土石坝基本知识点

布置在坝体中部，有时稍偏上游并稍为倾斜，以便于和坝顶的防浪墙相连接，并可使心墙后的坝壳先期施工，得到充分的先期沉降，以避免或减少裂缝。      

      

毛家村黏土心墙土坝（单位：m）      

1—黏土心墙；2—半透水料；3—砂卵石；4—施工时挡土黏土斜墙；5—盖层；6—混凝土防渗墙；7—灌浆帷幕；8—玄武岩      

心墙坝顶部厚度一般不小于3m，以便于机械化施工。由于心墙多为黏性土，材料的抗剪强度低，施工质量受气候的影响大，合适的黏土数量也难就近得到满足，所以，一般不宜做肥厚的心墙。心墙厚度常根据土壤的允许渗透坡降而定，有时也应考虑降低下游浸润线的需要。SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定心墙底部厚度不宜小于作用水头的1/4。黏土心墙两侧边坡多在1∶0.15～1∶0.3之间，有些肥大心墙在1∶0.4～1∶0.5之间。心墙的顶部应高出设计洪水位0.3～0.6m，且不低于校核水位，当有可靠的防浪墙时，心墙顶部高程也不应低于设计洪水位。心墙顶与坝顶之间应设有保护层，厚度不小于该地区的冰结或干燥深度，同时按结构要求不宜小于1m。心墙与坝壳之间应设置过渡层，过渡层的结构虽比反滤层的要求低一些，但也应采用级配良好的、抗风化的细粒石料和砂砾石料，以使整个坝体内应力传递均匀，并保证坝壳的排水效果良好。心墙与地基和两岸必须有可靠的连接。岩石地基上的心墙（图4－26）一般还要设混凝土垫座，或修建1～3道混凝土齿墙。齿墙的高度约为1.5～2.0m，切入岩基的深度常为0.2～0.5m，有时还要在下部进行帷幕灌浆。       

      

黏土心墙与岩基的连接型式      

1—黏土截水墙；2—混凝土垫座；3—混凝土齿墙；4—灌浆孔      

当坝下有涵管穿过时，除涵管必须加设截水环外，还要把涵管放在坚固的地基上或垫座上，有时需将心墙适当加厚，并认真填筑密实以确保安全。      

（二）黏土斜墙

黏土斜墙的构造除外形外，其他均与心墙类似。顶厚（指与斜墙上游坡面垂直的厚度）也不宜小于3m。为保证抗渗稳定，底厚不宜小于作用水头的1/5。墙顶应高出设计洪水位0.6～0.8m，且不低于校核水位。同样，如有可靠的防浪墙，斜墙顶部也不应低于设计洪水位。为防止斜墙因弯曲、沉降而断裂，其厚度应比仅按渗透稳定条件确定的数值为大。斜墙顶部和上游坡都必须设保护层，以防冲刷、冰冻和干裂。保护层常用砂、砾石、卵石或碎石等砌成，厚度不得小于冰冻和干燥深度，一般用2～3m。斜墙及保护层的坡度取决于土坝稳定计算的结果，一般内坡不宜陡于1∶2.0，外坡常在1∶2.5以上。斜墙与保护层以及下游坝体之间，应根据需要分别设置过渡层。上游的过渡层可简单一些，保护层的材料合适时，可只设一层，有时甚至不设；与坝体连接的过渡层，与心墙后的过渡层极似，但为了使应力均匀并适应变形，要求还应高一些，常需设置两层，斜墙与铺盖或截水墙的连接都应牢靠。下图为汤河黏土斜墙土坝。      

     

（三）非土料防渗体

非土料防渗体有钢筋混凝土、沥青混凝土、木板、钢板、浆砌块石和塑料薄膜等，较常用的是沥青混凝土和钢筋混凝土，由于这些非土料的防渗体多用在堆石坝中，所以将在堆石坝一节中介绍。       

汤河黏土斜墙土坝1—黏土斜墙；2—黏土铺盖；3—砂砾半透水层；4—砂砾石土基；5—混凝土盖板齿墙
     

     

三、排水设施

土石坝虽有防渗体，但仍有一定水量渗入坝体内。设置坝体排水设施，可以将渗入坝体内的水有计划地排出坝外，以达到降低坝体浸润线及孔隙水压力，防止渗透变形，增加坝坡的稳定性，防止冻胀破坏的目的。      

排水设施应具有充分的排水能力，不致被泥沙堵塞，以保证在任何情况下都能自由地排出全部渗水。在排水设施与坝体、土基接合处，都应设置反滤层，以保证坝体和地基土不产生渗透变形，并应便于观测和检修。常用的坝体排水有以下几种型式。      

