土石坝

第一节 概述

土石坝是指由土料、石料或土石混合料，采用抛填、碾压等方法堆筑成的挡水坝。堤坊是沿河岸构筑的护岸建筑物，大多数采用土石坝的结构形式，在许多方面土石坝与堤坊都存在共性。由于结构简单、施工方便、可就地取材和投资低等特点，因而土石坝是应用最为广泛和发展最快的一种坝型，也是历史最为悠久的坝型。

一、土石坝的工作原理

土石坝是土石材料的堆筑物，主要利用土石颗粒之间的摩擦、粘聚特性和密实性来维持自身的稳定、抵御水压力和防止渗透破坏。一般来说，土石坝为维持自身稳定需要较大的断面尺寸，因而有足够的能力抵御水压力。因此，土石坝工程主要面对两个问题：确保自身稳定和防止渗透破坏。其中自身稳定包括滑坡、沉陷和冲刷问题。

1、滑坡

由于土石材料为松散体，抗剪强度低，主要依靠土石颗粒之间的摩擦和粘聚力来维持稳定，没有支撑的边坡是填筑体稳定问题的关键。所以，土石坝失稳的型式，主要是坝坡的滑动或坝坡连同部分坝基一起滑动，影响坝体的正常工作，甚至导致工程失事。为确保土石填筑体的稳定，土石坝断面一般设计成梯形或复合梯形，而且边坡较缓，通常1:1.5～1:3.5。

此外，渗流也是影响坝体稳定的重要因素。

2、渗流

水库蓄水后，土石坝迎水面与背水面之间形成一定的水位差，在坝体内形成由上游向下游的渗流。渗流不仅使水库损失水量，还会使背水面的土体颗粒流失、变形，引起管涌和流土等渗透破坏。在坝体与坝基、两岸以及其他非土质建筑物的结合面，还会产生集中渗流现象。

防止渗流破坏的原则是“前堵后排”，在坝前（迎水面）采取防渗、防漏的工程措施，减少渗流量，同时要尽量排除渗入坝体的水量，降低渗流对坝体的不利影响。

3、沉陷

由于土石颗粒之间存在较大的孔隙，在外荷载的作用下，易产生移动、错位，细颗粒填充部分孔隙，使坝体产生沉降，也使土体逐步密实、固结。如果土石坝颗粒级配不合理，沉降变形、不均匀会产生裂缝，破坏坝体结构，也会降低坝顶高程，使坝的高度不足。土石坝的沉陷与坝体、坝基的土石材料有关，因此，土石坝设计需要考虑土石材料选用、坝基处理、填筑工艺等因素，筑坝时应有适量的超填。

4、冲刷

土石坝为散粒结构，抗冲能力低，受到波浪、雨水和水流作用，会造成冲刷破坏。因此，土石坝坝坡要设置护面结构，特别是迎水面要防止波浪影响，是护面的重点。背水坡面要设置排水沟，防止雨水对坝面的冲刷。土石坝的溢洪道和引水涵一般远离坝区布置，以面冲刷坝体。土石堤防还要采用各种护脚措施，例如抛石和模袋混凝土护脚，或设置丁坝。

二、土石坝的类型

1、碾压式土坝

碾压式土坝的施工方法是用适当的土料、以合理的厚度分层填筑，逐层压实而成的坝。碾压填筑是应用最广的土坝施工方法，本章主要讲述这类型土坝。

2、水力冲填坝

以水力为动力完成土料的开采、运输和填筑全部筑坝工序而建成的土坝。利用水力冲刷泥土形成泥浆，通过泵或沟槽将泥浆输送到土坝填筑面，泥浆在土坝填筑面沉淀和排水固结形成新的填筑层，这样逐层向上填筑，直至完成整个坝体填筑。

