任务2.1 概述
土石坝（图2.1～图2.3）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。由于筑坝材料主要来自坝址区，因而也称为当地材料坝。堤防是沿河岸修建构筑的护岸建筑物，大多数采用土石坝的结构形式，在许多方面土石坝与堤防都存在共性。
图2.1 土石坝
土石坝历史悠久，是应用最为广泛和最有发展前途的一种坝型，主要原因有以下几点。
（1）可以就地取材，节约大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量。
（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。任何不良的坝址地基，经处理后均可筑坝。
（3）大功率、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度，降低了造价，促进了高土石坝的发展。
（4）岩土力学理论、试验手段和技术的发展，提高了大坝分析计算的水平，加快了设计进度，进一步保障了大坝设计的安全可靠度。
（5）高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技术的发展，对加速土石坝的建设和推广也起到重要的促进作用。
（6）结构简单，便于维修和加高扩建。
当然，土石坝也存在着一些缺点：坝顶一般不能溢流，需另设溢洪道；施工导流不如混凝土坝方便；当采用黏性土料填筑时受气候条件的影响较大等。
图2.2 某施工中的某土石坝
图2.3 小浪底斜心墙堆石坝
2.1.1 土石坝的特点和设计要求
土石坝是由散粒体土石料填筑而成的，与其他坝型相比，在稳定、渗流、沉陷、冲刷等方面具有不同的特点和设计要求。
1.稳定
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力和黏聚力来维持稳定，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，通常为1∶1.5～1∶3.5。同时，做好地基处理并严格控制施工质量。
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，同时要尽量排出渗入坝体的水量，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，不均匀沉降变形会产生裂缝，破坏坝体结构，也会降低坝顶高程，使坝顶高程不足。设计时对于重要工程，沉陷值应通过沉陷计算确定；对于一般的中小型土石坝，如坝基没有压缩性很大的土层，可按坝高的1%预留沉陷值，同时应严格控制碾压质量。
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，设计时应设置护坡、坝面排水；为防止漫顶，坝顶应有一定的超高；同时，在布置泄水建筑物时，注意进出口离坝坡要有一定的距离，以免泄水时对坝坡的冲刷。土石堤防还要采用各种护脚措施，如抛石和模袋混凝土护脚或设置丁坝。
5.其他
严寒地区水库水面冬季结冰形成冰盖，冰盖层的膨胀对坝坡产生很大的推力，导致护坡的破坏；位于水库冰冻层底部以上的坝体黏性土壤，在冻融作用下会造成孔穴、裂缝。在夏季，由于含水量的损失，黏性土壤也可能干裂。为了防止这些现象的发生，应采取相应的保护措施。发生地震时地震惯性力也会增加坝坡滑坡可能性；当坝体或坝基土层是均匀的中细砂或粉砂时，在强烈振动作用下，还会引起液化破坏。
根据一些国家对土坝失事的统计，水流漫顶失事的占30%，滑坡失事的占25%，坝基渗漏的占25%，坝下涵管失事的占13%，其他占7%。因此，需要正确地进行设计和施工，加强运用期间的管理，以保证土坝的安全运行和正常工作。
2.1.2 土石坝的类型
2.1.2.1 按坝高分类
根据我国《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）的规定，土石坝按其坝高可分为低坝、中坝和高坝。高度在30m以下的为低坝，高度在30～70m的为中坝，高度在70m以上的为高坝。土石坝的坝高应从坝体防渗体（不含混凝土防渗墙、灌浆帷幕、截水槽等坝基防渗设施）底部或坝轴线部位的建基面算至坝顶（不含防浪墙），取其大者。
2.1.2.2 按施工方法分类
1.碾压式土石坝
