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同学们好

上节课我们对土石坝有了大致的认识

本节课我们介绍土石坝的特点及其分类

所谓土石坝

指由土、石料等当地材料填筑而成的坝

早期的土石坝建设主要是土坝

目前多以堆石坝为主

其二者的区别在于建筑材料

土坝以粘土、沙壤土等土料为主

其渗透系数较低

但是材料的强度低

坝体变形大

一般用于中、低坝

堆石坝则以块石或砾石为主

堆石自身的压缩性小

抗剪强度高

坝坡可以较陡

可建成高坝、超高坝

但是堆石的渗透性大

需另设防渗体

如粘土心墙或斜墙

或采用混凝土面板

沥青混凝土心墙或面板等

作为防渗结构

与混凝土这种人工材料

做成的混凝土坝相比

土石坝最大的特点是

采用天然当地材料

就地取材

相比混凝土材料来说

可以节省水泥、木材、钢材等

减少外线运输量

造价较低

土石料属于散粒体材料

土石坝属于柔性坝

其适应变形的能力较强

因此可以适应不同的地形、地质条件

而通过前面章节的学习

我们知道

混凝土坝属于刚性坝

材料的弹模高

变形小

不均匀变形容易引起混凝土的开裂

因此

混凝土坝须建造在坚硬的坝基上

特别是拱坝

对于地形地质条件的要求更高

早期受到筑坝材料的限制

土石坝的应用最为广泛

是历史最悠久、数量最多的坝型

但由于早期建设质量不高

土石料的压实度不够

加之泄洪问题没有妥善解决

溃决的土石坝较多

其发展曾一度停滞

近年来

施工机械制造水平得到了迅速提高

土石坝的碾压施工

目前采用重量可达数十吨的

大型振动平碾和振动

凸块碾

使得坝料的压实度更高

大坝安全性得到了保证

且施工进度更快

使得碾压式土石坝

成为当前发展最迅速的坝型之一

另外

近年来

在岩土材料方面的理论研究

试验和计算技术等方面有了较快的发展

指导工程实践

提高了土石坝的设计建造水平

值得注意的是

虽然土石料历来有之

混凝土材料的发明和应用仅有百余年的时间

但是由于土的复杂性远高于混凝土材料

其理论发展仍然相对滞后

很多方面依然依靠经验

与混凝土结构相比

土石坝的计算分析误差仍然较大

对于土石坝的安全分析评价水平

与混凝土坝依然有明显的差异

还有

其他技术如地下电站

隧洞施工、高速水流消能防冲

以及软弱地基、砂砾石地基

深厚覆盖层的防渗处理技术的发展

增加了水利工程枢纽布置的灵活性

也促进了土石坝工程的建设和推广

土石坝的优点很多

但也有其缺点

其最大的缺点也是由于材料问题

土石料属于散粒体材料

其抵抗水流冲刷的能力较低

因此

坝身不能泄洪

需要设置专门的溢洪道

或泄洪洞等泄水建筑物

本章概述中

我们所看到的几座典型的土石坝

大多都设置了

开敞式溢洪道或泄洪隧洞

来承担泄水功能

同样由于坝身不能泄水的原因

使得土石坝的施工导流困难

由于不能像混凝土坝

那样在坝身开设孔洞

土石坝枢纽一般需通过

在两岸设置隧洞来完成施工期导流

而且土石坝坝坡较缓

基坑顺水流方向较长

使得上、下游围堰的距离较远

则施工导流所需的隧洞也比较长

增加导流工程量

土石材料抵抗水流冲刷的能力较低

土石坝一旦漫顶

将会发生溃坝

因此

土石坝在施工期的风险更高

需要重视施工期的防洪度汛

防止施工期出现超标洪水时引起大坝失事

当采用粘性土做防渗体时

粘性土的开采破坏耕地较多

侵占农田

植被和环境受到不利影响

恢复也较为困难

有些地区缺乏粘土

或虽有粘土

但天然土料的物理力学性能不满足要求

需要改性

处理的难度较大

成本较高

例如

天然土料的含水量偏高需要翻晒

含水量偏低需要加水保湿

粗颗粒过多需要筛分

细颗粒过多压缩性过大需要掺砾等

另外

采用粘性土做防渗体的土石坝

施工受气候条件影响较大

尤其是粘性土碾压施工时遭遇降雨

使得土料的含水率增加

