土石壩第一節概述

土石壩的特點與類型

小浪底土石壩樞紐壩址密云水庫小浪底壩體剖面圖

土石壩的優點①筑壩材料可以就地取材。

②能適應各種不同的地形、地質和氣候條件。

③適應大型機械化。④構造簡單，運用管理方便。

土石壩的缺點：

①壩頂不能溢流。②施工導流不方便。③壩體填筑工程量大。一、土石壩設計的基本要求（1）具有足夠的斷面維持壩體的穩定（2）設置良好的防滲和排水設施控制滲流（3）設計合理（4）泄洪建筑物具有足夠的泄洪能力（5）采取適當的構造措施土石壩的工作條件⑴

滲流影響⑵沖刷影響⑶沉陷影響⑷其他影響二、土石壩的類型按壩體高度可分為：高壩、中壩、低壩。按施工方法可分為：碾壓式土石壩，沖填式土石壩，水中填土壩和定向爆破堆石壩等。均質壩土質心墻壩土質斜墻壩按土料在壩身內的配置和防滲體所用的材料又可分為：

土質斜心墻壩多種土質壩人工材料心墻壩人工材料斜墻壩第二節土石壩的基本剖面

土石壩的組成及作用

土石壩的壩體剖面由壩身、防滲體、排水體、護坡四部分組成。

土石壩由壩身、防滲體、排水體和護坡等四部分組成。壩身主要用來保持壩體的穩定，壩身料應具有比較高的強度。下游壩身的水下部分以及上游壩身的水位變動區則要求具有良好的排水性能。防滲體的作用控制壩內浸潤線的位置，并保持穩定滲流，這部分的土體比壩殼其他部分更不透水。排水體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，以增強壩的穩定，并保護下游免遭凍脹破壞。

上游護坡為了防止風浪淘刷、順坡水流沖刷、冬季結冰和庫區漂浮物對上游坡面的破壞，下游護坡為了避免雨水沖刷，保護下游尾水部位的壩坡免受風浪、冰層和水流的作用以及動物、凍脹干裂等因素的破壞。

排水設備(常見的排水型式)棱體排水貼坡排水褥墊排水綜合式排水

一、壩頂高程壩頂超出靜水位以上的超高按下式計算：

d=h0+e+A二、壩頂寬度

三、壩坡第三節土石壩的構造一、防滲體

防滲體是土石壩的重要組成部分，其作用是防滲，必須滿足降低壩體浸潤線、降低滲透坡降和控制滲流量的要求，另外還需滿足結構和施工上的要求。常見的防滲體型式有心墻、斜墻、斜墻+鋪蓋、心墻+截水墻、斜墻+截水墻等。

(一）

土質防滲體（1）土質心墻心墻一般布置在壩體中部，有時稍偏向上游并略傾斜，以便于和防浪墻相連接，通常采用透水性很小的粘性土筑成。心墻頂部高程應高于正常運用情況下的靜水位0.3～0.6m，且不低于非常運用情況下的靜水位。（2）土質斜墻

斜墻位于壩體上游面，斜墻頂部高程應高于正常運用情況下的靜水位0.6～0.8m，且不低于非常運用情況下的靜水位。（3）土質斜心墻

為了克服心墻壩可能產生的拱效應和斜墻壩對變形敏感等問題，有時將心墻設在壩體中央向上游傾斜，成為斜心墻。（二）人工材料防滲體

（1）瀝青混凝土

用混凝土作防滲體，其抗滲性能較好，但由于其剛度較大，常因與壩體及壩基間變形不協調而發生裂縫。用作防滲體的瀝青混凝土，應具有良好的熱穩定性、水穩定性、防滲性、可撓性、和易性和足夠的強度，土石壩中常用瀝青混凝土作為防滲心墻或面板。（2）復合土工膜土工膜是土工合成材料的一種，包括聚乙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯等。土工膜具有很好的物理、力學和水力學特性，其滲透系數一般都小于10-8～10-12cm/s，高密度聚乙烯薄板的滲透系數可以小于10-13cm/s，具有很好的防滲性。如云南楚雄州塘房廟堆石壩，壩高50m，采用復合土工膜作防滲材料，布置在壩體斷面中間，現已竣工運行。二、壩頂及護坡（一）壩頂壩頂需設路面，當有交通要求時應按道路要求設計，如無交通要求，則可用單層砌石或礫石護面以保護壩體。壩頂設防浪墻可降低壩頂路面高程，防浪墻高度約為1.2m左右，可用漿砌石或混凝土筑成。為便于排除壩頂雨水，壩頂路面常設直線或折線型橫坡，坡度宜采用2%～3%。（二）護坡為保護土石壩壩坡免受波浪淘刷、冰層和漂浮物的損害、降雨沖刷，防止壩體土料發生凍結、膨脹和收縮以及人畜破壞等，需設置護坡結構上游護坡常采用堆石、干砌石或漿砌石、混凝土或鋼筋混凝土、瀝青混凝土等型式。下游護坡要求略低，可采用草皮、干砌石、堆石等型式。