3、定向爆破堆石坝

利用定向爆破方法，将河两岸山体的岩石爆出、抛向筑坝地点，形成堆石坝体，经过人工修整，浇筑防渗体，即可完成坝体建筑。

第二节 渗流分析

一、土石坝的渗流变形及其防治措施

土坝及地基中的渗流，由于其机械或化学作用，可能使土体产生局部破坏，称为“渗透破坏”。严重的渗透破坏可能导致工程失事，因此必须加以控制。

（一）渗透变形的型式（分类）

渗透变形的型式及其发生、发展、变化过程，与土料性质、土粒级配、水流条件以及

防渗、排渗措施等因素有关，一般可归纳为：管涌、流土、接触冲刷、接触流土、接触管涌等类型。最主要的是管涌和流土两种类型。

1、管涌

坝体或坝基中的细土壤颗粒被渗流带走，逐渐形成渗流通道的现象称为管涌或机械管涌。管涌一般发生在坝的下游坡或闸坝的下游地基面渗流逸出处。没有凝聚力的无粘性砂土、砾石砂土中容易发生管涌；粘性土的颗粒之间存在有凝聚力（或称粘结力），渗流难以将其中的颗粒带走，一般不易发生管涌。管涌开始时，细小的土壤颗粒被渗流带走；随着细小颗粒的大量流失，土壤中的孔隙加大，较大的土壤颗粒也会被带走；如此逐渐向内部发展，形成集中的渗流通道。使个别小颗粒土在孔隙内开始移动的水力坡降，称为管涌的临界坡降；使更大的土粒开始移动从而产生渗流通道和较大范围破坏的水力坡降，称为管涌的破坏坡降。

单个渗流通道的不断扩大或多个渗流通道的相互连通，最终将导致大面积的塌陷、滑坡等破坏现象。

2、流土

在渗流作用下，成块的土体被掀起浮动的现象称为流土。流土主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗流出口处。发生流土时的水力坡降，称为流土的破坏坡降。

3、接触冲刷

当渗流沿两种不同土壤的接触面或建筑物与地基的接触面流动时，把其中细颗粒带走

的现象称为接触冲刷。

4、接触管涌

当渗流垂直作用于两种不同土壤的接触面时，渗流可能将其中一层的细颗粒带到另一层的粗颗粒中去的现象成为接触管涌。接触管涌一般发生在粘土心（斜）墙与坝壳砂砾料之间、坝体或坝基与排水设施之间、坝基内不同土层之间的渗流中。

5、接触流土、

当渗流垂直作用的两种不同土壤中的一层为粘性土时，渗流可能将粘性土成块地移动，从而导致隆起、断裂或剥蚀等现象成为接触流土。

第三节 土石坝的坝基处理

土坝对地基的要求比混凝土坝低，一般不必挖除地表透水土壤和砂砾石等。但是，为了满足渗透稳定、静力和动力稳定、容许沉降量和不均匀沉降等方面的要求，保证坝的安全经济运行，也必须根据需要对地基进行处理。

对所有土石坝的坝基，首先应完全清除表面的腐殖土，可能形成集中渗流和可能发生滑动的表层土石，然后根据不同的地基情况采用不同的处理措施。

一、岩基处理

针对土石坝的特点，岩基的处理，主要应注意以下几点：

1．岩基上的覆盖层

对中、低土石坝，只需将防渗体坐落在基岩上，形成截水槽以隔断渗流即可。对高土石坝，最好挖除全部覆盖层，使防渗体和坝壳均建在基岩上。

2．防渗体与基岩的连接

防渗体与基岩的接触面应紧密结合。以前多要求在防渗体的基岩面上浇筑混凝土垫层或混凝土齿墙。

但是，研究表面，混凝土垫层和齿墙的作用并不明显，受力条件不佳，易产生裂缝，因此，现在的发展趋势是将防渗体直接建在基岩上。

3．基岩内部防渗处理

主要是防渗帷幕。

4．对不良地质构造的处理

对断层、破碎带等不良地基构造，主要考虑起渗透稳定性和抗溶蚀性能，而不太看重其承载力和不均匀沉降。处理方法主要有：水泥灌浆或化学灌浆、混凝土塞、混凝土防渗墙、设置防渗铺盖等。