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。这种施工方法在土坝中用得较多。近年来用振动碾压方法修建堆石坝得到了迅速的发展。
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（图2.4）。这种坝因填筑质量难以保证，目前在国内外很少采用。
图2.4 水力冲填坝施工示意图
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。这种坝增筑防渗部分比较困难。除苏联外，其他国家极少采用。我国已建有40多座，最高的为陕西石砭峪水库大坝，最大坝高82.5m（图2.5）。
图2.5 石砭峪水库大坝剖面图（单位：m）
2.1.2.3 按防渗材料及结构分类
1.均质坝
均质坝坝体断面不分防渗体和坝壳，坝体基本上是由均一黏性土料（壤土、砂壤土）筑成，如图2.6（a）所示。整个坝体防渗并保持自身稳定，由于黏性土料抗剪强度较低，对坝坡稳定不利，坝坡较缓，体积庞大，使用的土料多，铺土厚度薄，填筑速度慢，易受降雨和冰冻的影响。故多用于低、中坝，坝址处除土料外，缺乏其他材料的情况下才采用。
2.土质防渗体分区坝
土质防渗体分区坝是用透水性较大的土料（砂、砂砾料或堆石料）作坝的主体，用透水性极小的黏性土料作防渗体的坝。其中，防渗体位于坝体中部或稍向上游倾斜的称为心墙土石坝或斜心墙土石坝；防渗体位于坝体上游的称为斜墙土石坝。土质斜墙的上游也可设置较厚的砂砾石层或堆石层。另外，还有土质防渗体在中央，透水性自中央向上、下游两侧逐渐增大的几种土料构成的多种土质坝及防渗体在上游、土料透水性自上游向下游逐渐增大的多种土质坝，如图2.6（b）～（i）所示。
图2.6 土石坝的类型
在黏性土较少，而砂石料较多的地方，可采用这种坝型。土质斜墙坝与心墙坝相比，斜墙与坝壳之间施工干扰较小，防渗效果也较好，但黏土用量和坝体总工程量一般比心墙坝大些，并且其抗震性能和对不均匀沉陷的适应性也不如心墙坝好。
3.人工防渗材料坝
当坝址附近缺少合适防渗土料而又有充足砂石料时，可采用钢筋混凝土、沥青混凝土、土工膜等人工材料作防渗体，坝体其余部分由砂砾料或堆石填筑。防渗体可位于坝上游面、中间或中间偏上游。常见的坝型有沥青混凝土心墙坝、沥青混凝土斜墙坝和钢筋混凝土斜墙坝，如图2.6（j）～（l）所示。
4.过水土石坝
当坝址处没有适宜的地形和地质条件布置河岸溢洪道，工程的泄流量不大，溢洪道的利用率较低或者设置独立的溢洪道投资大时，可考虑采用土石坝坝身过水泄洪，即采用过水土石坝。
过水土石坝是从过水土石围堰的基础上发展起来的一种坝型，按坝体主要材料的不同可分为过水堆石坝和过水土坝，见图2.7。
图2.7 过水土石坝
1—混凝土防渗斜墙；2—垫层；3—趾板；4—堆石；5—混凝土墩；6—混凝土溢流面板；7—导流墙；8—岩石地基；9—保护层；10—土质斜墙；11—砂砾料；12—覆盖层；13—干砌块石；14—堰体
土石坝过水要采取必要的保护措施。在溢洪道堰顶部位主要是溢流头嵌固稳定问题，由于头部的流速不是很大，按常规的土基上的溢流堰基础处理即可；在过水土石坝的下游坝坡段，由于水流流速逐步加大，要做好过流面板的搭接。面板的几种结构型式与搭接方式如图2.8所示。
图2.8 钢筋混凝土面板的结构型式与搭接方式
（1）面板分块上下搭接，上块尾部压下块头部，形成叠瓦搭接方式，这种搭接方式有利于水流下泄时掺气及消能，同时避免了溢流面板上游头部上翘翻转失稳问题。
（2）面板相互之间均可以有一定的位移和转角，可以适应坝体的沉降变形，避免了因坝体不均匀变形引起的面板开裂。
为保证过水土石坝的安全，必须要注意一些细部结构的设计。例如，处理好面板与坝体的变形协调；采用有效的锚固方式或支撑方式，阻止面板下滑失稳；为减小结构分缝对水流的影响，防止过水时动水荷载过大，溢洪道结构缝可与掺气槽结合设置；选用合理的面板布置方式，使水流顺畅，减小附加荷载；做好下游消能防冲措施，防止坝趾冲刷破坏等。
根据国内外一些过水土石坝的工程实践表明，这种坝在技术上并不十分复杂，经济性能好，对环境影响较小，具有较好的应用前景。但这种坝体施工受干扰时，工期将有所延长，而且对施工单位的技术工艺水平要求更高。
2.1.2.4 按坝体材料所占比例分类
土石坝按坝体材料所占比例分类可以分为3种。
