土壩防滲和排水

根據(jù)自然條件、運用要求和工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)決定。

土壩護坡

為了防止風(fēng)浪和雨水沖刷，以及凍脹干裂等有害作用，應(yīng)設(shè)上下游護坡。上游護坡材料可用：拋石、干砌石、漿砌石、混凝土、鋼筋混凝土、瀝青混凝土等。下游護坡材料可用：干砌石、碎石、卵石、草皮等。

土壩壩面排水

為了排除壩面雨水，應(yīng)在下游壩坡設(shè)縱橫向排水溝，用以攔截匯集雨水，排到壩下游。

土壩壩頂構(gòu)造

土壩一般不允許壩頂過水，故壩頂應(yīng)超出庫水位一定高度，具體超高由計算確定。通常在壩頂上游側(cè)用漿砌石、混凝土或鋼筋混凝土等修建堅固不透水的防浪墻。壩頂寬度由施工、運行和交通等要求確定。壩頂蓋面材料常用碎石、單層砌石或預(yù)制混凝土塊。

與岸坡及混凝土建筑物的連接 　與土壩連接的岸坡應(yīng)處理成上下均勻平順，不得過陡，不出現(xiàn)突變、臺階或倒坡，以免土壩因不均勻沉陷而產(chǎn)生裂縫。在岸坡接頭處常將心墻或斜墻局部擴大，以延長接觸面滲徑。對于巖石岸坡通常沿土壩防滲體與基巖接觸面設(shè)混凝土齒墻，并在墻底設(shè)灌漿帷幕向岸內(nèi)延伸一定距離，以增加繞壩滲徑。與土壩連接處的附近岸坡，蓄水后應(yīng)保持穩(wěn)定，否則應(yīng)挖成穩(wěn)定坡或填筑壓坡棱體。

土壩與混凝土建筑物連接多采用重力墻。按其平面形狀通常分為L型、側(cè)墻式和插入式 （圖2）。插入式多用于高壩，其余多用于中低壩。對于側(cè)墻式及插入式常設(shè)深入土壩防滲體的刺墻。沿重力墻與土壩防滲體接觸面一定寬度范圍內(nèi)，最好填筑粘性高的土料，以提高抗接觸沖刷能力。為避免不均勻沉陷，重力墻與防滲體接觸不采取垂直坡。

公元前2200多年，巴比倫人已在幼發(fā)拉底河修建土壩。公元前印度和埃及也建了一些土壩。為了防御黃河洪水，早在春秋（公元前770～前476）以前中國人民就沿黃河兩岸修建土堤，經(jīng)歷代擴充加固，至今總長已達1498km。就結(jié)構(gòu)而言土堤也是土壩。公元前598～591年在安徽省壽縣修建堤堰，形成安豐塘水庫。17和18世紀俄國在烏拉爾等地修了 200多座土壩。19世紀末美國修建一些水力沖填壩，到1900年，美國土壩總數(shù)超過100座。

土力學(xué)于20世紀成為一門獨立學(xué)科，其理論實踐和測試手段日臻完善。大功率高工效的大型土方機械相繼出現(xiàn)，加之土壩本身所具有的上述優(yōu)點，遂使土壩得到迅速發(fā)展，在世界壩工中所占比例日益增加。在1961～1968年世界修建的100m以上高壩中，土壩僅占38%，而1975～1977年迅速提高到62%。蘇聯(lián)羅貢壩高335m，為世界最高的壩。自1949～1980年底，在中國已建約2600座大中型水庫大壩中，土壩約占90%。

按照筑壩材料在壩內(nèi)的配置可將土壩分為：①均質(zhì)土壩：壩體主要由一種筑壩材料筑成。②多種土質(zhì)壩：壩體由幾種筑壩材料筑成；防滲料位于壩體中間或上游。③心墻土壩：防滲料位于壩體中間，上下游壩殼為單一的透水料。④斜墻土壩：防滲料位于壩體上游，下游為單一的透水壩殼。另外，按施工方法土壩可分為以下三類。

