1、水工建筑物课件水工建筑物课件 5.7 5.7 土石坝的构造土石坝的构造一、防渗体一、防渗体1.1.土质防渗体土质防渗体 心墙和斜墙。确定防渗体的原则:J【J】及施工条件。（1）粘土心墙 由于 【J】4 底厚：0.3 0.5H 0.15 0.2H 顶厚：3m。心墙坡比：1：0.151：0.3，肥心墙可达：1：0.41：0.5 墙顶高程：墙顶高程：墙顶墙顶正常正常+（0.30.30.60.6）m m 墙顶墙顶设计设计+（0.30.30.60.6）m m 且且 墙顶墙顶校核校核 墙顶保护层厚度：不小于当地冻土或干燥深度；且墙顶保护层厚度：不小于当地冻土或干燥深度；且 1m。（2）粘土斜墙）粘土斜墙
2、底厚：底厚：（垂直于斜墙下游坡）（垂直于斜墙下游坡）【J】5 顶厚：顶厚：斜墙坡比：斜墙坡比：内坡不陡于内坡不陡于1：2；外坡不陡于外坡不陡于1：2.5；墙顶高程：墙顶高程：墙顶墙顶正常正常+（0.60.60.80.8）m m 墙顶墙顶设计设计+（0.60.60.80.8）m m 且且 墙顶墙顶校核校核 墙顶保护层厚度：不小于当地冻土或干燥深度；且墙顶保护层厚度：不小于当地冻土或干燥深度；且 1m。常用常用23m。2.沥青砼防渗墙沥青砼防渗墙 沥青砼具有较好的塑性和柔性，沥青砼具有较好的塑性和柔性，k=1071010 cm/s，防渗和适应变形的能力均较好，裂，防渗和适应变形的能力均较好，裂缝时
3、，有一定的自愈功能，且施工受气候的影响也缝时，有一定的自愈功能，且施工受气候的影响也小，适用作土石坝的防渗材料。小，适用作土石坝的防渗材料。【奥地利】欧申力克沥青砼斜墙堆石坝，【奥地利】欧申力克沥青砼斜墙堆石坝，H=106m；【石砭峪】沥青砼斜墙定向爆破堆石坝，【石砭峪】沥青砼斜墙定向爆破堆石坝，H=85m。（1）沥青砼斜墙）沥青砼斜墙 早期的斜墙做成双层，在两层沥青砼防渗层之间夹早期的斜墙做成双层，在两层沥青砼防渗层之间夹一层排水层，排除透过防渗层的渗水。但实践表明效果一层排水层，排除透过防渗层的渗水。但实践表明效果并不明显。近年来倾向于不设排水层。斜墙铺设在垫层并不明显。近年来倾向于不设排
4、水层。斜墙铺设在垫层上，垫层一般为厚上，垫层一般为厚13m的碎石，上铺的碎石，上铺34cm厚的沥厚的沥青碎石层作为斜墙的基垫。斜墙防渗层厚青碎石层作为斜墙的基垫。斜墙防渗层厚20cm左右，左右，分层铺压，每一层厚分层铺压，每一层厚36cm。在迎水面涂一层沥青马。在迎水面涂一层沥青马蹄脂保护层。按施工要求，斜墙的上游坝坡不应陡于蹄脂保护层。按施工要求，斜墙的上游坝坡不应陡于1：1.61：1.7。图图531 沥青砼斜墙和心墙坝（高程：沥青砼斜墙和心墙坝（高程：m，尺寸：，尺寸：cm）（a）斜墙坝；（）斜墙坝；（b）心墙坝）心墙坝 （2）沥青混凝土心墙）沥青混凝土心墙 沥青混凝土心墙可做成竖直的或倾
5、斜的。沥青混凝土心墙可做成竖直的或倾斜的。顶厚：顶厚：c=3050cm 底厚：底厚：中低坝中低坝 （H坝高）坝高）且且 40cm。高坝高坝 且且 40cm（H为坝高）为坝高）。过渡层：设在心墙两侧。过渡层：设在心墙两侧。4060BH二、坝顶和护坡二、坝顶和护坡1.坝顶坝顶防浪墙：墙顶高于坝顶防浪墙：墙顶高于坝顶1.001.20m。用浆砌石或钢筋。用浆砌石或钢筋混凝土筑成，墙底应和坝体中的防渗体紧密连接。混凝土筑成，墙底应和坝体中的防渗体紧密连接。坝顶面：向两侧或一侧倾斜，作成坝顶面：向两侧或一侧倾斜，作成23的坡度。的坡度。坝顶照明：常设。坝顶照明：常设。坝顶构造（单位：坝顶构造（单位：cm）
6、三、坝体排水和反滤层三、坝体排水和反滤层1.1.坝体排水坝体排水 （1 1）棱体排水，又称滤水坝趾）棱体排水，又称滤水坝趾 组成：在下游坝脚处用块石堆成的棱体。组成：在下游坝脚处用块石堆成的棱体。棱体顶宽棱体顶宽1.0m1.0m；还应保证浸润线位于下游坝坡面的冻层；还应保证浸润线位于下游坝坡面的冻层以下。棱体内坡以下。棱体内坡:1:1：1 11 1：1.51.5，外坡，外坡:1:1：1.51.51 1：2 2。2.护坡护坡 上游护坡：干砌石、浆砌石或堆石，近年来砼板护坡使用上游护坡：干砌石、浆砌石或堆石，近年来砼板护坡使用得也不少。得也不少。下游护坡：干砌石，碎石、或砾石护坡，厚约下游护坡：干
7、砌石，碎石、或砾石护坡，厚约0.3m。对。对气候适宜地区的粘性土均质坝也可采用草皮护坡，草皮厚约气候适宜地区的粘性土均质坝也可采用草皮护坡，草皮厚约510cm。（2 2）贴坡排水，又称表面排水）贴坡排水，又称表面排水棱体与坝体以及土质地基之间均应设置反滤层。棱体与坝体以及土质地基之间均应设置反滤层。优点：可降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护下游坝脚不受波浪优点：可降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护下游坝脚不受波浪淘刷，可与坝基排水相接。可发挥支撑坝体增加稳定。淘刷，可与坝基排水相接。可发挥支撑坝体增加稳定。缺点：石料用量大，费用较高，与坝体施工有干扰，检修也较缺点：石料用量大，费用较高，与坝体施工有干
