第二节 土石坝的剖面和基本构造

一、土石坝剖面的基本尺寸

土石坝基本剖面尺寸主要包括：坝顶高程、坝顶宽度、上下游边坡、防渗体和排水设备的基本尺寸等。

1.坝顶高程

坝顶高程由水库静水位加风浪壅高、坝面波浪爬高及安全超高等决定。坝顶超出静水位以上的超高按下式计算：  Y = R+e+A                                                        

式中：Y为坝顶在水库静水位以上的超高（m）；R为最大波浪在坝坡上的爬高（m），可按本教材第二章式(2-36)计算或按碾压式土石坝设计规范附录A计算；e为最大风浪壅高（m）；A为安全加高(m)。 

R和e值可按经验公式计算。

坝顶高程的计算，应同时考虑以下三种情况：①设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；③校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高；④正常高水位加非常运用情况的坝顶超高值再加地震区安全超高。最后取其中最大值作为坝顶高程。

以上坝顶高程指的是坝体沉降稳定后的数值。因此，竣工时的坝顶高程应有足够的预留沉降值。对施工质量良好的土石坝，坝体沉降值约占坝高的0.2～0.4%。

当坝顶设防浪墙时，以上计算高程作为防浪墙顶高程，同时还要求：正常情况下坝顶应高出静水位至少0.5m，在非常运用情况下，坝顶不得低于静水位。

2.坝顶宽度

坝顶宽度主要取决于交通、运行、施工、构造、抗震、防汛及其他特殊要求。

一般情况下，坝越高坝顶宽度取值也越大。当无特殊要求时，对高坝坝顶最小宽度可选用10～15m，对中低坝可选用5～10m。当坝顶有交通要求时，其宽度应按照道路等级要求遵照交通部门的有关规定来确定。对心墙坝、斜墙坝或其他分区坝，还应考虑各分区施工碾压及反滤过渡层布置等要求，此时坝顶宽度应适当加大。

3.坝坡

土石坝坝坡的陡缓直接影响着工程的安全性与经济性，因而在选择时应特别重视。坝坡的确定，常需综合考虑坝型、坝高、坝的等级、坝体及坝基材料的性质、所承受的荷载、施工和运用条件等因素。设计时一般可先参照已建成坝的实践经验或用近似方法初拟坝坡，然后经稳定计算来确定经济的坝体断面。

土石坝上游坝坡长期浸泡于水中，土的抗剪强度下降，会降低坝体的稳定性。所以，当材料相同时，上游坡常比下游坡缓，对于同一侧的坝坡，水下部分常比水上部分缓。另外，因各坝型所用的材料性质及其布置位置不同，土质斜墙坝的上游坝坡通常比心墙坝缓，而下游坡则比心墙坝陡些；砂壤土、壤土的均质坝比砂或砂砾料坝体的坝坡缓些；粘性土均质坝的坝坡还与坝高有一定关系，坝高越大坝坡也越缓。初步拟定坝坡时，可参考表7-4所列数据，对于砂性土采用较陡值，粘性土采用较缓值。

土石坝的下游边坡，一般可沿高程每隔10～30m设置宽度不小于1.5～2.0m的马道，用于观测、检修及交通等，并可沿马道设置排水沟汇集坝面雨水以防冲刷；有时结合施工上坝道路的需要，也可设置斜马道。

碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。粘土斜墙堆石坝的下游坝坡，可采用堆石体的自然边坡，一般为1：1.3～1：1.4；上游坝坡则由斜墙稳定条件确定，一般为1：2～1：3。心墙堆石坝的上下游一般为1：1.5～1：2。钢筋混凝土面板堆石坝其上游坝坡一般为1：1.4～1：1.5；下游坝坡一般为1：1.3～1：1.4，也有采用1：1.25和1：1.6的。沥青混凝土面板堆石坝，为便于摊铺和防止沥青在高温下流动，上游坝坡一般约为1：1.6～1：2.0，常采用1：1.7。位于地震区的堆石坝，其坝坡应适当放缓，以满足抗震稳定的要求。

土坝坝坡参考值

二、防渗体

防渗体是土石坝的重要组成部分，其作用是防渗，必须满足降低坝体浸润线、降低渗透坡降和控制渗流量的要求，另外还需满足结构和施工上的要求。

土石坝的防渗体包括：土质防渗体和人工材料防渗体（沥青混凝土、钢筋混凝土、复合土工膜），其中已建工程中以土质防渗体居多。

1.土质防渗体

(1)土质心墙

心墙一般布置在坝体中部。有时稍偏向上游并略倾斜，以便于和防浪墙相连接，通常采用透水性很小的粘性土筑成。 

心墙顶部高程应高于正常运用情况下的静水位0.3～0.6m ，且不低于非常运用情况下的静水位。为了防止心墙冻裂，顶部应设砂性土保护层，厚度按冰冻深度确定，且不小于1.0m。心墙自上而下逐渐加厚，两侧边坡一般在1:0.15～1:0.30之间，顶部厚度按构造和施工要求常不小于2.0m，底部厚度根据土料的允许渗透坡降来定，应不小于3m。心墙与上下游坝体之间，应设置反滤层，以起反滤和排水作用。

