第四章4节土石坝

2020/3/231一、定义及建设情况二、结构特点及优缺点三、组成及设计要求四、类型及坝型选择§1土石坝概述2020/3/232定义：由土、石料等当地材料经抛填、碾压等方法堆筑成的坝。土石坝又可分为两大类土坝和堆石坝:1、土坝：土或砾石(含砾量60%~70%)渗透系数较低2、堆石坝：块石或砾石(含砾量60%~70%)渗透系数较高、砾石起骨架作用关键：控制坝体强度和稳定的是填土或者堆石一、定义及建设情况2020/3/233建设情况：历史最悠久，数量最多。中国最早的土石坝出现在公元前600多年，我国开始填筑土堤，防御洪水，蓄水兴利。如：安徽芍陂(quèbēi)、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。土石是水利工程建设中最被广泛利用的当地材料，这不仅有利于群众性施工，而且随着大型高效施工机具的采用，施工人数大幅度减少，施工工期缩短，施工费用大大降低。因此，在国内外水利工程建设中，绝大多数堤坝均土石材料填筑。2020/3/234安徽寿县芍陂(quèbēi)芍陂陂塘灌溉工程，位于安徽省寿县南。春秋时期楚庄王十六年至二十三年（公元前598年～公元前591年）由孙叔敖创建，迄今2500多年一直发挥不同程度的灌溉效益。1959年，安徽省文化局文物工作队曾在安丰塘越水坝地方，发掘出一座汉代（公元前206年～公元220年）水利工程（草土堰）遗址，伴随出土的有汉代时期铁锤等文物。芍陂灌区面积，在公元4世纪～公元13世纪常见记载，有灌田万顷、灌田五千余顷等说法。自古来芍陂工程的人为破坏严重，多次受到战争波及，以致到民国年间，芍陂灌溉效益越来越低，1949年实灌面积仅8万多亩。2020/3/235浙江省鄞(yín)县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枢纽工程。位于浙江省宁波市西南，唐代大和七年（公元833年）由县令王元玮创建。筑堰前，海潮可沿江上溯章溪，因海水倒灌使耕田卤化，城市用水困难。在鄞江上游出山处的四明山与它山之间，用条石砌筑一座上下各36级的拦河溢流坝。这座坝平时可以下挡咸潮，上蓄溪水，供鄞西平原七乡数千顷农田灌溉，并通过南塘河供宁波城使用。为防止洪水涌入城市。宋代（公元960年～公元1279年）至清代（公元1644年～公元1911年）时都对工程进行维修。明代嘉靖十五年（公元1536年）加高堰（坝）顶1尺，清代咸丰七年（公元1857年）曾进行较大修治。公元1914年清理堰上淤积，使水道通畅。1987年定为全国重点保护文物。2020/3/236它山堰2020/3/237特别是最近十几年以来，随着大型高效的土石方施工机械的采用，岩土力学理论和电子计算机技术在土石坝设计中的广泛使用，为建筑高土石坝提供了有利条件，土石坝得到了飞跃发展，成为当今世界上坝体高度最高、应用最广泛的坝型。目前世界上最高的水坝为塔吉克斯坦的罗贡土石坝，坝高335m。我国已建的最高土石坝为小浪底土石坝，坝高154m，在建的水布垭面板堆石坝高达233m。在本世纪，我国将发展更高的土石坝。2020/3/238全世界高坝中土石坝的比例变化2020/3/239各种坝型建设情况2020/3/2310世界土石坝按国家或地区分类统计图中国17475欧洲（含俄罗斯）1918日本1484美国4694印度998南美629其他27782020/3/2311小浪底土石坝2020/3/2312水布垭面板堆石坝水布垭枢纽总工期8年，自从2001年正式开工，工程于2008年12月底全部竣工。水布垭的面板堆石坝是目前世界上最高的面板堆石坝。2020/3/2313水布垭水利枢纽基本资料2020/3/2314姆里卡水电站位于印度尼西亚爪哇岛中部的塞拉尤(Serayu)河上。