8、扰，检修也较困难。困难。优：构造简单，用料节省，施工方便，易于检修。防止坝优：构造简单，用料节省，施工方便，易于检修。防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷。坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷。缺：不能有效地降低浸润线，易因冰冻而失效。缺：不能有效地降低浸润线，易因冰冻而失效。常用于土质防渗体分区坝。常用于土质防渗体分区坝。组成：用一至二层堆石或砌石加反滤层，直接铺设在组成：用一至二层堆石或砌石加反滤层，直接铺设在下游坝坡表面。下游坝坡表面。尺寸：排水顶部须高出浸润线逸出点尺寸：排水顶部须高出浸润线逸出点1.52m。排水的厚度：应大于当地的冰冻深度。排水的厚度：应大于当地的冰
9、冻深度。（3）坝内排水）坝内排水褥垫排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体。褥垫排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体。褥垫排水褥垫排水组成：是沿坝基面平铺一层厚约组成：是沿坝基面平铺一层厚约0.40.5m的块石、的块石、外包反滤层组成。外包反滤层组成。尺寸：伸入坝体内的深度尺寸：伸入坝体内的深度1/21/3B；倾向下游的纵坡为；倾向下游的纵坡为0.0050.1。优：当下游无水时能有效地降低浸润线，有助于坝基排水，加优：当下游无水时能有效地降低浸润线，有助于坝基排水，加速软粘土地基的固结。速软粘土地基的固结。缺点：是对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修。当缺点：是对不均匀沉降的适应性差，
10、易断裂，且难以检修。当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低。下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低。网状排水网状排水由纵向（平行坝轴线）和横向排水带组成。由纵向（平行坝轴线）和横向排水带组成。横向排水带宽横向排水带宽0.5m0.5m，间距，间距3030100m100m，坡度，坡度11，或由，或由不产生接触冲刷的要求确定。当渗流量大，所需排水带尺不产生接触冲刷的要求确定。当渗流量大，所需排水带尺寸过大时，可铺设排水管。寸过大时，可铺设排水管。竖式排水竖式排水排水顶部可伸到坝面附近，厚度由施工条件确定，但不小排水顶部可伸到坝面附近，厚度由施工条件确定，但不小于于1.0m1
11、.0m，底部用水平排水带或褥垫排水将渗水引出坝外。，底部用水平排水带或褥垫排水将渗水引出坝外。规范建议，均质坝和坝壳用弱透水材料填筑的土石坝，宜规范建议，均质坝和坝壳用弱透水材料填筑的土石坝，宜优先选用竖式排水。优先选用竖式排水。图图535 设有竖式排水和水平排水的土坝设有竖式排水和水平排水的土坝（a）竖式排水（与水平排水相连）；（）竖式排水（与水平排水相连）；（b）水平排水）水平排水 （4 4）综合式排水）综合式排水 根据具体情况将几种根据具体情况将几种不同型式的排水组合在一起，不同型式的排水组合在一起，以兼取各型式的优点。以兼取各型式的优点。当下游高水位持续时间不长时，为了节省石料，可当下
12、游高水位持续时间不长时，为了节省石料，可考虑在正常水位以上用贴坡排水，以下用棱体排水；考虑在正常水位以上用贴坡排水，以下用棱体排水；在其它情况下，还可采用褥垫排水与棱体排水组合或贴在其它情况下，还可采用褥垫排水与棱体排水组合或贴坡、棱体与褥垫排水组合的型式等。坡、棱体与褥垫排水组合的型式等。2.反滤层及过渡层反滤层及过渡层 反滤的作用：反滤的作用：滤土排水，滤土排水，防止渗流变形破坏及接触冲刷。防止渗流变形破坏及接触冲刷。位置：位置：土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间，土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间，坝壳与坝基的透水部位均应尽量满足反坝壳与坝基的透水部位均应尽量满足反滤原则。滤原则。过渡层：主
13、要对其两侧土料的变形起协调作用。过渡层：主要对其两侧土料的变形起协调作用。反滤层可起过渡层的作用，而过渡层却不一定能反滤层可起过渡层的作用，而过渡层却不一定能满足反滤的要求。满足反滤的要求。在分区坝的防渗体与坝壳之间，根据需要与土料在分区坝的防渗体与坝壳之间，根据需要与土料情况可以只设置反滤层，也可同时设置反滤层和过渡情况可以只设置反滤层，也可同时设置反滤层和过渡层。层。反滤层的类型反滤层的类型 型反滤，反滤层位于被保护土型反滤，反滤层位于被保护土的下部，渗流方向主要由上向下，如：斜墙后的反的下部，渗流方向主要由上向下，如：斜墙后的反滤层。滤层。型反滤要承受被保护土层的自重和渗流压型反滤要承受