(2)土质斜墙

斜墙位于坝体上游面。对土料的要求及尺寸确定原则与心墙相同。斜墙顶部高程应高于正常运用情况下静水位0.6～0.8m，且不低于非常运用情况下的静水位。斜墙底部的水平厚度应满足抗渗稳定的要求，一般不宜小于水头的1/5。

斜墙上游坡应满足稳定要求，其内坡一般不陡于1:2，以维持斜墙填筑前坝体的稳定。为了防止斜墙遭受冲刷、冰冻和干裂影响，上游面应设置保护层，且需碾压达到坝体相同标准。保护层可采用砂砾、卵石或块石，其厚度应不小于冰冻深度且不小于1.0m，一般取1.5～2.5m。斜墙下游面应设置反滤层。

同心墙相比，斜墙防渗体在施工时与坝体的相互干扰小，坝体上升速度快；但斜墙上游坡缓，填筑工程量比心墙大，此外，斜墙斜“躺”在坝体上，对坝体沉陷变形的影响较敏感，易产生裂缝，抗震性能亦不如心墙。

(3)土质斜心墙

为了克服心墙坝可能产生的拱效应和斜墙坝对变形敏感等问题，有时将心墙设在坝体中央偏上游的位置，成为斜心墙。

2.人工材料防渗体

(1)沥青混凝土

用混凝土作防渗体，其抗渗性能较好，但由于其刚度较大，常因与坝体及坝基间变形不协调而发生裂缝。为降低混凝土的弹性模量，在骨料中加入沥青，成为沥青混凝土，可有效地改善混凝土的性能，使之具有较好的柔性和塑性，又可降低防渗体造价，且施工简单。1937年德国首先修建高12m的阿梅克沥青混凝土斜墙坝，其后这种坝得到了推广应用。

沥青混凝土斜墙常用的结构型式有单式(单层)和复式(双层)两种。前者施工方便，造价较低，但必须保证其防渗性，并在面板下游侧要有良好的排水性能，常用于较低的坝。后者在面板中间设有排水层，其上下层都是级配良好的密实沥青混凝土，中间排水层为级配不连续的多孔混凝土，具有透水性能，多用于较高的坝。

(2)复合土工膜

土工膜是土工合成材料的一种，包括聚乙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯等。土工膜具有很好的物理、力学和水力学特性，其渗透系数一般都小于10-8～10-12cm/s，高密度聚乙烯薄板的渗透系数可以小于10-13cm/s，具有很好的防渗性。对条件适宜的坝，经论证可采用土工膜代替粘土、混凝土或沥青等，作为坝体的防渗体材料。

利用土工膜作为坝体防渗材料，可以降低工程造价，而且施工方便快速，不受气候影响。如云南楚雄州塘房庙堆石坝，坝高50m，采用复合土工膜作防渗材料，布置在坝体断面中间，现已竣工运行。也可将复合土工膜设置在上游侧，工作原理与斜墙坝相同。

在土工膜的单侧或两侧热合织物成为复合土工膜。复合土工膜既可防止膜在受力时被石块棱角刺穿顶破，也可代替砂砾石等材料起反滤和排水作用。复合土工膜适应坝体变形的能力较强，作为坝体的防渗材料，它可设于坝体上游面，也可设在坝体中央充当坝的防渗体。

三、排水设备

排水设备是土石坝的重要组成部分。土石坝设置坝身排水的目的主要是为了：①降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；②防止渗流逸出处的渗透变形，保护坝坡和坝基；③防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，起到保护下游坝坡的作用。

因此坝体排水设备应具有足够的排水能力，同时应按反滤原则设计，保证坝体和地基土不发生渗透破坏，设备自身不被淤堵，且便于观测和检修。常见的排水设备型式有：棱体排水、贴坡排水、褥垫排水和综合式排水以及网状排水带、排水管和竖式排水体等型式。设计时需综合考虑坝型、坝基地质、下游水位、材料供应和施工条件等因素，通过技术经济比较确定。

1.棱体排水

在坝趾处用块石填筑成堆石棱体。这种型式排水效果好，除了能降低坝体浸润线防止渗透变形外，还可支撑坝体、增加坝体的稳定性和保护下游坝脚免遭淘刷。多用于下游有水和石料丰富的情况。