（1）贴坡排水      

紧贴下游坝坡的表面设置，它由1～2层堆石或砌石筑成，在石块与坝坡之间设置反滤层，如下图所示。      

贴坡排水顶部应高于坝体浸润线的逸出点，对Ⅰ级、Ⅱ级坝不小于2.0m，Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级坝不小于1.5m，并保证坝体浸润线位于冻结深度以下。贴坡排水底部必须设排水沟，其深度要满足结冰后仍有足够的排水断面。      

贴坡排水构造简单、节省材料、便于维修，但不能降低浸润线。多用于浸润线很低和下游无水的情况，当下游有水时还应满足波浪爬高的要求。       

     

      

贴坡排水1—浸润线；2—护坡；3—反滤层；4—排水；5—排水沟
     

      

堆石棱体排水1—下游坝坡；2—浸润线；3—棱体排水；4—反滤层      

（2）棱体排水      

在下游坝脚处用块石堆成棱体，顶部高程应超出下游最高水位，超出高度应大于波浪沿坡面的爬高，且对Ⅰ级、Ⅱ级坝不小于1.0m，对Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级坝不小于0.5m，并使坝体浸润线距坝坡的距离大于冰冻深度。堆石棱体内坡一般为1∶1.25～1∶1.5，外坡为1∶1.5～1∶2.0或更缓。顶宽应根据施工条件及检查观测需要确定，但不得小于1.0m，如上图所示。      

棱体排水可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，是效果较好的一种排水型式。多用于河床部分的下游坝脚处。但石料用量较大、费用较高，与坝体施工有干扰，检修也较困难。      

（3）褥垫排水      

它是伸展到坝体内的一种排水设施，在坝基面上平铺一层厚约0.4～0.5m的块石，并用反滤层包裹。褥垫伸入坝体内的长度应根据渗流计算确定，对黏性土均质坝不大于坝底宽的1/2，对砂性土均质坝不大于坝底宽的1/3，其构造如下图所示。      

褥垫排水向下游方向设有0.005～0.01的纵坡。排水层的厚度应根据排水量计算确定，并应满足反滤层最小厚度的要求。当下游水位低于排水设施时，降低浸润线的效果显著，还有助于坝基排水固结。但当坝基产生不均匀沉陷时，褥垫排水层易遭断裂，而且检修困难，施工时有干扰。       

      

褥垫式排水1—护坡；2—浸润线；3—排水；4—反滤层      

      

管式排水1—坝体；2—集水管；3—横向排水管      

（4）管式排水      

管式排水的构造如图所示，埋入坝体的暗管可以是带孔的陶瓦管、混凝土管或钢筋混凝土管，还可以是由碎石堆筑而成。平行于坝轴线的集水管收集渗水，经由垂直于坝轴线的横向排水管排向下游。横向排水管的间距为15～20m。管式排水的优缺点与褥垫式排水相似。排水效果不如褥垫式好，但用料少。一般用于土石坝岸坡及台地地段，因为这里坝体下游经常无水，排水效果好。      

（5）综合式排水      

为发挥各种排水型式的优点，在实际工程中常根据具体情况采用几种排水型式组合在一起的综合式排水，如若下游高水位持续时间不长，为节省石料可考虑在下游正常高水位以上采用贴坡排水，以下采用棱体排水；还可以采用褥垫式与棱体排水组合，贴坡棱体与褥垫式排水组合等综合式排水。       

综合式排水

（a）贴坡与棱体排水结合；（b）褥垫与棱体排水结合

四、护坡与坝坡排水

土石坝的上游面，为防止波浪淘刷、冰层和漂浮物的损害、顺坝水流的冲刷等对坝坡的危害，必须设置护坡。土石坝下游面，为防止雨水、大风、水下部位的风浪、冰层和水流作用、动物穴居、冻胀干裂等对坝坡的破坏，也需设置护坡。在严寒和平原地区，护坡工程量很大，维修费用可达相当大的数字，因此合理选择护坡型式，使其能抵抗各种因素对护坡的破坏作用，施工维修方便、节省投资，具有重要意义。      

     