土壩碾壓壩

利用碾壓機具分層壓實筑壩材料。碾壓壩比較密實，完工后沉陷量較小，一般不超過壩高的1%，抗剪強度較高，壩坡較陡，節(jié)省工程量。這種壩歷史悠久，使用最廣。世界上絕大部分土壩都是碾壓壩。以干容重作為控制碾壓的標(biāo)準(zhǔn)，上壩土料的含水量應(yīng)控制在最優(yōu)含水量附近。碾壓壩所用的碾壓機具多種多樣，從人工硪夯到各種不同功率的機械夯碾，可根據(jù)筑壩材料和氣象條件選用，并通過現(xiàn)場碾壓試驗確定最優(yōu)碾壓參數(shù)，如碾壓層厚度和碾壓遍數(shù)等。

土壩水中填土壩

分層將土填入靜水中，土的團粒結(jié)構(gòu)被水崩解，在運土及填土自重作用下得到壓實。所用土料要求遇水容易崩解濕化。水中填土壩塑性大適應(yīng)變形能力強，基本不用碾壓機具，填筑受氣候影響小，對料場含水量要求不嚴格；但施工工序較復(fù)雜，填土干容重低、含水量高，其強度低、壓縮性高，壩坡比碾壓壩緩，完工后沉陷量較大。施工期壩坡穩(wěn)定為控制大壩安全的關(guān)鍵，應(yīng)嚴格控制填土含水量和壩體上升速度并需設(shè)壩內(nèi)排水。水中填土壩先在蘇聯(lián)得到發(fā)展，中國已建成700多座。壩高達61.4m的山西汾河水庫水中填土壩建于1960年，為當(dāng)時世界上最高的水中填土壩。

土壩水力沖填壩

利用水槍、挖泥船等水力機械挖掘土料，和水混合一起，用泥漿泵通過輸泥管送到壩面由土埝圍成的地塊中，水經(jīng)由排水管排到壩外，土粒沉淀下來，在自重及排水產(chǎn)生的滲透壓力作用下得到壓實。如地形適宜，泥漿可經(jīng)由渠道自流進入壩面，這在中國被稱為水墜壩。水力沖填壩適用于透水性較強的砂性土，可連續(xù)作業(yè)，工效高，不用運輸及碾壓機具。這種壩施工期間填土完全被水飽和，干容重和強度均低，壓縮性高，并在壩體上部形成“流態(tài)區(qū)”，對上下游壩坡施加泥水推力，易招致滑坡和裂縫，需放緩壩坡，設(shè)壩內(nèi)排水，并限制大壩上升速度。第二次世界大戰(zhàn)后蘇聯(lián)曾在齊姆良、古比雪夫等一些大型水利樞紐上修建規(guī)模巨大的水力沖填壩。中國建造了很多水墜壩，其中以廣東省68m的高坪壩為最高。

依其在壩內(nèi)功用可分為三類。

土壩防滲料

用以填筑土壩防滲體，減少庫水滲漏。防滲土料應(yīng)有較小的滲透系數(shù)、較好的滲透穩(wěn)定性和一定的塑性。粘性土一般都可用作防滲料，但沼澤土、班脫土、地表土及含有未完全分解有機質(zhì)的土料不宜采用。防滲料鹽類含量不得超過規(guī)范的允許值。上壩土料的含水量（水和干土的重量比）應(yīng)控制在最優(yōu)含水量附近，使施加相同的壓實功能可獲得最大干容重（單位體積干土重）。如料場的天然含水量過干或過濕應(yīng)進行處理。世界上廣泛采用礫石土作為高土壩的防滲料。這種土同時含有粒徑大于5mm的粗粒和小于5mm的細粒，但粗粒含量一般不要超過50%，以滿足防滲要求。礫石土同時具備粗粒土和細粒土的特點，強度高，壓縮性低，透水性小，為理想的防滲料。缺點是抗裂性能差一些。由于礫石土的采用，使防滲土料級配范圍大為擴大（圖1）。除土料外，混凝土、鋼筋混凝土、瀝青混凝土亦可用作防滲料。