14、被保护土层的自重和渗流压力的双重作用，其防止渗流变形的条件更为不利。力的双重作用，其防止渗流变形的条件更为不利。型反滤，反滤层位于被保护土的上部，渗型反滤，反滤层位于被保护土的上部，渗流方向主要由下向上，如流方向主要由下向上，如:位于地基渗流逸出处的反位于地基渗流逸出处的反滤层。滤层。渗流方向水平而反滤层成垂直向的，属过渡渗流方向水平而反滤层成垂直向的，属过渡型，如：减压井、竖式排水等的反滤层型，如：减压井、竖式排水等的反滤层。反滤层设计要求反滤层设计要求 1 1）被保护土层不发生管涌等有害）被保护土层不发生管涌等有害 的渗流变形，在防渗体出现裂缝的情况下，的渗流变形，在防渗体出现裂缝的情况下
15、，土颗粒不会被带出反滤层，而且能促使裂缝自行愈合。这就要求土颗粒不会被带出反滤层，而且能促使裂缝自行愈合。这就要求反滤料必须具有足够小的孔隙，以防土粒被冲入孔隙或通过孔隙反滤料必须具有足够小的孔隙，以防土粒被冲入孔隙或通过孔隙而被冲走。而被冲走。2 2）透水性大于被保护土层，能通畅地排出渗透水流，同时）透水性大于被保护土层，能通畅地排出渗透水流，同时不致被细粒土淤塞而失效。要求反滤料必须具有足够大的孔隙。不致被细粒土淤塞而失效。要求反滤料必须具有足够大的孔隙。3)3)反滤层组成：由反滤层组成：由1 13 3层级配均匀，耐风化的砂、砾、卵层级配均匀，耐风化的砂、砾、卵石或碎石构成。石或碎石构成。
16、水平反滤层的最小厚度为水平反滤层的最小厚度为0.3m0.3m；垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5m0.5m。SL274-2019规定：规定：当被保护土为无粘性土，且时，第一层反滤料的级配，按当被保护土为无粘性土，且时，第一层反滤料的级配，按太沙基准则选用太沙基准则选用（1）（2）式中式中D15反滤料的特征粒径；反滤料的特征粒径；d85、d15分别为被保护土的控制粒径和特征粒径。分别为被保护土的控制粒径和特征粒径。选择第二层反滤料时采用以上相同的准则，选择第二层反滤料时采用以上相同的准则，只是以第一层反滤料作为被保护土，其余类推。只是以第一层反滤料作为被保护土
17、，其余类推。当被保护土为粘性土时，当被保护土为粘性土时，SL274-2019推荐采用谢拉推荐采用谢拉德德1989年提出的方法。年提出的方法。详细内容可参见规范附录。详细内容可参见规范附录。现代土石坝的反滤层大多只用一层，有时两层，较少用三现代土石坝的反滤层大多只用一层，有时两层，较少用三层，如：前苏联的萨尔桑格、热瓦理斯克，我国台湾的石门，层，如：前苏联的萨尔桑格、热瓦理斯克，我国台湾的石门，以及日本的御母衣等坝，均采用一层反滤直接向坝壳过渡。以及日本的御母衣等坝，均采用一层反滤直接向坝壳过渡。罗贡、努列克、奥罗维尔、石头河等高坝，设两层反滤。罗贡、努列克、奥罗维尔、石头河等高坝，设两层反滤。
18、四、新材料四、新材料土工合成材料土工合成材料 国家技术监督局与建设部发布了国家技术监督局与建设部发布了土工合成材料应用技术土工合成材料应用技术规范规范（GB5029098）。）。1.土工膜土工膜 土工膜：土工膜：k 。早期用于渠道防渗，早期用于渠道防渗，20世纪世纪60年代后用于土石坝。年代后用于土石坝。土工膜铺设在上游面，在其上、下部分别设置上垫层和下垫层，土工膜铺设在上游面，在其上、下部分别设置上垫层和下垫层，再在表面加防护层。再在表面加防护层。过渡层：可避免刚度相差较大的两侧土料之间产生急剧变化过渡层：可避免刚度相差较大的两侧土料之间产生急剧变化的变形和应力。故在砼面板堆石坝的垫层和堆石
19、之间，沥青的变形和应力。故在砼面板堆石坝的垫层和堆石之间，沥青砼心墙和坝壳之间均应设置过渡层。砼心墙和坝壳之间均应设置过渡层。老化和使用寿命：大量室内和现场试验表明薄膜埋设老化和使用寿命：大量室内和现场试验表明薄膜埋设于土石坝内，与温度、紫外线、大气等老化因素基本于土石坝内，与温度、紫外线、大气等老化因素基本隔绝，加上抗老化剂的应用，可以认为，老化并不严隔绝，加上抗老化剂的应用，可以认为，老化并不严重。前苏联在有关规程中规定：聚乙稀薄膜可用于使重。前苏联在有关规程中规定：聚乙稀薄膜可用于使用年限不超过用年限不超过50年的建筑。从实验室加速老化试验的年的建筑。从实验室加速老化试验的结果推算，埋在
20、坝内的聚乙稀薄膜可使用结果推算，埋在坝内的聚乙稀薄膜可使用100年。欧美年。欧美国家也有类似经验。国家也有类似经验。2.土工织物土工织物土工织物为用聚酯（土工织物为用聚酯（PES）、聚酰胺（）、聚酰胺（PA）、聚丙烯（）、聚丙烯（PP）、聚）、聚乙烯（乙烯（PE）和聚乙烯醇（）和聚乙烯醇（PVA）等高分子聚合物纤维制造的透水）等高分子聚合物纤维制造的透水性织物。性织物。按加工工艺的不同，可区分为织造土工织物和非织造（无纺）土按加工工艺的不同，可区分为织造土工织物和非织造（无纺）土工织物两类。工织物两类。土工织物：土工织物：k=与面板堆石坝对垫层料的要求相近。与面板堆石坝对垫层料的要求相近。3.