1.土坝
土坝的坝体材料以土和砂砾为主。
2.土石混合坝
当土料和石料均占相当比例时，称为土石混合坝。根据坝体防渗体位置和材料的不同，可分为心墙坝和斜墙坝。
3.堆石坝
以石渣、卵石、爆破石料为主，除防渗体外，坝体的绝大部分或全部由石料堆筑起来的坝称为堆石坝。按防渗体布置，同样也有斜墙坝、心墙坝两种。钢筋混凝土面板堆石坝应用最为广泛。最大坝高为233.0m的水布垭水电站大坝即为此种坝型。堆石坝与普通土坝相比具有以下优点。
（1）抗滑稳定性好。水荷载作用在面板上传到坝体，整个堆石坝重量及面板上部分水重抵抗水压；分层碾压的堆石密实度高，抗剪强度大。大多数堆石坝不需做稳定分析，取坝坡1∶1.3或1∶1.4，对应坡角37.6°或35.5°，接近松散抛填堆石的自然休止角，大大低于碾压土石的内摩擦角 （大于45°）。
（2）坝坡陡，断面小，枢纽布置紧凑。
（3）透水性好，抗震性能强。排水性好，处于无水状态，地震时不会产生孔隙水压力，不会液化或坝坡失稳。
（4）施工导流方便，坝体可过水。
（5）施工受雨季影响小，可分期施工。
（6）可承受水头不大的坝顶漫溢，较之土坝有更大的安全性，施工度汛时也允许有少量漫水。
堆石坝的坝坡与石料性质、坝高、坝型和地基条件有关，下游坡一般取1∶1.25～1∶1.4。如果石料质量或地基条件较差，则需要放缓边坡，有的达1∶2.0～1∶2.2。我国有些岩基上的堆石坝下游坡用大块石护面或干砌石护面，坡度可陡至1∶1甚至1∶0.5～1∶0.7，运用情况良好。上游坡取决于防渗体的材料和结构，变化范围较大，可为1∶0.5～1∶2.5，在地震区有的达1∶3.0，由稳定计算条件确定。
坝体应根据料源及对筑坝材料强度、渗透性、压缩性、施工方便和经济合理等要求进行分区，如图2.9所示。从上游向下游宜分为垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区；在周边缝下游侧设置特殊垫层区；100m以上高坝，宜在面板上游面低部位设置上游铺盖区及盖重区。各区坝料的渗透性宜从上游向下游增大，并应满足水力过渡要求。下游堆石区下游水位以上的坝料不受此限制。堆石坝体上游部分应具有低压缩性。下游围堰和坝体结合时，可在下游坝趾部位设硬岩抛石体。
图2.9 面板堆石坝的基本构造
【项目案例2.1】
某水库主要任务以灌溉为主，结合灌溉进行发电。灌溉下游左岸2900hm2耕地，灌溉最大引水量4m3/s。引水高程347.49m，发电装机容量75kW。基本资料如下。
1.地形地质
水库位于低山丘陵区，南部多山，高程为400～500m，发育南北向冲沟。北西东多为第四纪黄土覆盖的丘陵阶地，高程为300～400m，颍河由西向东流经坝区。
坝址两岸河谷狭窄。坝址及库区岩层均为第三纪砂页岩，无大的不利地质构造。坝址岩层为黄色石英砂岩与紫色砂质页岩互层，坝址两岸为黄色石英砂岩，岩石坚硬，但裂隙较为发育，上覆6～10m黄土，左岸有部分黏土。地震基本烈度为Ⅵ度。
2.建筑材料
（1）土料。在坝址附近400～1500m的河道右岸有丰富的土料，大部分为中粉质壤土，储量在150万m3以上，坝址下游有30万m3左右的重粉质壤土，可作为防渗材料。
（2）砂卵石料。颍河河槽及两岸滩地也有大量砂、砾石及卵石，上下游河滩地表层0～2m黄土覆盖，下为3～7m厚砂卵石，在枯水季节河水位降低，上游在坝脚100m以外2000m以内卵石平均取深1.5m，约86万m3，下游在坝脚100m以外2000m以内平均取深1.3m，约86万m3。其物理力学性质指标见表2.1。
3.水文水利计算资料
设计洪水位363.62m（频率2%），相应的下游水位337.0m；相应最大泄流量（540+90）m3/s。校核洪水位364.81m（频率0.2%），相应下游水位338.10m,相应的最大泄流量（800+110）m3/s。死水位340m。最高兴利水位360.52m。
表2.1 土石料物理力学性质指标
4.气象资料
多年平均最大风速：12.1m/s；水库最大吹程：3.2km。
5.经过坝型比较确定选用均质土坝
结合本坝坝基情况，地基处理如下：地基可开挖截水槽，挖至弱风化层0.5m深处，内填中粉质壤土。截水槽横断面拟定：边坡采用1∶1.5～1∶2.0；底宽：渗径不小于（1/3～1/5）H（H为最大作用水头）。
【问题1】 确定［项目案例2.1］工程枢纽等别和该土石坝的级别。