圖砌石護坡構造（a）馬道；（b）護坡坡腳三、壩體排水和反濾層（一）壩體排水壩身排水的目的主要是為了：①降低壩體浸潤線及孔隙壓力，改變滲流方向，增加壩體穩定；②防止滲流逸出處的滲透變形，保護壩坡和壩基；③防止下游波浪對壩坡的沖刷及凍脹破壞，起到保護下游壩坡的作用。常見的排水型式有：棱體排水、貼坡排水、褥墊排水和綜合式排水，另外還有網狀排水帶、排水管和豎式排水體等型式。（1）棱體排水這種型式排水效果好，除了能降低壩體浸潤線防止滲透變形外，還可支撐壩體、增加壩體的穩定性和保護下游壩腳免遭淘刷。（2）貼坡排水貼坡排水又稱表層排水，它不能降低浸潤線，但能提高壩坡的抗滲穩定性和抗沖刷能力。

（3）褥墊排水

排水伸入壩體內部，能有效地降低壩體浸潤線，但對增加下游壩坡的穩定性不明顯，常用于下游水位較低或無水的情況。（4）組合式排水兼有各種單一排水型式的優點。

（二）反濾層及過渡層

它可起到濾土、排水的作用。通常在土質防滲體（包括心墻、斜墻、鋪蓋、截水槽等）與壩殼和壩基透水層之間，以及下游滲流出逸處。≤4～5且≥5四、土工合成材料在土石壩防滲和排水反濾中的應用（一）土工膜（二）土工織物五、土石壩的裂縫控制（1）縱縫（2）橫縫（3）內部裂縫

（拱效應）第九節土石壩與壩基、岸坡及其他建筑物的連接一、壩體與壩基及岸坡的連接1壩體與土基（清基、夯實）2壩體與巖基（混凝土結合槽）

第十節土石壩的抗震設計一、土石壩的地震震害二、土的動力特性1.加載速率的影響（短時的荷載）2.循環加載的影響（液化）

第四節

土石壩滲流分析方法土石壩滲流分析的內容及目的土石壩滲流分析的內容：①確定浸潤線的位置；②確定滲流的主要參數——滲流流速與坡降；③確定滲流量。土石壩滲流分析的目的：①對初選的壩的形狀與尺寸進行檢驗，確定滲流作用力，為核算壩坡穩定提供依據；②進行壩體防滲布置與土料配置，根據壩體內部的滲流參數和滲流逸出坡降，檢驗土體的滲流穩定，防止發生管涌與流土，在此基礎上確定壩體及壩基中防滲體的尺寸與排水設施的容量和尺寸；③確定通過壩和河岸的滲流水量損失并設計排水系統的容量。

教材209頁一、土石壩中的滲流特性

υ=κＪ1/β二、滲流分析的基本方程根據達西定律教材210頁

浸潤線：滲流在土壩壩體內的自由水面與垂直壩軸線剖面的交線。滲流分析方法主要有：流體力學法、水力學法、流網法、試驗法和數值解法。三、水力學法（基本假定）

應用達西定律和假定，全斷面內的平均流速等于：

設單寬滲流量為q，則：

浸潤線方程：

矩形土體單寬滲流量為：下游有褥墊排水的情況根據流體力學的分析，圖所示的浸潤線可用通過E點并以排水起點D為焦點的拋物線表示。若B點高度為h0，則C點距D點的距離為。由于浸潤線過點B（x=L′，y=h0）和C（x=L′+h0/2，y=0），故浸潤線方程可表示為：

又因浸潤線通過點E（x=0，y=H1）,故：

通過壩身單寬滲流量q為：

b=Hm11+2m1b有棱體排水時當下游無水時，按上述褥墊排水情況計算。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，即：

單寬滲流量可按下式求得：

浸潤線仍按式計算。

圖透水地基上帶截水槽的心墻壩的滲流計算圖圖透水地基上帶截水槽的斜墻壩的滲流計算圖有限深透水地基上均質壩滲流計算

首先按不透水地基上均質壩的計算方法，確定壩體的滲流量；再假定壩體不透水，根據滲流的達西定律，按式下式計算地基的滲流量；然后取總單寬流量q為兩者之和。

L0/T20543211.051.181.231.301.441.87（二）流網法是一種圖解法，滲流場不復雜時，采用此方法精度能滿足工程要求。圖土壩總滲透流量計算示意圖（三）總滲流量的計算

前面計算的是通過壩體和壩基的單寬滲流量。由于沿壩軸線的各斷面形狀及地基地質條件并不相同，因此計算通過壩體的總滲流量，可根據具體情況將壩體沿壩軸線劃分為若干段。

四、土石壩滲透變形及其防護滲透變形的型式：一般有管涌、流土、接觸沖刷、剝離和化學管涌等類型。工程中以管涌和流土最為常見。

滲透變形防護標準：管涌、流土217頁防止滲透變形的工程措施有以下幾種：（1）設置防滲設施；（2）設置排水溝或減壓井；（3）設置反濾層。

圖太平湖土壩減壓井和透水蓋重（單位：m）第五節

土石壩的穩定分析一、土石壩滑動破壞型式

失穩的原因土石壩的壩坡較緩，在外荷載及自重作用下，不會產生整體水平滑動。由于其壩體材料為散粒體，如果剖面尺寸不當或壩體、壩基材料的抗剪強度不足，在一些不利荷載組合下有可能發生壩體或壩體連同部分壩基一起局部滑動的現象，造成失穩。土石壩失穩的原因：土石壩產生滑坡的原因往往是由于壩體抗剪強度太小，壩坡偏陡，滑動土體的滑動力超過抗滑力，或由于壩基土的抗剪強度不足因而會連同壩體一起發生滑動。滑動力大小主要與壩坡的陡緩有關，壩坡越陡，滑動力越大。常見的滑動破壞型式曲線滑動面復合式滑動面

