度確定；使用的水泥粘土漿最優配比應由試驗確定，但其中水泥量應為水泥和粘土總量的2050（按質量計）；灌漿結束后，對表層未固結好的砂礫石應挖除，在完整的帷幕頂上填筑防滲體，必要時可設置利于結合的齒墻或混凝土墊層；灌漿方法宜用套閥花管法。（三）巖石壩基處理1. 喀斯特地區巖石壩基處理2. 不利地質構造地區巖石壩基處理3. 帷幕灌漿的設計要求4. 固結灌

20、漿的設計要求（四）易液化土、軟粘土和濕陷性黃土壩基的處理易液化土壩基的處理:挖除、振沖加密、圍封、蓋重、加強排水軟粘土的壩基處理:挖除、排水或其它物理、化學方法加固地基、調整施工速率、提高防滲體柔性等濕陷性黃土的壩基處理:挖除、翻壓、強夯、泡水預壓或綜合措施第四節 壩體與壩基、岸坡及其它建筑物的連接（一）壩體與壩基及岸坡的連接（二）壩體與其他建筑物的連接1 . 壩體與土質壩基及岸坡的連接必須遵守的規定壩體與巖石壩基和岸坡的連接應遵守的原則與土質防滲體連接的岸坡的開挖應符合的要求 壩體與混凝土壩、溢洪道、船閘、涵管等建筑物的連接，必須防止接觸面的集中滲流，因不均勻沉降而產生的裂縫，以及水流對上、

21、下游壩坡和坡腳的沖刷等因素的有害影響。第五節 壩的滲流計算，滲透穩定及壩坡穩定計算（一）壩的滲流計算1 . 滲流計算的內容2 . 滲流分析的目的3 . 滲流計算工況4 . 土石壩的滲流特性5 . 滲流分析的基本方程6 . 滲流分析的水力學方法和流網法1 . 滲流計算的內容1）確定壩體浸潤線及其下游出逸點的位置，繪制壩體及壩基內的等勢線分布圖或流網圖；2）確定壩體與壩基的滲流量；3）確定壩坡出逸段與下游壩基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透比降；4）確定庫水位降落時上游壩坡內的浸潤線位置或孔隙壓力；5）確定壩肩的等勢線、滲流量和滲透比降。3 滲流計算工況1）上游正常蓄水位與下游相應的最低水位

22、；2）上游設計洪水位與下游相應的水位；3）上游校核洪水位與下游相應的水位；4）庫水位降落時上游壩坡穩定最不利的情況。4 . 土石壩的滲流特性壩體和河岸中的滲流均為無壓滲流，有浸潤面存在，大多數情況下可看作為穩定滲流。但水庫水位急降時則產生不穩定滲流。在滲流分析中，一般假定滲流流速和坡降的關系符合達西定律，。 在均質土壩中可假定各點和各個方向的滲透系數k是相同的，計算滲流量時宜采用土層滲透系數的大值平均值，計算水位降落時的浸潤線宜用小值平均值。 6滲流分析的水力學方法和流網法（1）水力學方法水力學方法可用來近似確定浸潤線的位置，計算滲流流量、平均流速和坡降。水力學方法采用的基本假定是： 滲流為緩

23、變流動，等勢線和流線均緩慢變化。滲流區可用矩形斷面的滲流場模擬（圖4-5-2）。滲流量q和滲流水深Hx的計算公式為(4-5-7）和（4-5-8）式中 H1、H2分別為上、下游水深； L滲流區長度； x計算點至下游面的距離。圖4-5-2 水力學方法計算簡圖 6滲流分析的水力學方法和流網法上游三角形棱體可以用一等效的矩形體代替，當壩體和壩基滲透系數相同時，可以足夠精確地認為等效矩形的寬度b0.4H1。上游壩坡較陡時(m12)，可取式中 m1上游壩坡的坡率6滲流分析的水力學方法和流網法當壩體和壩基滲透系數相同時，浸潤線在下游坡面上的逸出高度可近似確定。式中 m2下游壩坡的坡率； 其它符號的含義見圖4

24、-5-3。（a）上游棱體的簡化 （b）壩基的簡化圖4-5-3 均質壩的計算圖形 2 流網法 流網法是一種圖解法。1)流網的基本特性.等勢線和流線互相正交；.流網各個網格的長寬比保持為常數時，則相鄰等勢線間的水頭差相等，各相鄰流線間通過的滲流量相等；上游水位下的壩坡和庫底以及下游水位下的壩坡和庫底均為等勢線，總水頭等于壩上、下游的水位差； 壩下不透水層面為一流線； 浸潤線為一流線，其水頭等于線上各點的y坐標。 滲流在下游壩坡上的逸出點與浸潤線一樣，其壓力等于大氣壓，各點水頭也隨幾何坐標y而變化； 在兩種滲透系數不同的土層交界面上，流線間的夾角成立如下的關系：tan1/tan2=k1/k2見圖4-

25、5-5 2)滲流計算 上圖為圖4-5-5 流網特性圖（二）滲透穩定計算1 . 滲透穩定的計算內容1）判別土的滲透變形形式(即管涌、流土、接觸沖刷等；)2）判明壩和壩基土體的滲透穩定；3）判明壩下游滲流出逸段的滲透穩定。2 . 滲透變形的判別方法1）應按GB50287-99水利水電工程地質勘察規范的規定執行；2）在沒有反濾層保護時，壩體、壩基滲透出逸比降應小于材料的允許滲透比降。3 . 設置排水蓋重或排水減壓井的條件1）壩基表層土的滲透系數小于下層土的滲透系數，而下游滲透出逸比降符合(4-1-15)式， 可設置排水蓋重或排水減壓井；4 . 阻止滲透變形的工程措施 降低滲流的滲透坡降,或提高土體的

26、抗滲強度,以防止滲透破壞。 三 壩坡穩定計算概述計算工況與內容1）施工期（包括竣工時）、穩定滲流期、水庫水位降落期和正常運用遇地震四種工況。2）計算內容 施工期的上、下游壩坡； 穩定滲流期的上、下游壩坡； 水庫水位降落期的上游壩坡； 正常運用遇地震的上、下游壩坡。三 壩坡穩定計算3.抗剪強度指標計算1）土石壩各種計算工況，土體的抗剪強度均應采用有效應力法按式（4.5.18）計算：2）粘性土施工期同時應采用總應力法按式（4.5.19）計算 粘性土庫水位降落期同時應采用總應力法按式（4.5.20）計算： 三 壩坡穩定計算4.抗剪強度指標測定1）土的抗剪強度指標應采用三軸儀測定。對3級以下的中壩，可用直接慢剪試驗測定土的有效強度指標；對滲透系數小于10-7cm/s或壓縮系數小于0.2MPa-1的土，也可用直接快