堆石棱体顶宽应根据施工条件及检查观测需要确定，通常不小于1.0m，其内坡一般为1:1～1:1.5，外坡为1:1.5～1:2.0。棱体顶部高程应保证坝体浸润线距坝坡面的距离大于该地区的冰冻深度，并保证超出下游最高水位，超出的高度，对Ⅰ、Ⅱ级坝不小于1.0m，对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级坝不小于0.5m。

在排水棱体与坝体及坝基之间需设反滤层。

2.贴坡排水

在坝体下游坝坡一定范围内沿坡设置1～2层堆石。贴坡排水又称表层排水，它不能降低浸润线，但能提高坝坡的抗渗稳定性和抗冲刷能力。这种排水结构简单，便于维修。

贴坡排水的厚度（包括反滤层）应大于冰冻深度。顶部应高于浸润线的逸出点0.5～1.0m，并高于下游最高水位1.5～2.0m。

贴坡排水底脚处需设置排水沟或排水体，其深度应能满足在水面结冰后，排水沟（或排水体）的下部仍具有足够的排水断面的要求。

3.褥垫排水

排水伸入坝体内部，能有效地降低坝体浸润线，但对增加下游坝坡的稳定性不明显，常用于下游水位较低或无水的情况。

褥垫排水伸入坝体的长度由渗透坡降确定，一般不超过1/3～1/4坝底宽度，向下游可做成0.005～0.01的坡度以利排水。褥垫厚度约0.4～0.5m，使用较均匀的块石筑成，四周需设置反滤层，满足排水反滤要求。

4.组合式排水

在实际工程中，常根据具体情况将上述几种排水型式组合在一起，兼有各种单一排水型式的优点。

四、坝面护坡

为保护土石坝坝坡免受波浪、降雨冲刷以及冰层和漂浮物的损害，防止坝体土料发生冻结、膨胀和收缩以及人畜破坏等，需设置护坡结构。

护坡结构要求坚固耐久，能够抵抗各种不利因素对坝坡的破坏作用，护坡材料应尽量就地取材，方便施工和维修。上游护坡常采用堆石、干砌石或浆砌石、混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土等型式。下游护坡要求略低，可采用草皮、干砌石、堆石等型式。

护坡的范围，对上游面应由坝顶至最低水位以下2.5m左右；对下游面应自坝顶护至排水设备，无排水设备或采用褥垫式排水时则需护至坡脚。

1．堆石护坡

不需人工铺砌，将适当尺寸的石块直接倾倒在坝面垫层上。堆石应具有足够的强度，其厚度一般为0.5～0.9m，底部还需设不小于0.4～0.5m厚的砂砾石垫层。多用于石料丰富的地区。

2．砌石护坡

砌石护坡要求石料比较坚硬并耐风化，可采用干砌或浆砌两种，由人工铺砌。

砌石应力求嵌紧，石块大小和铺砌厚度应根据风浪大小计算确定。通常干砌石厚度为0.2～0.6m，底部设0.15～0.25m厚的垫层，当有反滤要求时，垫层应适当加厚并按反滤要求设计。浆砌石护坡厚度一般为0.25～0.4m，另需预留一定数量的排水孔，并每隔2～4m设置变形缝以防止发生裂缝。

3．其他型式的护坡

当筑坝地区缺乏石料时，可采用混凝土或钢筋混凝土护坡。混凝土板厚约为0.15～0.2m，可采用现浇或预制方式，板下设砂砾石、砾石或土工织物垫层。

将粗砂、中砂、细砂掺入7%～15%的水泥（质量比），作成水泥土护坡，其防冲能力和柔性较好。水泥土护坡需设置排水孔，底部与土体之间也应设置垫层。

土石坝的下游坡一般可用0.1～0.15m厚的碎石和砾石护坡。当气候条件适宜时还可采用草皮护坡。

五、坝顶构造

坝顶需设路面，当有交通要求时应按道路要求设计，如无交通要求，则可用单层砌石或砾石护面以保护坝体。

为便于排除坝顶雨水，坝顶路面常设直线或折线型横坡，坡度宜采用2%～3%，当坝顶上游设防浪墙时，直线型横坡倾向下游，并在坝顶下游侧沿坝轴线布置集水沟，汇集雨水经坝面排水沟排至下游，以防雨水冲刷坝面和坡脚。

坝顶设防浪墙可降低坝顶路面高程，防浪墙高度约为1.2m左右，可用浆砌石或混凝土筑成。防浪墙必须与防渗体结合紧密，还应满足稳定和强度要求，并设置伸缩缝。