土壩

土壩壩殼料

用來填筑壩殼，支撐防滲體，保持壩坡穩(wěn)定，將通過防滲體和壩基的滲水排往下游。砂、砂礫、卵礫石、碎石、石料以及從基坑挖出來的石碴均可用作壩殼料。均勻粉細砂不易壓實，遇地震易液化，應(yīng)慎用。20世紀60年代以后采用大型震動平碾分薄層壓實壩殼料，使開挖出來的風(fēng)化巖和軟巖都可上壩，擴大了壩殼料的使用范圍。

土壩反濾料

設(shè)在壩內(nèi)粗細料之間，要求質(zhì)地致密堅硬，含泥量不超過 5%。反濾料應(yīng)既能排水通暢又不讓被保護材料流失。材料級配和層數(shù)由計算或試驗確定。反濾料可來自篩分天然砂礫料或人工軋碎的骨料，也可直接采用天然砂礫料。為防止剛度突變而在壩體設(shè)置的過渡料，兼具反濾作用，且一般較厚，有利于施工。

利用當(dāng)?shù)赝亮虾蜕?、砂礫、卵礫、石碴、石料等筑成的壩。它是一種古老而至今還不斷發(fā)展并得到廣泛使用的擋水建筑物，有時也稱土石壩。土壩優(yōu)點是：①筑壩材料取自當(dāng)?shù)?，可?jié)省水泥、鋼材和木材；②對壩基工程地質(zhì)條件要求比其他壩型低；③抗震性能較好等。其缺點是：①一般需在壩外另行修建昂貴的泄水建筑物，如溢洪道、隧洞等；②如庫水漫頂，將垮壩失事，故抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水能力較差。

由土、砂或石塊構(gòu)成主體部分和不透水材料（如粘土或混凝土）構(gòu)成壩心的壩。土壩主要是用壩址附近的土料，經(jīng)碾壓、拋填等方法筑成的擋水建筑物。這類壩的筑壩材料可以就地采取，并且壩體具有柔性，能適應(yīng)地基變形，對地基的地質(zhì)條件要求比混凝土壩、漿砌石壩等剛性壩要低。土壩的結(jié)構(gòu)比較簡單，工作可靠，便于維修、加高和擴建，施工技術(shù)也容易掌握，便于機械化快速施工。因此，土壩是國內(nèi)外廣泛采用的一種壩型。

施工技術(shù)和設(shè)備已有很大發(fā)展，土力學(xué)理論和實驗技術(shù)在滲流、穩(wěn)定、分歷等方面部有了很大進步。這些都是建造高土壩的有利條件。

土壩的類型：（1）按壩體材料及防滲體的設(shè)置，有均質(zhì)土壩、粘土斜墻壩、粘土心墻壩及多種土質(zhì)壩等。（2）按施工方法的不同，土壩可分為碾壓土壩、水力沖填狽、水墜壩、水中倒土壩及土中灌水壩等。

土壩形式的選擇，應(yīng)根據(jù)壩址的地形地質(zhì)條件、建筑材料的數(shù)量、性質(zhì)和運距、氣候條件、施工條件等因素綜合研究確定。

目的是為蓄水后，保證壩基滲透穩(wěn)定，控制滲流量。

土壩壩基防滲

①土基：清除腐植土層，然后將表土壓實，沿土壩防滲體與土基接觸面設(shè)置若干小齒槽回填防滲料，以延長滲徑加強連接。②巖基：清除表面松動巖石，用水泥砂漿或噴漿封堵表面裂隙；對防滲體下面巖石進行帷幕灌漿。③砂礫地基：如砂礫層不厚，一般開挖截水槽（圖3a<；），用防滲料回填并壓實，將砂礫層截斷。截水槽上下分別與防滲體及基巖連接，必要時在基巖中設(shè)置灌漿帷幕。如砂礫層比較厚，可用防滲料填筑上游水平鋪蓋與土壩防滲體連接（圖3b），以延長壩基滲徑，保證滲透穩(wěn)定，但一般對減少壩基滲流量的作用不如垂直防滲。

