土石坝
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。
土石坝
3．坝面排水
除了干砌石或堆石护坡之外，下游坝坡 均须设置坝面排水，排水应包括坝顶、坝坡、 坝头及坝下游等部位的集水、截水和排水措 施。同时，坝坡与岸坡连接处也应设排水沟， 其集水面积应包括岸坡积水面积在内。
土石坝优点： 就地取材，节省三材； 筑坝经验丰富； 对地形、地质条件适应性强； 施工技术简单；便于维修、加高、培厚和扩建。 因此，在国内外应用十分广泛。据统计，国内
已建成的八万多座水坝，土石坝约占90%左右。
密云水库（土坝）
水布垭水库（湖北清江）
水 布 垭
施工中的水布垭水库
坝顶上游侧宜布置防浪墙，墙顶应高于坝顶1.00～ 1.20m，墙底必须与防渗体紧密结合。
防浪墙应做成坚固不透水的结构。
尺寸应根据稳定和强度条件确定，并设置变形伸缩缝和做 好止水措施，如图5-24所示。
0.5
1.20 0.25
129.4 3%
心墙
沙壳
0.4 黄泥灌浆碎石 路面厚0.2m
干砌石护坡：国内使用较多，一般采用单层干砌形 式、厚度0.2～0.3m，通常在石料丰富且砌石费用便宜 的地区可以考虑采用。
卵石或碎石护坡：
适用于由砂或砾石填筑的下游坝坡，卵石或碎石的 粒径应为5～10cm，厚度40cm。
钢筋混凝土框格填石护坡：
适用坝坡较陡、仅仅采用卵石或碎石护坡不稳定且 不适宜采用草皮护坡的情况。框格尺寸一般为4～ 5m×4～5m，框条宽0.2m，厚0.3m，在框格中填卵石 或碎石。
土石坝
世界上最高坝
罗贡坝： 塔吉克共和国 粘土斜心墙土石坝 最大坝高335m
中国的情况
最早用现代技术修建的土坝 甘肃省的鸳鸯池水库大坝 土石坝数量多，但是高坝少 100m以上的仅三座 陕西省的石头河粘土心墙堆石坝，最大坝高114m
土石坝设计的基本要求
设计要求
泄洪能力
渗流
坝体、坝基 稳定
土石料
避免裂缝、 抵抗自然破坏
可靠、 耐久
经济美观
土石坝的失事
沟后水库 沙砾石面板坝
土石坝的失事（续）
世界最大的水库垮坝惨剧 河南省驻马店地区包括两座大型水库在内的数
十座水库漫顶垮坝 ：板桥水库 、石漫滩水库 1100万亩农田受到毁灭性的灾害，1100万人
土石坝的分类（续）
土石坝的分类（续）
土石坝的基本剖面
坝顶高程（Crest Elevation）：取以下最大值 正常蓄水位＋正常坝顶超高 设计洪水位＋正常坝顶超高 校核洪水位＋非常坝顶超高 正常蓄水位＋非常坝顶超高＋地震加高 坝顶超高 （Freeboard）
坝顶超高 d hB e a
中国的情况（续）
甘肃省 碧口 壤土心墙土石混合坝 最大坝高 101.8m
过木道 溢洪道
中国的情况（续）
鲁布革水电站 最大坝高103.8米
原因分析
国际环境：世界经济快速发展时期 国内环境：发展相对滞后 技术上
布置泄洪和施工导流所需工程量较大，造价较高 对防渗土料要求过高 施工水平落后
土石坝的长处
利用当地材料。节省大量的钢材水泥，免修公路 适应不同地形地质条件。特别是在高烈度地震区，土
土石坝介绍
按照土料在坝身内的配置和防渗体所用 的材料种类，碾压式土石坝可分为以下 几种主要类型： 1、均质坝。坝体断面不分防渗体和 坝壳，基本上是由均一的黏性土料（壤 土、砂壤土）筑成。 2、土质防渗体分区坝。即用透水性 较大的土料作坝的主体，用透水性极小 的黏土作防渗体的坝。包括黏土心墙坝 和黏土斜墙坝。防渗体设在坝体中央的
Wi sin
毕肖普法
kc
1 [(Wi ui li cos i ) tani' Ci'bi cos i ] m e Wi sin i Qi i R
土石坝的地基处理
基岩处理 主要是设置防渗帷幕 方法：水泥灌浆或化学灌浆、混泥土塞、 混泥土防渗墙、设置防渗铺盖 沙砾石地基处理 上堵：垂直防渗、水平防渗 下堵：排水设施、反滤排水沟、排水减 压井、下游透水盖重、