主坝为心墙土石坝，最大坝高110m。2020/3/23152020/3/2316西北口面板堆石坝作为“七五”国家重点科技攻关的试验坝，结合实际工程做了大量科研工作，并用之于工程实际。1988年4月23日至26日浇筑第一块面板试验块，获得成功，随后将此项成果移交给施工单位，在1989年3-6月份浇筑其余各块，却出现严重裂缝事故，基本上呈水平走向，贯穿整个面板条块。当时引起一些人对面板坝的疑虑，甚至有的面板坝工程提出更改坝型的问题，影响了面板坝的声誉。经过多次调查分析论证，认为其主要原因是原材料使用不当，施工工艺不严格，以及未及时养护等，只要认真对待，还是可以解决的。西北口面板堆石坝2020/3/2317江西东津88.5m2020/3/2318兴山古洞口118m2020/3/23191、结构特点：（1）稳定方面：不会沿坝基面整体滑动，失稳形式主要是坝坡滑动或连同部分地基一起滑动；（2）渗流方面：坝体为散粒体结构，在上下游水位差作用下经坝体和地基向下游渗透，产生渗透压力和渗透变形，严重时会导致坝体失事；（3）冲刷方面：颗粒间粘结力小，因此土石坝抗冲能力较低；）（4）沉降方面：颗粒间存在孔隙，受力后产生沉陷；二、结构特点及优缺点2020/3/23201．坝体、坝基的透水性挡水时：由于上、下游水位差的作用，水将经坝体和坝基的颗粒孔隙向下游渗透。1）使水库的水量大量流失；2）而且还会引起坝体或坝基产生管涌、流土等渗透变形，导致溃坝事故。以坝体浸润线为界，线上的土为非饱和状态，线下土体则呈饱和状态。饱和土体，其抗剪强度指标也将相应降低，对坝坡稳定不利。为此，应设置防渗和排水措施，以减少水库的渗漏损失和保证坝坡的稳定性。二、土石坝的工作特点2020/3/23212020/3/23222．土石坝的局部失稳定破坏形式土石坝是松散的土石料填筑，坝体剖面需要做成上、下游边坡较平缓的梯形断面。由于由松散颗粒组成，其失稳是以局部坝坡坍塌的形式出现。当坝坡太陡或土体的抗剪强度指标较小时，在渗透压力和土体上部重力的作用下，局部坝坡土体（包括坝基土体）将向坡外滑移，简称滑坡。为了保持坝坡稳定，需设置较平缓的上、下游坝坡。因此，应根据地形、地质条件和筑坝材料等因素选择适宜的坡。使坝体：保证安全稳定、经济合理。2020/3/23233．抗冲性能差坝体材料是松散的颗粒：当洪水漫过坝顶时，水流必然会携带土粒流失，从而引起坝体局部破坏或整体溃决。例如，1975年8月，我国淮河上游两座土坝，因溢洪道泄洪能力不足发生洪水漫顶而溃坝。由于波浪的作用，必然导致坡面土料的流失和坍塌，削弱坝体剖面尺寸，对坝体稳定不利。设计中，要求：1）坝体应有足够的超高2）坝坡应有相应的防冲措施。3）保证泄洪措施有足够的泄洪能力。2020/3/23244．坝体沉陷量大坝体材料是松散的颗粒：由于坝体土料、石料之间的孔隙存在，坝体是可压缩的。尽管在筑坝时要求分层填筑、逐层压实，但坝体的沉陷仍然是不可避免的。当坝基为土基时，沉陷值将更大。过大的沉陷将会降低坝顶的设计高程；而不均匀的沉陷将使坝体产生纵向、横向和各种走向的裂缝，危及坝身安全。观测资料表明，竣工后的坝体沉陷仍可达到坝高的0.5%～1.0%左右。因此，在设计坝顶高程时应适当考虑预留沉陷值—(1.0%)H。2020/3/2325优点：（1）筑坝材料可以就地取材，可节省大量钢材和水泥，免修公路；（2）较能适应地基变形，对地基的要求比砼坝要低；（3）结构简单，工作可靠，便于维修和加高、扩建；（4）施工技术简单，工序少，便于组织机械化快速施工。三、土石坝的优缺点2020/3/2326缺点：1、坝身一般不能溢流，需另设溢洪道；2、施工导流不如混凝土坝方便；3、对防渗要求高，因为剖面大，所以填筑量大而且施工容易受季节影响。