1.上游护坡      

上游护坡的型式有抛石、干砌石、浆砌石、混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土或水泥土等。      

护坡覆盖的范围，应由坝顶起护至水库最低水位以下一定距离，一般最低水位以下2.5m。对最低水位不确定的坝应护至坝底。      

（1）抛石（堆石）护坡——  将适当级配的石块倾倒在坝面垫层上的一种护坡。优点是施工进度快、节省人力，但工程量比砌石护坡大。堆石护坡的厚度一般认为至少要包括2～3层块石，这样便于在波浪作用下自动调整，不致因垫层暴露而遭到破坏。当坝壳为黏性小的细粒土时，往往需要两层垫层，靠近坝壳的一层垫层最小厚度为15cm。      

（2）砌石护坡——  用人工将块石铺砌在碎石或砾石垫层上，有干砌石和浆砌石两种。要求石料比较坚硬并耐风化。      

干砌石应力求嵌紧，通常厚度为20～60cm。有时根据需要用2～3层垫层，它也起反滤作用。砌石护坡构造见图4－33。

      

干砌石护坡（单位：m）1—干砌石；2—垫层；3—坝体      

浆砌石块石护坡能承受较大的风浪，也有较好的抗冰层推力的性能。但水泥用量大，造价较高。若坝体为黏性土，则要有足够厚度的非黏性土防冻垫层，同时要留有一定缝隙以便排水通畅。      

（3）混凝土和钢筋混凝土板护坡——  当筑坝地区缺乏石料时可考虑采用此种型式。预制板的尺寸一般采用：方形板为1.5m×2.5m、2m×2m或3m×3m，厚为0.15～0.20m。预制板底部设砾石或碎石垫层。现场浇筑的尺寸可大一些，可采用5m×5m、10m×10m甚至20m×20m。严寒地区冰推力对护坡危害很大，因此也有用混凝土板做护坡的，但其垫层厚度要超过冻深，见下图       

      

混凝土板护坡（单位：cm）      

（a）矩形板；（b）六角形板1—矩形混凝土板；2—六角形混凝土板；3—碎石或砾石；4—木挡柱；5—结合缝      

（4）渣油混凝土护坡——  在坝面上先铺一层3cm的渣油混凝土（夯实后的厚度），上铺10cm的卵石做排水（不夯），第三层铺8～10cm的渣油混凝土，夯实后在第三层表面倾倒温度为130～140°C的渣油砂浆，并立即将0.5m×1.0m×0.15m的混凝土板平铺其上，板缝间用渣油砂浆灌满。这种护坡在冰冻区试用成功，见图4－35。      

      

渣油混凝土护坡（单位：cm）      

（5）水泥土护坡——  将粗砂、中砂、细砂掺上7%～12%的水泥（质量比），分层填筑于坝面作为护坡，叫水泥土护坡。它是随着土石坝的填筑逐层填筑压实的，每层压实的厚度不超过15cm。这种护坡厚度为0.6～0.8m，相应水平宽度为2～3m，见图：      

      

     

水泥土护坡（单位：m）      

1—土壤水泥土护坡；2—潮湿土壤保护层；3—压实的透水土料      

这种护坡经过几个坝的实际运用，在最大浪高1.8m并经数十年的冻融情况下，只有少量裂缝，护坡没有破坏。寒冷地区护坡在水库冰冻范围内，水泥含量应增加一些，常用8%～14%。      

以上各种护坡的垫层按反滤层要求确定。垫层厚度一般对砂土可用15～30cm以上，卵砾石或碎石可用30～60cm以上。      

     

2.下游护坡

下游护坡主要是为防止被水冲蚀和人为破坏，一般宜采用简化型式。适用于下游护坡的型式有堆石、卵石和碎石、草皮等。其护坡范围由坝顶护至排水棱体，无排水棱体时护至坝脚。      

气候温和地区的黏性土均质坝，草皮护坡是常用的型式。若坝坡为无黏性土时，则应在草皮下铺一层厚0.2～0.3m的腐殖土，护坡效果良好。碎石或卵砾石护坡，一般直接铺在坝坡上，厚约10～15cm。下游坝面需要全部护砌。      

     

3.坝坡排水

为了防止雨水的冲刷，在下游坝坡上常设置纵横向连通的排水沟。沿土石坝与岸坡的结合处，也应设置排水沟以拦截山坡上的雨水。坝面上的纵向排水沟沿马道内侧布置，用浆砌石或混凝土板铺设成矩形或梯形。若坝较短，纵向排水沟拦截的雨水可引至两岸的排水沟排至下游。若坝较长，则应沿坝轴线方向每隔50～100m左右设一横向排水沟，以便排除雨水。排水沟的横断面，一般深0.2m，宽0.3m，必要时可按1h暴雨强度和积水面积计算确定。       

     

      

坝坡排水（单位：m）      

1—坝坡；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