土石坝
什么是土坝？？？？
土石坝泛指由当地土料、石料 或混合料，经过抛填、辗压等 方法堆筑成的挡水坝
土石坝的优缺点
土石坝的优点：
（1）就地取材，节省钢材﹑水泥﹑ 木材等重要建筑材料，同时减少了筑坝
材料的远途运输。 （2）结构简单，便于维修和加高﹑ 扩建。 （3）坝身是土石散粒体结构，有适
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土石坝的类型
土石坝常按坝高、施工方法或筑坝材 料分类。 土石坝按照坝高分类，土石坝按坝高 可分为：低坝、中坝和高坝。我国《碾 压式土石坝设计规范》（SL 274-2001） 规定：高度在30米以下的为低坝；高度 在30米～70米之间的为中坝；高度超过 70米的为高坝。
土石坝按其施工方法可分为：碾压式土石坝；冲 填式土石坝；水中填土坝和定向爆破堆石坝等。 应用最为广泛的是碾压式：一般采用塑性心墙和斜墙
什么是土石坝
述
3．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
第
坍塌，削弱坝体剖面尺寸，对坝体稳定不利。 设计中，要求：
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
第
点介绍这种坝型的设计。
一
2）水力冲填坝
节
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
概
筑成的坝型。具体地说，是用高压水枪驱
述
动高压水流向料场的土料喷射冲击，
二、土石坝的类型
使之成为泥浆，然后通过泥浆泵和输浆管
0.70 0.50 0.40 0.30
1.00 0.70 0.50 0.30
第二节 土石坝剖面的基本尺寸
e
kw2 D 2gH m
cos
（5-2）
式中 k——综合摩阻系数，其值在（1.5～5.0）
×10-6之间，计算时一般取3.6×10-6；
D ——风区长度（m）；
—H m—坝前风区水域平均水深（m）；
第
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。
一 节
饱和土体，其抗剪强度指标也将相应降低， 对坝坡稳定不利。
概 为此，应设置防渗和排水措施，以减少水库
述 的渗漏损失和保证坝坡的稳定性。
一、土石坝的工作特点
2．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
土石坝
第三章 土石坝第一节 概述土石坝是由坝址附近的土石料填筑而成的一种坝型，所以又称当地材料坝。
土石坝是建造历史最悠久、应用最普遍的一种坝型。
我国已建成15m 高以上的水坝约9万座，其中90%以上为土石坝。
另外大量的江、河、湖、海堤防工程绝大部分实质上也属于土石坝，只是堤防工程的用途及运行工况与水库大坝稍有差异。
土石坝被广泛采用的原因：①就地取材最大限度利用当地天然土石料⇒⎪⎩⎪⎨⎧↓↓↓对外运输量水泥、钢材用量 ②对地基变形的适应能力强，几乎可以适应任何地基除了严重喀斯特地区坝址存在大溶洞或淤泥深度太大，地基处理不经济，不适宜建坝之外，土石坝几乎可以在任何地基建造。
但是如果非要在那些地区建坝不可的话，土石坝仍然是最好的选择，因为土石坝自重小、抗震能力强。
四川野勒水电站坝址强透水覆盖层60多m ，采用沥青混凝土心墙土石坝。
③施工方法选择具有灵活性土石坝结构简单、施工技术容易掌握，既可采用简单机具施工，又可高度机械化施工。
土石坝的缺点：①坝身一般不允许泄洪需另建泄洪建筑物，往往给枢纽布置带来困难。
②施工导流困难由于坝身不能溢流，要求施工期洪水全部通过导流隧洞或涵洞排泄。
③施工受气候条件影响比较大在恶劣气候如雨季和严寒冰冻情况下，填土质量难以保证，往往导致施工延期。