二、砂砾石地基处理

砂砾石具有足够的承载能力，压缩性不大，干湿变化对体积的影响也不大。但砂砾石

地基的透水性很大，渗漏现象严重，而且可能发生管涌、流土等渗透变形。

因此，砂砾石地基的处理，主要是对地基的防渗处理。

（一）垂直防渗设施

垂直防渗是解决坝基渗流问题效果最好的措施。垂直防渗的效果，相当于水平防渗效果的三倍。因此，在土石坝的防渗措施中，应优先选择垂直防渗措施。

垂直防渗措施主要有：粘性土截水墙、混凝土防渗墙、灌浆帷幕、板桩等。

1．粘性土截水墙

（1）当砂砾石透水地基的深度不大时，可将截水墙直接伸入岩基，并与岩基紧密相连。这种情况下的截水墙结构简单，工作可靠，防渗效果好；

当砂砾石透水地基的深度较大时，可将截水墙深入坝基一定深度，不与岩基相连，称为悬挂式截水墙，但防渗效果较差。

2．混凝土防渗墙

对深厚砂砾石地基，采用混凝土防渗墙是比较有效和经济的防渗设施。

3．灌浆帷幕

当砂砾石透水地基的深度很大时，可采用灌浆帷幕进行防渗。

4．板桩

当砂砾石透水地基的深度较大时，可采用钢板桩防渗。木板桩一般只用于临时工程。

由于钢板桩在打入砂砾石地基中时可能产生弯曲，脱缝等现象，影响防渗效果，且造价较高，因此目前已较少采用。

（二）水平防渗设施

土石坝中，水平防渗措施主要是设置防渗铺盖。

防渗铺盖是位于上游坝脚、渗透系数很小的粘性土做成的水平防渗设施。水平铺盖的防渗效果远不如垂直防渗措施，但它结构简单，施工方便，造价较低。因此，当设置垂直防渗措施困难时，也是一种合适的防渗措施。

铺盖的渗透系数一般应小于10-5cm/s，铺盖的长度一般为4～6倍水头，铺盖的厚度应满足铺盖材料的容许渗透坡降的要求，一般布小于0.5～1.0m。

防渗铺盖很少单独作为土石坝的防渗措施，一般与其他措施相结合。

三、细砂、软粘土和湿陷性黄土地基处理

（一）细砂地基处理

细砂地基，特别是饱和的细砂地基，在动力作用下容易产生液化现象，因此应加以处理。对厚度不大的细砂地基，一般采用挖除的办法。对于厚度较大的细砂地基，以前采用

板桩加以封闭的办法，但很不经济。现在主要采用人工加密的办法，即在细砂地基中人工掺入粗砂。近年来，我国采用振冲法加密细砂地基，从而提高细砂地基的相对密度，取得了较好的效果。

（二）淤泥层地基处理

淤泥夹层的天然含水量较大，容重小，抗剪强度低，承载能力差。当淤泥层埋藏较浅时，一般将其全部挖除。当淤泥层埋藏较厚时，一般采用压重法或设置砂井加速固结的方法。

（三）软粘土和湿陷性黄土地基处理

当软粘土层较薄时，一般全部挖除。当软粘土层较厚时，一般采用换砂法或排水砂井法。对黄土地基，一般的处理方法有：预先浸水，使其湿陷加固；将表层土挖除，换土压实；夯实表层土，破坏黄土的天然结构，使其密实等。

第四节 细部构造

土石坝的构造主要包括：防渗体、排水设施、护坡、坝顶等部位的构造。

一、防渗体

（一）土质心墙

土质心墙位于土石坝坝体断面的中心部位，并略为偏向上游，有利于心墙与坝顶的防浪墙相连接；同时也可使心墙后的坝壳先期施工，坝壳得到充分的先期沉降，从而避免或

减少坝壳与心墙之间因变形不协调而产生的裂缝。

心墙的厚度应根据土料的容许渗透坡降来确定，保证心墙在渗透坡降作用下不至于被破坏，有时也需考虑控制下游浸润线的要求。

轻壤土的容许渗透坡降为3～4，壤土为4～6，粘土为6～8。心墙顶部的水平宽度不宜小于3m，心墙底部厚度不宜小于作用水头的1/4。心墙的两侧坡度一般在1:0.15～1:0.3之间，有些两侧坡度可达1:0.4～1:0.5。

在正常运用情况下，心墙顶部的高程应不低于上游设计水位0.3～0.6m；在非常运用情况下，心墙顶部的高程应不低于非常运用情况下的静水位；对设有可靠的防浪墙的土坝，心墙顶部的高程也应不低于正常运用情况下的静水位。

心墙顶部与坝顶之间应设置保护层，以防止冻结、干燥等因素的影响，并按结构要求不小于1m，一般为1.5～2.5m。

心墙与坝壳之间应设置过渡层。过渡层的要求可以比反滤层的要求低，一般采用级配较好的、抗风化的细粒石料和砂砾石料。过渡层除取一定的反滤作用外，主要还是为了避免防渗体与坝壳两种刚度相差较大的土料之间刚度的突然变化，使应力传递均匀，防止防渗体产生裂缝，或控制裂缝的发展。

心墙与坝基及两岸必须有可靠的连接。对土基，一般采用粘性土截水墙；对岩基，一般采用混凝土垫座或混凝土齿墙。

（二）土质斜墙

土质斜墙位于土石坝坝体上游面。它是土石坝中常见的又一种防渗结构。填筑材料土土质心墙材料相近。

斜墙的厚度应根据土壤的容许渗透坡降和结构的稳定性两方面来确定，有时也需考虑控制下游浸润线的要求，以及渗透流量的要求。斜墙顶部的水平宽度不宜小于3m；斜墙底部的厚度应不小于作用水头的1/5。