土壩

深厚砂礫壩基常采用垂直防滲，建造混凝土防滲墻截斷砂礫層（圖3c）。防滲墻上部插入土壩防滲體，下部與基巖連接，必要時在基巖中設(shè)灌漿帷幕。加拿大馬尼克三級壩防滲墻深達131m，為世界最深者。如砂礫級配合適，具備適宜吸漿能力，可對砂礫層進行灌漿，形成防滲灌漿帷幕截斷砂礫層（圖3d）。

土壩壩基排水

匯集壩基和壩體滲水排出壩外。排水設(shè)施的透水性應(yīng)遠大于周圍材料并滿足過渡要求。常用的排水形式有：①棱體排水：設(shè)于下游壩址，降低壩體浸潤線，排除壩體和壩基滲水，增加下游壩坡穩(wěn)定（圖4a）。②貼坡排水：沿下游壩坡鋪設(shè)（圖4b），施工和維修均方便但不能降低壩體浸潤線。③壩內(nèi)排水：常用的有褥墊排水，從下游壩址伸入壩內(nèi)一定距離（圖4c），常用于弱透水基上的均勻土質(zhì)壩，降低壩體浸潤線的作用顯著。如排水料不足，可改用網(wǎng)狀排水，由縱向連續(xù)排水帶及橫向間隔排水組成（圖4d）?？v向排水帶降低壩體浸潤線并匯集滲水，經(jīng)橫向間隔排水導(dǎo)出壩外。④減壓井：常設(shè)于上下層分別為弱透水層和強透水層，且弱透水層較厚，或強、弱透水層互為夾層的透水基礎(chǔ)中。減壓井一般伸入強透水層一定深度，或?qū)⑵浯┩钢钡只鶐r面，以對壩基排水減壓。滲水經(jīng)井中濾管和出水管導(dǎo)至地面。如基巖存在幾個強透水層，應(yīng)分別設(shè)置減壓井。⑤排水溝：如表層弱透水層較薄，常將其挖穿直抵下面強透水層，形成排水溝，以排除壩基強透水層中的滲水。

土壩

一般包括以下四個方面。

土壩滲流計算

確定壩體浸潤線、壩體及壩基流網(wǎng)、滲流量及出逸比降、庫水位下降時上游壩體自由水面位置及孔隙壓力（土孔隙中超出大氣壓力的相對壓力值），以供壩坡穩(wěn)定分析使用，及了解滲漏量并確保滲透穩(wěn)定。根據(jù)壩體和壩基的滲透系數(shù)、邊界條件及上下游各種水位組合，通過手繪流網(wǎng)、數(shù)值計算和模擬試驗求解。解算時，一般簡化為二向問題，對于三向滲流場如岸邊繞流，可用數(shù)值分析或模擬試驗求解。

土壩穩(wěn)定計算

土壩體積很大，在水壓力作用下整個壩體產(chǎn)生水平滑動的可能性通常不存在，故僅需核算上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定。一般分施工期、穩(wěn)定滲流期和庫水位降落期三種類型。土體抗剪強度由下式確定：式中τ為土體抗剪強度；σ為垂直于滑動面的法向總應(yīng)力；μ為孔隙水壓力；σ′為法向有效應(yīng)力；σ′、φ′為土料有效抗剪強度指標(biāo)，分別代表凝聚力和內(nèi)摩擦角，由試驗確定。

均質(zhì)土壩、厚心墻和厚斜墻壩常用滑動圓弧法計算壩坡穩(wěn)定（見下式）。假定滑動面為圓弧，分成若干土條，不計條塊間作用力，計算公式：式中K為抗滑安全系數(shù)，不低于規(guī)定值；N、T分別為作用在土條底部的法向和切向應(yīng)力；W為任一土條重；U為作用在土條底部的孔隙壓力；α為土條重力線與通過土條底面中點的圓弧半徑之間夾角；L為滑弧穿過的有凝聚力部分的弧長。試算若干滑弧，求得最小安全系數(shù)K。20世紀50年代A.W.畢肖甫等人還提出計入條塊間作用力的計算方法。