一、土石坝的工作特点和基本要求土石坝是由散粒体的土石料填筑而成的挡水建筑物，散粒之间凝聚力比较低，在渗流、冲刷、沉降、冰冻、地震等因素作用下，表现出不良的物理状态，降低建筑物的功能，甚至引发工程事故。
因此要根据土石坝的工作特点提出相应的设计要求。
⑴ 渗流散粒体渗透性强，而且渗流对散粒体的影响又十分显著。
⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⇒↓⇒⎪⎭⎪⎬⎫↓↓⇒水量损失漏水坝坡稳定性渗流动水压力土的有效重量时，发生渗透变形〉当渗流ϕ,[J]J c因此土坝要特别注意采取渗流控制措施。
⑵ 冲刷一方面：散粒之间凝聚力低⇒抗冲刷能力低另一方面：坝面破坏、塌坡下游坝坡受雨水冲刷上游坝坡受风浪淘刷⇒⎭⎬⎫ 因此要采取护坡措施，并且不允许水库漫坝。
土石坝介绍
25
2.渗透变形
（1）管涌 坝体或坝基中的无粘性土细粒被渗透水带走并逐步形成
渗流通道的现象称为管涌。 （2）流土
在渗流作用下产生的土体浮动或流失现象，称为流土。 （3）接触冲刷
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碾压式土石坝类型
11
碾压式土石坝类型
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二、土石坝的特点
优点：
筑坝材料来源直接、方便，能就地取材，材料运 输成本低，还能节省大量的钢材、水泥和木材等 建筑材料。
适应地基变形的能力强。 构造简单，施工技术容易掌握，便于组织机械化
施工。 运行管理方便，工作可靠，寿命长，维护加固和
扩建均较容易。
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五、土石坝的组成及作用
土石坝的坝体剖面由坝身、防渗体、排水体、 护坡四部分组成
1）坝身 坝身是土石坝的主体，坝体的稳定主要靠坝
身来维持，并对防渗体起到保护作用。坝身土 料应采用抗剪强度较高的涂料，以减少坝体的 工程量；当坝身土料为壤土时，由于其渗透系 数较小，可以不再另设防渗体而成为均质坝。
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较大的不均匀沉陷会使坝体产生裂缝，甚至危 及大坝的安全。因此设计时应进行沉陷量分析；施 工时要预留坝高，防止坝顶高程不足而发生洪水漫 顶。
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当渗流沿着两种不同土层的接触面流动时，沿层面带走 细颗粒的现象称为接触冲刷。 （4 ）接触流失
当渗流垂直于渗透系数相差较大的相邻土层的接触面流 动时，把渗透系数较小的土层中的细颗粒带入渗透系数较大 的另一种土层中的现象，称为接触流失。
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3.土石坝稳定性分析
3-1土石坝
3.1.3 土坝类型
（1）根据坝高分 低坝、中坝、高坝
（2）根据施工方法
水中填土坝
水力冲填坝
定向爆破坝
碾压式土石坝
水中填土坝
水力冲填坝
定向爆破坝
（4）碾压式土石坝
按照坝体材料种类及防渗体位置划分
3.1.4 土石坝的组成部分
1)确定浸润线的位置（计算坝坡稳定、应力）；
2)确定渗流量；
3) 确定渗流的主要参数（坡降、流速）—— 检验土体的渗流稳定。
3.3.2 渗流分析的方法
水力学方法；流网法；有限元法；流体力学 法；实验法（电比拟法）
3.3.3 土石坝的渗流特性 土石坝中渗流流速与坡降J的关系：v 层流时： 紊流:
kJ
1/
1～1.1；
层流至紊流过渡:
1.1～1.85；
2