在正常运用情况下，斜墙顶部的高程应不低于上游设计水位0.6～0.8m；在非常运用情况下，斜墙顶部的高程应不低于非常运用情况下的静水位；对设有可靠的防浪墙的土坝，斜墙顶部的高程也应不低于正常运用情况下的静水位。

斜墙顶部与坝顶之间应设置保护层，以防止冻结、干燥等因素的影响，并按结构要求不小于1m，一般为1.5～2.5m。

斜墙及过渡层的两侧坡度，主要取决于土坝稳定计算的结果，一般外坡应为1:2.0～1:2.5，内坡为1:1.5～1:2.0。

斜墙的上游侧坡面和斜墙的顶部，必须设置保护层。其目的是防止斜墙被冲刷、冻裂或干裂，一般用砂、砂砾石、卵石或碎石等砌筑而成。保护层的厚度不得小于冰冻和干燥深度，一般为2～3m。

斜墙与坝壳之间应设置过渡层。过渡层的作用、构造要求等与心墙与坝体间的过渡层类似，但由于斜墙在受力后更容易变形，因此斜墙后的过渡层的要求应适当高一些，且常设置为两层。斜墙与保护层之间的过渡层可适当简单，当保护层的材料比较合适时，可只设一层，有时甚至可以不设保护层。

（三）非土料防渗体

非土料防渗体，也称人工材料防渗体。主要包括沥青混凝土或钢筋混凝土做成的防渗体。

1、沥青混凝土防渗体

沥青混凝土具有较好的塑性和柔性，渗透系数很小，约为1×10－7～1×10－10cm/s，防渗和适应变形的能力均较好；产生裂缝时，有一定的自行愈合的功能；施工受气候的影响小，是一种合适的防渗材料。沥青混凝土可以作成心墙，也可以作成斜墙。

沥青混凝土心墙不受气候和日照的影响，可减少沥青的老化速度，对抗震也有利，但检修困难。沥青混凝土心墙底部厚度一般为坝高的1/40～1/60，且不少于0.4m；顶部厚度不少于0.3m。心墙两侧应设置过渡层。

沥青混凝土斜墙铺筑在厚1～3cm的、由碎石或砾石作成的垫层和3～4cm厚的沥青碎石基垫上，以调节坝体变形。沥青混凝土斜墙一般厚20cm，分层铺填碾压，每层厚3～6cm。沥青混凝土斜墙上游侧坡度不应陡与1:1.6～1:1.7。

2、钢筋混凝土防渗体

钢筋混凝土心墙已较少使用。钢筋混凝土心墙底部厚度一般为坝高的1/20～1/40，顶部厚度不少于0.3m。心墙两侧应设置过渡层。

钢筋混凝土面板一般不用于以砂砾石为坝壳材料的土石坝，因为土石坝坝面沉降大，而且不均匀，面板容易产生裂缝。钢筋混凝土面板主要用于堆石坝中。

二、坝体排水

土石坝坝身排水设施的主要作用是：① 降低坝体浸润线，防止渗流逸出处的渗透变形，增强坝坡的稳定性；② 防止坝坡受冰冻破坏；③ 有时也起降低孔隙水压力的作用。

（一）堆石棱体排水

堆石棱体排水是在坝趾处用块石堆筑而成的棱体，也称为排水棱体或滤水坝趾。堆石棱体排水能坝体降低浸润线，防止坝坡冰冻和渗透变形、保护下游坝脚不受尾水淘刷，同时还可支撑坝体，增加坝的稳定性。堆石棱体排水工作可靠，便于观测和检修，是目前使用最为广泛的一种坝体排水设施，多设置在下游有水的情况。

棱体排水顶部高程应超出下游最高水位。对1、2级坝，不应小于1.0m；对3、4、5级坝，不应小于0.5m；并应超过波浪沿坡面的爬高；顶部高程应使坝体浸润线局坝面的距离大于该地区冻结深度；顶部宽度应根据施工条件和检查观测需要确定，且不宜少于1.0m；应避免在棱体上游坡脚处出现锐角。棱体的内坡坡度一般为1：1～1:1.5，外坡坡度一般为1:1.5～1:2.0。排水体与坝体及地基之间应设置反滤层。