压实度难以达到最优

不能满足设计标准

需要进行处理

将部分已填筑土层挖除后

重新填筑满足要求的土料

如图所示为

糯扎渡心墙堆石坝的坝面碾压场景

坝址处于西南多雨地区

每年雨季大约从5月至10月

历时约半年

此时段受降雨影响

心墙粘土料的施工返工较多

进度较慢

因此

在雨季一般主要进行堆石料的碾压施工

在非雨季抢工期进行心墙的填筑

由上述内容可以看出

土石坝是一种优点

和缺点都较为鲜明的坝型

实际工程中

是否选择土石坝坝型

需根据实际工程条件来确定

下面简要介绍土石坝的分类

土石坝可以按构造分为三类

均质坝、土质防渗体分区坝

人工防渗材料分区坝

均质坝

如图所示

为同种均质材料建造

一般采用壤土、黏土等

坝料具有低渗透性

但压缩性较强

变形量大

且坝料的抗剪强度低

因此坝坡需做的较缓

均质坝一般用于低坝

江河沿岸的大堤通常采用均质坝的型式

土质防渗体分区坝

如图所示

有心墙坝、斜心墙坝、斜墙坝三种

即坝体中设置有专门的防渗结构

一般由渗透系数较低的粘土做成

用于挡水防渗

其余坝体分区为防渗结构提供支撑

可采用堆石料、砂砾石或石渣料等填筑

防渗体置于坝体中央的称为心墙坝

在坝体中部但倾向上游的为斜心墙坝

或者将防渗体置于上游坝面

称为斜墙坝

如图所示

糯扎渡土石坝采用中央直立心墙型式

中央心墙采用掺砾石的粘性土填筑

两侧分区有反滤料、过渡料

以及质量不同的堆石料分区

小浪底土石坝

则采用斜心墙堆石坝型式

心墙采用壤土料填筑而成

两侧为堆石料

土石坝的防渗体除采用土质材料外

还可以采用人工材料

形成人工材料防渗体分区坝

主要有钢筋混凝土

沥青混凝土和土工膜等

当采用钢筋混凝土做防渗体时

由于钢筋混凝土与土石坝的刚度

和变形模量差异较大

存在变形协调问题

因此钢筋混凝土不能做成心墙

可以置于坝体上游侧

形成钢筋混凝土面板堆石坝

如图所示

为天生桥一级面板堆石坝的典型断面分区

坝体的防渗主要依靠

上游面较薄的混凝土面板

下游侧细分为垫层区

过渡区、堆石区等

均由堆石料填筑而成

为面板提供支撑

混凝土面板堆石坝结构简单

坝坡可以做得较陡

减少填筑工程量

且基本不用粘性土料

不侵占农田耕地

且堆石料的碾压施工速度快

不受降雨影响

因此

混凝土面板堆石坝成为

近年来发展较为迅速

采用广泛的土石坝坝型

防渗体也可以采用沥青混凝土做成

由于沥青材料的存在

沥青混凝土接近柔性材料

其适应变形的能力较强

因此可以置于坝体中央做成防渗心墙

也可以置于坝体上游侧做成防渗面板

而且沥青混凝土的渗透系数更低

其防渗性能更好

但沥青混凝土在某些条件下的耐久性差

另外价格相对昂贵

沥青混凝土土石坝

一般适用于防渗要求较高的水库

例如如图所示的

抽水蓄能电站水库的防渗

多采用沥青混凝土作为防渗体

以减少水库渗漏

提高水库运行效益

第三类人工防渗体材料是

如图所示的土工膜

土工膜属柔性材料

可以作为防渗心墙

也可以做为防渗面板

其结构简单

施工方便

但土工膜材料易破裂、老化、腐蚀

适用于中、小土石坝或大型工程的围堰

以及病险水库的防渗处理

土石坝也可以按照施工方法分类

除常见的碾压式土石坝外

还有水力冲填坝、定向爆破堆石坝

水力冲填坝是

借助水力完成土料的开采

运输和填筑全部工序而建成的坝

利用水力冲刷泥土形成泥浆

通过泵或沟槽等将泥浆

输送到土坝的填筑面

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

定向爆破堆石坝是

利用炸药形成定向爆破

将两岸或一岸爆碎的岩石

按预定方向抛落在坝体位置堆筑成坝

再在上游填筑粘土

或沥青混凝土防渗斜墙形成的堆石坝

随着时代的发展

目前绝大多数土石坝

均采用碾压施工方式

使得土石坝的填筑质量大幅提高

土石坝这种古老的坝型

又焕发了勃勃生机