在土石坝渗流分析中，一般假定符合达西定律， 即
v kJ
3.3.4 水力学法
（1）基本假定 1）坝体土是均质的，坝内各点在各方向上的渗透系 数相同 2）渗透水流为层流运动，符合达西定律 3）渗透水是渐变的，过水断面上各点的坡降和流速 为常数
竖直位移
竖向应力
（2）其他防渗体
沥青砼防渗墙、钢筋砼面板、土工膜
3.2.6 坝体排水设施
3.2.7 反滤层、过渡层
（1）反滤层 作用：滤土排水，防止渗流出口处发生渗透变 形。
反滤层的设计应满足： 1）使被保护土不发生渗透变形，即使被保护土 在出现裂缝时，其颗粒不会被带出反滤层，从 而促使裂缝自行愈合。（孔隙小） 2）透水性大于被保护土，能通畅地排除渗透水 流，同时不致被细粒土淤塞。（孔隙大）
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一、土石坝
1 土坝和堆石坝
土石坝是土坝和堆石坝的总称，亦称当地材料坝。是 应用最广泛、发展最快的一种坝型。
土坝：坝身以土料为主的坝。 堆石坝：坝身以堆石为主的坝。
2.土石坝广泛应用原因
（1）就地取材，节省水泥、钢材、木材，减少工地的外线运输量，降 低造价；几乎任何土石料均可筑坝。
（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。几乎任何不良地基， 经处理后均可修建土石坝。特别是在气候恶劣、工程地质条件复杂和高烈 度地震区情况下，土石坝是唯一可取的坝型。
（3）高效施工机械的发展，提高了土石坝的压实密度，减小了土石坝 的断面，加快了施工进度，降低了造价，促进了高土石坝建设的发展。
（4）设计（岩土）理论、试验手段和计算技术的发展，提高了分析计 算的水平，加快了设计进度，保障了安全性。
（5）高边坡、地下工程、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和 施工技术的综合发展，促进了土石坝的建设和推广。
缺点： ●坝身一般不能溢流，需另设溢洪道； ●施工导流不如砼坝方便； ●粘性土料的填筑受气候条件影响； ●断面大，体积大，工程量大。
二、土石坝实例
坝壳
心墙
坝壳
水布垭混凝土面板堆石坝
水布垭位于湖北巴东清 江上，坝高233m，坝 顶长576m。主体建筑 物有：混凝土面板堆石 坝、河岸式溢洪道、右 岸地下式电站厂房和放 空洞等。
土石坝
上坡
浆砌石护坡
水库大坝外坡
下游干砌石护坡
下游草皮护坡
土石坝
土石坝
枢纽由拦河坝、溢洪道、泄洪隧洞、输水隧洞和 水电站组成。
土石坝
坝壳
心墙
坝壳
土坝典型剖面图
糯扎渡电站枢纽由心墙堆石坝、左岸溢洪道、 左岸引水发电系统等组成。
本工程枢纽主要由大坝、引水发电系统和泄水建筑物三大部分组成。
面板
垫层 过渡层
防浪墙
坝顶
土石坝
块石护坡 大块石区
趾板
主堆石区
次堆石区
防渗帷幕
面板堆石坝典型剖面图
坝顶
垂直伸缩缝（A缝）
水平施工缝
趾板
垂直伸缩缝（B缝）
面板
面板堆石坝上游立视图
天生桥一级水电站枢纽由混凝上面板堆石坝、开敞式岸边 溢洪道、放空隧洞、引水系统和地面厂房等主要建筑物组成 。
苗家坝水电站枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、溢 洪洞、泄洪排沙洞、引水发电洞及岸边厂房等组成 。
土石坝
小浪底水电站位于 河南洛阳；大坝为 斜心墙土石坝，坝 高154m。
小浪底土坝
密云水库
土石坝
密云水库位于北京市密云县，水库库容 41．9亿m3 ，大坝为壤土斜墙土坝，总 长4559．5 m，最大坝高66m。密云水 库修建于上世纪50年代末，当时清华大学 组织了本科生、研究生、年青教师共计近 百人，分成近二十个组参与水位、地质、 水工、机电、环境、泥沙、专业的设计、 施工，前后历时2年。