21、其它土工合成材料其它土工合成材料由两种或两种以上材料复合而成的称土工复合材料，包括：复合由两种或两种以上材料复合而成的称土工复合材料，包括：复合土工膜、复合土工织物、复合防排水材料（排水带、排水管）等，土工膜、复合土工织物、复合防排水材料（排水带、排水管）等，可用于防渗、反滤、排水、加筋及防护等方面。可用于防渗、反滤、排水、加筋及防护等方面。五、土石坝的裂缝控制五、土石坝的裂缝控制1.类型和成因类型和成因（1）纵缝）纵缝走向大体上与坝轴线平行，多数发生在坝顶和坝坡中部。走向大体上与坝轴线平行，多数发生在坝顶和坝坡中部。在心墙坝和多种土质坝中，由于心墙土料的固结比较缓在心墙坝和多种土质坝中，由于
22、心墙土料的固结比较缓慢，坝壳土料的沉降速度比心墙快，坝壳和心墙之间发生慢，坝壳土料的沉降速度比心墙快，坝壳和心墙之间发生应力传递，在坝顶部出现拉应力区导致裂缝。多发生在竣应力传递，在坝顶部出现拉应力区导致裂缝。多发生在竣工初期，或初次蓄水时。工初期，或初次蓄水时。土质斜墙坝的坝壳材料，如压实不足，沉降变形大，上土质斜墙坝的坝壳材料，如压实不足，沉降变形大，上部和下部沉降不均，都可使斜墙断裂，形成纵向裂缝。部和下部沉降不均，都可使斜墙断裂，形成纵向裂缝。高压缩性地基上也易形成坝坡面和坝内部的纵向裂缝。高压缩性地基上也易形成坝坡面和坝内部的纵向裂缝。（2）横缝）横缝走向与坝轴线近乎垂直，多发生在两
23、岸坝肩附近。走向与坝轴线近乎垂直，多发生在两岸坝肩附近。当岸坡比较陡峻，或是岸坡地形突然变化时，都易发生这当岸坡比较陡峻，或是岸坡地形突然变化时，都易发生这种裂缝。横缝常贯穿坝的防渗体，在渗流作用下继续发展，种裂缝。横缝常贯穿坝的防渗体，在渗流作用下继续发展，危害极大。危害极大。图图538 土石坝的裂缝土石坝的裂缝1湿陷性黄土坝基；湿陷性黄土坝基；2高压缩性土坝基；高压缩性土坝基；3压缩性大的粘土心墙；压缩性大的粘土心墙；4岸坡陡峻与变坡；岸坡陡峻与变坡；5坝基内含局部压缩性土层；坝基内含局部压缩性土层；6两岸有湿陷性黄土；两岸有湿陷性黄土；7纵缝；纵缝；8横缝；横缝；9水平缝水平缝（3）内部
24、裂缝）内部裂缝主要由坝基和坝体的不均匀沉降引起。在坝体表面很难发主要由坝基和坝体的不均匀沉降引起。在坝体表面很难发现，它可能发展成为集中的渗流通道，危害性也很大。在现，它可能发展成为集中的渗流通道，危害性也很大。在较薄的粘土心墙坝中，坝壳沉降速度快，较早达到稳定，较薄的粘土心墙坝中，坝壳沉降速度快，较早达到稳定，而心墙由于固结速度慢，还在继续沉降，坝壳将对心墙产而心墙由于固结速度慢，还在继续沉降，坝壳将对心墙产生拱效应，使心墙中的竖向应力减小，甚至可能由压应力生拱效应，使心墙中的竖向应力减小，甚至可能由压应力转变为拉应力，从而产生内部裂缝。转变为拉应力，从而产生内部裂缝。地震区土石坝震害的主要
25、形态是出现纵缝和横缝；由于水地震区土石坝震害的主要形态是出现纵缝和横缝；由于水力劈裂作用也可以产生裂缝。力劈裂作用也可以产生裂缝。2.裂缝的防治措施裂缝的防治措施（1）改善坝体结构或平面布置）改善坝体结构或平面布置将坝轴线布置成略凸向上游的拱形。将坝轴线布置成略凸向上游的拱形。适当放缓坝坡。适当放缓坝坡。采用斜心墙，在两岸或砼建筑物连接处将心墙适当加厚。采用斜心墙，在两岸或砼建筑物连接处将心墙适当加厚。设足够厚的反滤层，特别是对易于出现裂缝的部位要适设足够厚的反滤层，特别是对易于出现裂缝的部位要适当加厚。当加厚。设置过渡层。设置过渡层。（2）重视坝基处理）重视坝基处理对不利的岸坡地形，软弱、高
26、压缩性、易液化的坝基土层对不利的岸坡地形，软弱、高压缩性、易液化的坝基土层均应按下节要求进行必要的处理，以避免过大的不均匀沉降均应按下节要求进行必要的处理，以避免过大的不均匀沉降及水力劈裂冲蚀。及水力劈裂冲蚀。（3）适当选用坝身土料）适当选用坝身土料防渗体：砂砾含量较高、塑性指数较低的粘性土，充分压防渗体：砂砾含量较高、塑性指数较低的粘性土，充分压实后其压缩性较小，但适应变形的能力较低；相反，粘粒含实后其压缩性较小，但适应变形的能力较低；相反，粘粒含量多、塑性指数高的粘性土，则适应变形能力强而压缩性较量多、塑性指数高的粘性土，则适应变形能力强而压缩性较高。故宜针对不同要求的防渗体，以及防渗体的