折線滑動面

1）曲線滑動面，當滑動面通過粘性土部位時，其形狀通常為一頂部陡而底部漸緩的曲面，在穩定分析中多以圓弧代替。

2）折線滑動面，多發生在非粘性土的壩坡中。如薄心墻壩，斜墻壩中；當壩坡部分浸水，則常為近于折線的滑動面，折點一般在水面附近。

3）復式滑動面，厚心墻或由粘土及非粘性土構成的多種土質壩形成復合滑動面。當壩基內有軟弱夾層時，因其抗剪強度低，滑動面不再往下深切，而是沿該夾層形成曲、直面組合的復合滑動面。二、荷載及其組合

1）荷載土石壩穩定計算考慮的荷載主要有自重、滲透力、孔隙水壓力和地震慣性力等。

2）計算工況與安全系數施工期穩定滲流期水庫水位降落期正常情況遇地震期新規范三、抗剪強度指標的測定和選擇

四、穩定分析方法

依據滑裂面的不同型式，可分為圓弧滑動法、折線滑動法和復合滑法。圖圓弧滑動法穩定計算有效應力法：總應力法：

圓弧滑動法折線滑動法β

θδ

P

圖復合滑動面穩定計算復式滑動法穩定分析方法的發展土石壩的固結、沉降與應力分析一、固結與沉降分析壩在施工和蓄水過程中荷載和應力狀態不斷發生變化，粘性土在外荷載作用下產生壓縮時，由于孔隙水壓力不能及時排出，外荷載便由土粒、孔隙中的水共同承擔。隨著超靜孔隙水壓力的逐漸消散，所加的外荷載逐漸向土料骨架上轉移。使之發生壓縮變形直到穩定，這一過程成為固結。

固結分析的目的是，了解防滲體和粘性土壩基中的孔隙水壓力及其沉降變形隨時間的變化情況，評價其對壩坡穩定和壩基承載力的影響。（一）固結分析1、固結分析的基本方程（太沙基、比奧固結理論（4條假定）土體變形主要由孔隙水壓力和超靜孔隙水壓力消散而引起。2、固結分析的近似計算（關注孔隙水壓力對壩體的影響）u=u0+△u(二）沉降分析孔隙水壓力消散，導致土體被壓縮產生沉降。根據壓縮曲線確定相應的孔隙比△e總沉降量壓縮曲線近似為直線時二、應力分析

目前還缺乏比較完善的計算模型，廣泛使用的是鄧肯——張（DuncanandChang)模型。計算成果只能供設計參考。第六節筑壩用土石料及填筑標準一、防滲體土料

防滲體是土石壩防滲的核心部分，它主要是利用低透水性的材料將滲流控制在允許范圍內。防滲體應具有足夠的防滲性和一定的抗剪強度，高心墻還應具有低壓縮性。土料選擇原則防滲性、抗剪強度、壓縮性、抗滲穩定性、含水量、顆粒級配、膨脹量及體縮量、可溶鹽。

二.壩殼土石料土石壩的壩殼材料主要起保護、支撐防滲體并保持壩體的穩定，因而對強度有一定的要求。壩殼材料在壓實后，應具有較高的強度和一定的抗風化能力，對于下游壩殼水下部位及上游壩殼水位變動區材料還應有良好的透水性。分化巖的應用與填筑標準。常見的滑動破壞型式曲線滑動面復合式滑動面

折線滑動面

三、反濾料、過渡層及排水體采用質地致密堅硬，具有高抗水性和抗風化能力的材料。第七節土石壩的地基處理

土石壩地基處理的主要目的是為了滿足控制滲流，減少滲透坡降。保持壩體和壩基的靜力和動力穩定，不產生過大的有害變形，不發生明顯的不均勻沉降。以保證壩的安全運行。一、巖石地基的處理主要是防滲二、砂礫石壩基處理1）粘土截水槽2）混凝土防滲墻3）灌漿帷幕4）防滲鋪蓋5）下游排水減壓設施三、細砂、軟粘土和濕陷性黃土壩基處理

（一）細砂壩基（液化）（二）軟粘土壩基（三）濕陷性黃土壩基處理第八節土石壩與壩基、岸坡及其他建筑物的連接一、壩體與壩基及岸坡的連接1壩體與土基（清基、夯實）2壩體與巖基（混凝土結合槽）

二、壩體與混凝土建筑物的連接

1.插入式（見圖5-39）

2.翼墻（見圖5-40）第九節土石壩