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第三章 土石坝与堤防 教学要求：掌握土坝的工作原理、工作特点和分类；掌握作用在土坝坝顶高程计算方法和土坝的剖面拟定的方法；掌握土坝渗流计算的水力学方法和稳定分析的基本方法；掌握土坝地基的处理方法；熟悉土坝土料选用和施工要求、土坝排水设施构造和坝基处理方法。 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 （一）按坝高分类 根据我国SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》的规定：土石坝按其坝高可分为低坝、中坝和高坝。高度在30以下的为低坝，高度在30～70m为中坝，高度在70m以上为高坝。 （二）按施工方法分类 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。 （三）按坝体材料的组合和防渗体的材料、相对位置分类 按坝体材料可分为土坝、土石混合坝和堆石坝三种，见图3－1。 1、土坝 土坝是用土料填筑而成的挡水坝。根据土料的分布情况，土坝还可分为均质坝、粘土心墙坝或斜墙坝、人工材料心墙坝或斜墙坝和多种土质坝。均质坝采用单一土料填筑，要求土料具有一定的防渗性能。粘土心墙坝或斜墙坝是采用防渗能力强的粘土作防渗体，设在坝体中上游位置，两边用透水性较大但抗剪强度较大的土料填筑。人工材料心墙坝或斜墙坝则是采用防渗能力强的人工材料，如沥青混凝土、钢筋混凝土作防渗体，设在坝体中上游位置，两边用土料填筑。多种土质坝采用多种土料填筑，一般要设防渗心墙或斜墙。 2、土石混合坝 多种土质坝的下游部分采用砂砾石料时，就构成土石混合坝。 3、堆石坝 坝体绝大部分采用石料堆筑的坝，需要设置防渗心墙或斜