27、不同部位，高。故宜针对不同要求的防渗体，以及防渗体的不同部位，选用不同的土料。选用不同的土料。斜墙对不均匀变形比较敏感，对土料适应变形的能力要求较斜墙对不均匀变形比较敏感，对土料适应变形的能力要求较高，而由于所承受的荷载较小，对土料的压缩性要求则可适高，而由于所承受的荷载较小，对土料的压缩性要求则可适当放宽。心墙的中上部对土料的要求与斜墙类似，但心墙的当放宽。心墙的中上部对土料的要求与斜墙类似，但心墙的中下部所承受的荷载较大，而不均匀变形的可能性较小，故中下部所承受的荷载较大，而不均匀变形的可能性较小，故对变形的要求可适当降低，对土料压缩性的要求则较高。对变形的要求可适当降低，对土料压缩性的要
28、求则较高。坝壳料：在浸润线以下不宜采用粉、细、中砂以及粘性坝壳料：在浸润线以下不宜采用粉、细、中砂以及粘性土或易软化变细的风化料。在浸水区外也宜采用粒粗质坚、土或易软化变细的风化料。在浸水区外也宜采用粒粗质坚、易于压实的砂砾、卵石、堆石，尽量减少其中细粒及泥质易于压实的砂砾、卵石、堆石，尽量减少其中细粒及泥质含量。含量。对过渡区及渗流入口处宜填筑自动淤填对过渡区及渗流入口处宜填筑自动淤填土料。土料。对可能的裂缝冲刷区宜采用能抗冲刷的对可能的裂缝冲刷区宜采用能抗冲刷的反滤料。反滤料。（4）采用适宜的施工措施和运行方式）采用适宜的施工措施和运行方式压实含水率对土的变形性能具有一定的影响。压实含水压
29、实含水率对土的变形性能具有一定的影响。压实含水率高于最优含水率的粘性土，压实后土体的压缩性较大，率高于最优含水率的粘性土，压实后土体的压缩性较大，而适应变形的性能较好，反之亦然。在坝体中、下部宜提而适应变形的性能较好，反之亦然。在坝体中、下部宜提高压实度，减小压缩性；河槽坝段中、上部的压实度也宜高压实度，减小压缩性；河槽坝段中、上部的压实度也宜比两岸坝段稍高；两岸坝肩等易开裂区的防渗体宜填筑柔比两岸坝段稍高；两岸坝肩等易开裂区的防渗体宜填筑柔性较大，适应变形能力较强的塑性土。性较大，适应变形能力较强的塑性土。心墙、斜墙上部，或易于开裂的部位，其填筑速率可适当放缓，心墙、斜墙上部，或易于开裂的部
30、位，其填筑速率可适当放缓，以使下部坝体有比较充分的时间达到预期的沉降量。以使下部坝体有比较充分的时间达到预期的沉降量。当上游坝壳料易于湿陷时，宜边填筑边蓄水。当上游坝壳料易于湿陷时，宜边填筑边蓄水。设有竖直心墙的土坝，其心墙、过渡段和坝壳三者上升的高度设有竖直心墙的土坝，其心墙、过渡段和坝壳三者上升的高度不宜相差悬殊。斜墙坝的下游坝壳则宜提前填筑，使沉降早日完不宜相差悬殊。斜墙坝的下游坝壳则宜提前填筑，使沉降早日完成。成。在施工间歇期要妥善保护坝面，防止干缩、冻溶裂缝的发生，在施工间歇期要妥善保护坝面，防止干缩、冻溶裂缝的发生，一旦发现裂缝，应及时处理。一旦发现裂缝，应及时处理。运行期，特别是
31、初次蓄水时，水位的升降速度不宜过快，以免运行期，特别是初次蓄水时，水位的升降速度不宜过快，以免坝体各部位的变形来不及调整，互不协调，产生高应力，同时避坝体各部位的变形来不及调整，互不协调，产生高应力，同时避免出现水力劈裂。免出现水力劈裂。3.裂缝处理裂缝处理（1）表面裂缝）表面裂缝砂土填塞，再以低塑性粘性土封填、夯实。对深度不大的裂缝，砂土填塞，再以低塑性粘性土封填、夯实。对深度不大的裂缝，挖除，回填含水率稍高于最优含水率的土料，分层夯实。挖除，回填含水率稍高于最优含水率的土料，分层夯实。（2）深部裂缝）深部裂缝灌浆，用低塑性粘性土或在其中加少量中、细砂等做灌浆材料灌浆，用低塑性粘性土或在其中
32、加少量中、细砂等做灌浆材料自流或加压灌注，但要防止水力劈裂。自流或加压灌注，但要防止水力劈裂。（3）严重的裂缝）严重的裂缝坝内做砼防渗墙。此法效果好，但施工时间长，造价高，在蓄坝内做砼防渗墙。此法效果好，但施工时间长，造价高，在蓄水情况下施工，有一定风险，要慎用。水情况下施工，有一定风险，要慎用。2.裂缝的防治措施裂缝的防治措施（1）改善坝体结构或平面布置）改善坝体结构或平面布置将坝轴线布置成略凸向上游的拱形。将坝轴线布置成略凸向上游的拱形。适当放缓坝坡。适当放缓坝坡。采用斜心墙，在两岸或砼建筑物连接处将心墙适当加厚。采用斜心墙，在两岸或砼建筑物连接处将心墙适当加厚。设足够厚的反滤层，特别是对