（二）贴坡排水

贴坡排水是一种直接紧贴下游坝坡表面铺设的排水设施，不伸入坝体内部。因此，又称表面排水。贴坡排水不能缩短渗径，也不影响浸润线的位置，但它能防止渗流溢出点处土体发生渗透破坏，提高下游坝坡的抗渗稳定性和抗冲刷的能力。贴坡排水构造简单，用料节省，施工方便，易于检修。

贴坡排水顶部高程应高于坝体浸润线出逸点，且应使坝体浸润线在该地区的冻结深度以下。对1、2级坝，不应小于2.0m；对3、4、5级坝，不应小于1.5m；并应超过波浪沿坡面的爬高；底脚应设置排水沟或排水体；材料应满足防浪护坡的要求。

贴坡排水单独使用时，主要用于周期性被淹没的、坝的滩地部分的下游坝坡上。贴坡排水常用于与其它排水设施结合在一起使用，形成组合式排水。

贴坡排水一般由1～2层足够均匀的块石组成，从而保证有很高的渗透系数。石块的粒径应根据在下游波浪的作用下能够保持稳定的条件来确定。下游最高水位以上的贴坡排水，可只填筑砾石或碎石。

贴坡排水砌石或堆石与下游坡面之间应设置反滤层。

（三）褥垫排水

褥垫排水是设在坝体基部、从坝址部位沿坝底向上游方向伸展的水平排水设施。

褥垫排水的主要作用是降低坝内浸润线。褥垫伸入坝体越长，降低坝内浸润线的作用越大，但越长也越不经济。因此，褥垫伸入坝内的长度以不大于坝底宽度的1/3～1/4为宜。褥垫排水一般采用粒径均匀的块石，厚度约为0.4～0.5m。在褥垫排水的周围，应设置反滤层。

褥垫排水一般设置在下游无水的情况。但由于褥垫排水对地基不均匀沉降的适应性较差，且难以检修，因此在工程中应用得不多。

（四）组合式排水

组合式排水是为了充分发挥不同排水设施的功效，根据工程的需要，采用两种或两种以上的排水设施型式组合而成的排水设施。

三、坝顶及护坡

（一）坝顶

坝顶一般采用碎石、单层砌石、沥青或混凝土路面。如坝顶有公路交通要求，坝顶结构应满足公路交通路面的有关规定。坝顶上游侧常设防浪墙，防浪墙应坚固、不透水。一般采用浆砌石或钢筋混凝土筑成，强底应与坝体中的防渗体紧密连接。坝顶下游一般设路边石或栏杆。坝顶面应向两侧或一侧倾斜，形成2％～3％的坡度，以便排除雨水。

（二）护坡

护坡的主要是保护坝坡免受波浪和降雨的冲刷；防止坝体的粘性土发生冰结、膨胀、收缩现象。对坝表面为土、砂、砂砾石等材料的土石坝，其上、下游均应设置专门的护坡。对堆石坝，可采用堆石材料中的粗颗粒料或超径石做护坡。

上游护坡主要有：堆石（抛石）、干砌石、浆砌石、预制或现浇的混凝土或钢筋混凝土板（或块）、沥青混凝土等。

下游护坡主要有：干砌石、草皮、钢筋混凝土框格填石等。

上游面护坡的覆盖范围上部自坝顶起（如设防浪墙时，应与防浪墙连接），下部至死水位以下。死水位以下的距离，对1、2、3级坝，不宜小于2.50m；对于4、5级坝，不宜小于1.50m。当上游最低水位不确定时，上游护坡应护至坝脚。

下游面护坡的覆盖范围应由坝顶护至排水棱体；无排水棱体时，应护至坝脚。

干砌石、浆砌石、碎石或砾石护坡的厚度，一般为0.3m；石、堆石护坡底部，应按反滤原则设施碎石或砾石垫层；当波浪作用较大时，干砌石护坡可能遭受破坏。此时，宜采用水泥砂浆或细骨料混凝土灌缝或勾缝；草皮护坡草皮厚度一般为0.05m～0.10m，且在草皮下部一般先铺垫一层厚0.2～0.3m的腐殖土。

四、反滤层

设置反滤层的主要目的是提高土体抗渗破坏能力，防止各类渗透变形，如管涌、流土、接触冲刷等。

反滤层一般由2～3层不同粒径的、级配均匀的、耐风化的砂、砾石、卵石或碎石构成。层的排列应尽量与渗流的方向垂直，各层的粒径按渗流方向逐层增大。

人工施工时：水平反滤层的最小厚度一般为0.15～0.30m；垂直或倾斜的反滤层的最小厚度为0.50m。

采用机械化施工时：反滤层的最小厚度根据施工方法确定。