對于壩基有軟弱夾層或薄心墻、薄斜墻壩，宜用滑楔法（見左圖）。假定滑動面為折線，滑楔間作用力假定平行于坡面或為水平向。沿折線將各種材料的抗剪強度除以K后，滑楔處于極限平衡狀態(tài)，此K值即所求安全系數(shù)。最小的安全系數(shù)由假設(shè)不同滑動面試算求得。如在地震區(qū)，應(yīng)將地震力作為外力加入計算。

土壩沉降計算

確定壩體和壩基在自重作用下的總沉降量、沉降量與時間的關(guān)系及完工后的沉降量。據(jù)此計算竣工后為抵消沉降而預(yù)留的壩頂超填，預(yù)測不均勻沉降量，判斷壩體產(chǎn)生裂縫的可能性和預(yù)防措施。計算方法是根據(jù)壩體和壩基土的壓縮曲線，及時刻t壩體和壩基的豎向總應(yīng)力和孔隙壓力分布，用分層總和法計算。即把壩體壩基分為若干層，計算時刻t各層中心所受豎向有效應(yīng)力（等于豎向總應(yīng)力減孔隙壓力）及相應(yīng)沉降量，將各層沉降量迭加，得時刻t及完工后壩體和壩基的沉降量。

土壩應(yīng)力應(yīng)變計算

用有限單元法計算壩體壩基及岸坡接頭在填土自重及其他荷載作用下的填土應(yīng)力應(yīng)變，以判斷是否發(fā)生剪切破壞、有無過量變形、是否存在拉力區(qū)和裂縫、防滲土體是否發(fā)生水力劈裂，以及為壩體穩(wěn)定分析和與土壩銜接建筑物的設(shè)計提供依據(jù)等。

混凝土壩按結(jié)構(gòu)特點可分為重力壩、大頭壩和拱壩；按施工特點可分為常態(tài)混凝土壩、碾壓混凝土壩和裝配式混凝土壩；按是否通過壩頂溢流可分為非溢流混凝土壩和溢流混凝土壩?；炷翂涡顾绞匠龎雾斠缌魍猓€可在壩身中部設(shè)泄水孔（中孔）以便洪水來臨前快速預(yù)泄，或在壩身底部設(shè)泄水孔（底孔）用以降低庫水位或進行沖砂。

對于均質(zhì)土壩，截流環(huán)一般布置在壩體上游部分；對于塑性心墻或斜墻土壩，一般布置在防滲體范圍內(nèi) 。

介紹

防滲體位于壩體上游側(cè)的土壩。這種防滲體稱斜墻。壩殼填透水料。斜墻多用土料填筑,稱塑性斜墻（圖a）。如用瀝青混凝土、混凝土或鋼筋混凝土修筑則為剛性斜墻（圖b,見堆石壩）。土斜墻與下游透水壩殼間常設(shè)反濾層過渡。斜墻的厚度應(yīng)滿足防滲要求。斜墻土壩適用于當(dāng)?shù)赜蟹罎B料和足夠數(shù)量單一透水料的地區(qū)，且透水料料場位于下游或河道為多泥沙河道?！∵@種壩的優(yōu)點是：①雨季和寒冷季節(jié)可先上透水料爭取工期；②斜墻位于上游，便于檢修；③壩基處理可與斜墻及壩殼填筑同時進行，不影響壩體施工；④在各種土壩壩型中，下游壩殼浸潤線最低，下游坡最陡；⑤在多泥沙河道上斜墻便于與水庫天然淤土連接，以用于壩基防滲。缺點是：①斜墻位于透水壩殼之上，如壩殼沉陷較多，將影響斜墻開裂；②庫水位降落時斜墻孔隙水來不及排出時，影響上游坡穩(wěn)定；③與岸坡及混凝土建筑物連接不如心墻壩；④斜墻與地基接觸應(yīng)力比心墻小，與基礎(chǔ)結(jié)合不如心墻壩。2100433B