33、易于出现裂缝的部位要适设足够厚的反滤层，特别是对易于出现裂缝的部位要适当加厚。当加厚。设置过渡层。设置过渡层。5.85.8土石坝的坝基处理土石坝的坝基处理一、岩基处理一、岩基处理岩基处理参见砼坝的有关内容，处理要求应考虑岩基处理参见砼坝的有关内容，处理要求应考虑土石坝的特点，主要是防渗。土石坝的特点，主要是防渗。二、砂砾石坝基处理二、砂砾石坝基处理在砂砾石地基的主要问题是渗流控制，做好防渗和排水：在砂砾石地基的主要问题是渗流控制，做好防渗和排水：(1)垂直防渗设施，包括：粘性土截水槽、砼防渗墙、灌浆垂直防渗设施，包括：粘性土截水槽、砼防渗墙、灌浆帷幕等；帷幕等；(2)上游水平防渗铺盖；上游水平
34、防渗铺盖；(3)下游排水设施，包括：水平排水层、排水沟、减压井、下游排水设施，包括：水平排水层、排水沟、减压井、透水盖重等。透水盖重等。1.粘性土截水槽粘性土截水槽当当T20m，采用粘土截水槽防渗。，采用粘土截水槽防渗。底宽：底宽：，且，且 3m。砂壤土【砂壤土【J】=3，壤土【，壤土【J】35，粘土【粘土【J】510。开挖边坡：满足稳定原则，由地质条件而定。开挖边坡：满足稳定原则，由地质条件而定。2.砼防渗墙砼防渗墙当当T20m，截水槽施工有困难时，采用砼防渗墙。，截水槽施工有困难时，采用砼防渗墙。墙厚：根据【墙厚：根据【J】和强度确定。按施工条件可在】和强度确定。按施工条件可在0.61.3
35、m范围内选用。范围内选用。根据已建工程经验，【根据已建工程经验，【J】80100可作为可作为墙厚控制的低限。国内、外挖槽浇筑墙身的最大深度均已墙厚控制的低限。国内、外挖槽浇筑墙身的最大深度均已达到达到80m左右。左右。图图540 采用砼防渗墙的土石坝采用砼防渗墙的土石坝1粘土斜墙与铺盖；粘土斜墙与铺盖；2砂砾料坝壳；砂砾料坝壳；3砼防渗墙；砼防渗墙；4砂卵石覆盖层；砂卵石覆盖层；5表面排水表面排水3.灌浆帷幕灌浆帷幕当当T更深时，截水槽和砼防渗墙施工困难，可采用灌浆帷幕。更深时，截水槽和砼防渗墙施工困难，可采用灌浆帷幕。土石坝设计规范建议采用可灌比值土石坝设计规范建议采用可灌比值M评价可灌性。
36、评价可灌性。式中式中D15受灌地层土料的特征粒径，受灌地层土料的特征粒径，mm；d85灌浆材料的控制粒径，灌浆材料的控制粒径，mm。根据反滤原理：根据反滤原理：M10，可灌水泥粘土浆；可灌水泥粘土浆；M15，可灌水泥浆。可灌水泥浆。图图541 采用灌浆帷幕的土石坝采用灌浆帷幕的土石坝帷幕厚度：帷幕厚度：T【J】确定，水泥粘土浆【】确定，水泥粘土浆【J】34。孔距、。孔距、排数由试验确定。排数由试验确定。灌浆压力：边孔采用低压，中孔采用较高的压力。灌浆压力：边孔采用低压，中孔采用较高的压力。灌浆程序：钻孔，泥浆固壁，注入填料，插入灌浆管，自灌浆程序：钻孔，泥浆固壁，注入填料，插入灌浆管，自下而上
37、灌浆。下而上灌浆。4.防渗铺盖防渗铺盖当覆盖层深厚，采用垂直防渗设施困难时，采用铺盖防渗。当覆盖层深厚，采用垂直防渗设施困难时，采用铺盖防渗。作用是延长渗径，降低作用是延长渗径，降低J，减小，减小Q。材料：粘土或重壤土，材料：粘土或重壤土，100（最好（最好1000倍）；倍）；长度：长度：L=（48）H，H作用水头。（超过作用水头。（超过68倍倍后，防渗效果增长缓慢）；后，防渗效果增长缓慢）；厚度：厚度：,前缘前缘 0.51.0m。5.下游排水减压设施（图下游排水减压设施（图542）排水有水平排水与竖向排水。排水有水平排水与竖向排水。坝后反滤盖重由透水材料作成，用以平衡坝基扬压力。坝后反滤盖重
38、由透水材料作成，用以平衡坝基扬压力。三、细沙、软粘土和湿陷性黄土三、细沙、软粘土和湿陷性黄土1.1.细沙等易液化土细沙等易液化土地震时存在液化，对坝的稳定性危害很大。地震时存在液化，对坝的稳定性危害很大。挖除置换；挖除置换；当挖除困难或很不经济时，对浅层土可振动加密，对深层当挖除困难或很不经济时，对浅层土可振动加密，对深层土以振冲、强夯等方法较为经济和有效。例：官厅水库对中土以振冲、强夯等方法较为经济和有效。例：官厅水库对中密程度厚密程度厚24m的中西沙层采用振冲器加密，孔深的中西沙层采用振冲器加密，孔深6m，孔距，孔距2m，Dr由由0.53提高到提高到0.85。加盖重、设置砂石桩、加强排水等