2020/3/2327四、土石坝组成及设计要求坝身防渗体排水设备护坡坝身是土石坝的主体，坝的稳定主要靠它维持；防渗体的作用是防止渗透破坏和减少渗透水量；排水设备的作用是安全地排除渗透水，增强下游坝坡的稳定性；护坡的作用是防止波浪、冰层、温度变化、雨水和水流等对坝坡的破坏。1、土石坝组成2020/3/2328坝体结构图护坡排水设备2020/3/23292020/3/2330206座土石坝事故原因分析破坏原因占总溃坝的%洪水漫顶30渗透破坏25沿管道渗漏13滑坡15护坡5其它7原因不明52020/3/23311）具有足够的断面维持坝坡的稳定。2、设计基本要求：边坡稳定和坝基稳定是土石坝安全的基本保证。施工期、水库水位降落以及地震作用在坝坡的荷载和土石料的抗剪强度指标都将发生变化，应分别计算。2020/3/23322、设置良好的防渗和排水设施以控制渗流。土石坝挡水后，坝体内形成渗流，饱和区土石料承受上浮力，减轻了抵抗滑动的有效重量；浸水后土石料的抗剪强度降低；渗流力可对坝坡形成不良作用；渗流从坝坡、坝基或河岸逸出时可能引起管涌、流土等渗流破坏。设置防渗和排水设施可以控制渗流范围、改变渗流方向、减小渗流的逸出坡降以增加坝坡、坝基和河岸的抗滑和抗渗稳定，还有利于减小坝体和坝基的渗流量。2020/3/23333、根据现场条件选择好土石料的种类、坝的结构以及各种土石料在坝体内的配置，选择好坝体各部分的填筑压实标准，达到技术经济合理性；4、具有足够的泄洪能力，坝顶在洪水位以上要有足够的安全超高，以防洪水漫顶，造成大坝失事。2020/3/23345、适当的构造措施，使坝运用可靠、耐久。在库水位变化范围内，上游坝面应有坚固的护坡，防止波浪冲击和淘刷；下游坝坡应能防止雨水的冲刷破坏作用。保护坝内粘性土料，防止夏季日晒、冬季冻胀等形成裂缝。对压缩性大的土料应采取工程措施减少沉降和不均匀沉降，避免裂缝的形成和发展。2020/3/2335分类：•1、按坝高分：•低坝小于30米•中坝30米~70米•高坝大于70米五、类型2020/3/2336•2、按施工方法分：•碾压式土石坝；•冲填式土石坝；•水中填土坝；•定向爆破堆石坝。2020/3/2337碾压式土石坝:用堆石或砂砾石分层碾压填筑成坝体。它具有透水性好，抗震性能强，排水性好，地震时不会产生孔隙水压力，不会液化或坝坡失稳。施工导流方便，坝体可过水。施工受雨季影响小，可分期施工的优点。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。2020/3/2338振动碾2020/3/2339坝面碾压2020/3/2340•冲填式土石坝: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应用较少。2020/3/2341•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。2020/3/2342•定向爆破堆石坝: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。2020/3/2343均质坝；•土质防渗体分区坝（土质心墙坝、土质斜墙坝、多种土质坝）；•非土质材料防渗体坝（人工材料心墙坝、人工材料面板坝）。碾压式土石坝：按土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料种类分为：2020/3/2344坝身的绝大部分由一种主料筑成，整个剖面起防渗和稳定作用。低坝多采用均质坝。优点：材料单一，施工简单；缺点：当坝身材料粘性较大时，雨季或冬季施工较困难。2020/3/2345岳城水库建设地