39、。加盖重、设置砂石桩、加强排水等。AeRd 2.软粘土坝基软粘土坝基软弱粘性土抗剪强度低，压缩性高。软弱粘性土抗剪强度低，压缩性高。挖除置换；挖除置换；当厚度较大或分布较广，难以挖除时，可利用打砂井、插塑当厚度较大或分布较广，难以挖除时，可利用打砂井、插塑料排水带等加速排水，使大部分沉降在施工期内完成，并调整料排水带等加速排水，使大部分沉降在施工期内完成，并调整施工进度，结合加荷预压等措施。施工进度，结合加荷预压等措施。图图543 软土地基上利用砂井加固的土坝（高程：软土地基上利用砂井加固的土坝（高程：m）1粘土斜墙；粘土斜墙；2壤土坝体；壤土坝体；3砂井；砂井；4镇压层；镇压层；5淤泥质粘土
40、；淤泥质粘土；6中粗砂混少量碎石；中粗砂混少量碎石；7硬可塑粉质粘土；硬可塑粉质粘土；8碎石混少量砂碎石混少量砂AeRd3.湿陷性黄土湿陷性黄土经过充分论证和处理后可建低坝。经过充分论证和处理后可建低坝。预先浸水处理，使之湿陷量；预先浸水处理，使之湿陷量；破坏黄土的天然结构，使其密实破坏黄土的天然结构，使其密实l挖除、翻压；挖除、翻压；l通过强夯以消除其湿陷性。通过强夯以消除其湿陷性。5.9 5.9 土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接一、坝体与坝基及岸坡的连接一、坝体与坝基及岸坡的连接岩质坝基与岸坡的表面处理要求参见第八节。岩质坝基与岸坡的表面处理要求参见
41、第八节。土质坝基与岸坡应进行清表与压实。土质坝基与岸坡应进行清表与压实。防渗体邻近岩质岸坡防渗体邻近岩质岸坡0.51.0m范围内，应用粘土填筑，并范围内，应用粘土填筑，并控制其含水率略高于最优含水率，以提高其适应变形的能力。控制其含水率略高于最优含水率，以提高其适应变形的能力。与防渗体结合处的岸坡应大致平顺，不应成台阶状、反坡与防渗体结合处的岸坡应大致平顺，不应成台阶状、反坡或突然变坡；当岸坡上缓下陡时，凸出部位变坡角不宜陡于或突然变坡；当岸坡上缓下陡时，凸出部位变坡角不宜陡于20。岩石岸坡不陡于岩石岸坡不陡于1：0.5；土质岸坡不陡于；土质岸坡不陡于1：1.5。二、坝体与砼建筑物的连接二、坝
42、体与砼建筑物的连接 与砼坝、溢洪道、船闸、涵管等的与砼坝、溢洪道、船闸、涵管等的连接。连接。要求：要求：不产生渗透变形不产生渗透变形延长渗径，降低延长渗径，降低J。不产生不均匀沉降不产生不均匀沉降夯实填土，紧密结合。夯实填土，紧密结合。防止水流对上、下游坝坡和坡脚的冲刷防止水流对上、下游坝坡和坡脚的冲刷1.插入式插入式 主要用于与砼坝的连接。从砼坝与土石坝的连接部主要用于与砼坝的连接。从砼坝与土石坝的连接部位开始，砼坝的断面逐渐缩小，最后成为刚性心墙插入位开始，砼坝的断面逐渐缩小，最后成为刚性心墙插入土石坝心墙内。土石坝心墙内。如：美国的夏斯塔坝，在坝高如：美国的夏斯塔坝，在坝高48m处与土坝
43、连接，断面处与土坝连接，断面逐渐变化，最后形成顶宽逐渐变化，最后形成顶宽1.5m，底宽，底宽3.0m的砼心墙伸入河的砼心墙伸入河岸地基。岸地基。0)()(yHkyxHkxyx 这种连接型式，土石坝的坡脚要向砼坝方向延伸较长，故对中这种连接型式，土石坝的坡脚要向砼坝方向延伸较长，故对中高坝不适于直接与砼溢流坝相连接。从抗震观点看，土与砼两高坝不适于直接与砼溢流坝相连接。从抗震观点看，土与砼两种性质不同的结构地震时易于分离，插入部分断面变化易引起种性质不同的结构地震时易于分离，插入部分断面变化易引起应力集中，结合部位施工不便，开裂后自愈作用小，修复困难。应力集中，结合部位施工不便，开裂后自愈作用小
44、，修复困难。特别是对于高坝，采用高插入墙，根据受力条件，每隔一定高特别是对于高坝，采用高插入墙，根据受力条件，每隔一定高度需设置柔性铰，结构也比较复杂。近年来日本已不再采用。度需设置柔性铰，结构也比较复杂。近年来日本已不再采用。但因结构简单，对于低坝尚有一定的适用性。但因结构简单，对于低坝尚有一定的适用性。2.翼墙式翼墙式 在结合部位作成砼挡土墙并向上、下游延伸形成翼墙。在结合部位作成砼挡土墙并向上、下游延伸形成翼墙。规范建议下游侧接触面与土石坝轴线的水平夹角宜选在规范建议下游侧接触面与土石坝轴线的水平夹角宜选在8590之间。土石坝与船闸、砼溢流坝、溢洪道等建筑物连接时之间。土石坝与船闸、砼溢
45、流坝、溢洪道等建筑物连接时常采用这种型式。常采用这种型式。图图546 土坝与砼坝的翼墙式连接土坝与砼坝的翼墙式连接（a）日本御所坝；（）日本御所坝；（b）日本永源寺坝）日本永源寺坝5.10 5.10 土石坝的抗震设计土石坝的抗震设计一、土石坝的地震震害一、土石坝的地震震害 20世纪世纪60年代以来，在我国所发生的十多次强震中，有数以年代以来，在我国所发生的十多次强震中，有数以百计的土石坝遭受震害。典型实例有唐山地震中的陡河和密云水百计的土石坝遭受震害。典型实例有唐山地震中的陡河和密云水库土坝。库土坝。陡河水库：距唐山地震震中陡河水库：距唐山地震震中20km，位于，位于9度区，砂壤土均质度区，砂
46、壤土均质坝，坝，H=22m，L6115m，震后全坝出现，震后全坝出现100多条宽大的纵、横向多条宽大的纵、横向裂缝，坝体发生大幅度沉降和位移，最大一条纵缝的塌陷宽度达裂缝，坝体发生大幅度沉降和位移，最大一条纵缝的塌陷宽度达2.2m，坝顶最大沉降量，坝顶最大沉降量1.64m，最大水平位移，最大水平位移0.66m。在下游坝脚。在下游坝脚50m范围内发现喷沙、冒水孔范围内发现喷沙、冒水孔40余处。原因是地基中的中、细砂，余处。原因是地基中的中、细砂，沙壤土发生振动液化而失稳。沙壤土发生振动液化而失稳。密云水库白河主坝：密云水库白河主坝：距唐山地震震中距唐山地震震中20km，位于位于6度区，粘土斜墙砂
47、砾石坝，度区，粘土斜墙砂砾石坝，H=66m，T=3040m砂砾石，震后上游坝坡砂砾石保护层砂砾石，震后上游坝坡砂砾石保护层大规模坍滑，滑坡范围长达大规模坍滑，滑坡范围长达960m，坍滑量，坍滑量15万万m3。【美】【美】1971年圣费尔南多地震中，发生了年圣费尔南多地震中，发生了38m高的下圣高的下圣费尔南多水力冲填坝的大规模坍滑事故，主要是由坝体饱和费尔南多水力冲填坝的大规模坍滑事故，主要是由坝体饱和砂土的液化所引起。所幸地震时水库水位较低，未出现垮坝砂土的液化所引起。所幸地震时水库水位较低，未出现垮坝事故。震后该坝已不再蓄水，仅作为临时防洪之用。事故。震后该坝已不再蓄水，仅作为临时防洪之用
48、。几点启示：几点启示：(1)饱和状态下的砂土坝壳的抗震稳定饱和状态下的砂土坝壳的抗震稳定 斜墙坝的保护层和心墙坝的上游砂土坝壳，如果其级配斜墙坝的保护层和心墙坝的上游砂土坝壳，如果其级配不良或压实度差，地震时由于饱和砂土中孔隙水压力上升，有不良或压实度差，地震时由于饱和砂土中孔隙水压力上升，有可能失稳而滑坡，应检验其抗液化的能力。可能失稳而滑坡，应检验其抗液化的能力。(2)地基的抗震稳定地基的抗震稳定 地基不良可以使土石坝在地震时发生严重震害，诸如：地地基不良可以使土石坝在地震时发生严重震害，诸如：地基液化，地基中软弱夹层的沉降和滑动，以及地基中渗水、管基液化，地基中软弱夹层的沉降和滑动，以及
49、地基中渗水、管涌等都足以对坝造成危害。涌等都足以对坝造成危害。(3)地震时坝体的裂缝和变形对坝的安全造成的威胁需要注意地震时坝体的裂缝和变形对坝的安全造成的威胁需要注意二、地震作用下土的动力特性二、地震作用下土的动力特性1.土的动应力应变关系和阻尼特性土的动应力应变关系和阻尼特性 地震时由剪切波产生的地面运动分量是对建筑物振地震时由剪切波产生的地面运动分量是对建筑物振动起最主要作用的因素，由地震引起的土石坝振动主要动起最主要作用的因素，由地震引起的土石坝振动主要是剪切振动。在地震波作用下，土的剪切刚度随应变幅是剪切振动。在地震波作用下，土的剪切刚度随应变幅度发生循环往复的不规则变化，土石坝各部
50、位的应力和度发生循环往复的不规则变化，土石坝各部位的应力和变形也随之发生复杂的变化。变形也随之发生复杂的变化。希德（希德（Seed）等的等价线性化计算模型）等的等价线性化计算模型基本思想：将土看作粘弹性介质，以剪切模量基本思想：将土看作粘弹性介质，以剪切模量G和阻尼比和阻尼比D表表示其动态特性。在地震等循环荷载作用下，到达稳定阶段时，示其动态特性。在地震等循环荷载作用下，到达稳定阶段时，土的剪应力土的剪应力 和剪应变和剪应变 的关系表现为一封闭曲线，称为滞回的关系表现为一封闭曲线，称为滞回圈。变化循环荷载的幅度，得到不同大小和倾度的滞回圈。圈。变化循环荷载的幅度，得到不同大小和倾度的滞回圈。这
