1、第三章 土石壩與堤防教學要求：掌握土壩的工作原理、工作特點和分類；掌握作用在土壩壩頂高程計算方法和土壩的剖面擬定的方法；掌握土壩滲流計算的水力學方法和穩定分析的基本方法；掌握土壩地基的處理方法；熟悉土壩土料選用和施工要求、土壩排水設施構造和壩基處理方法。第一節 概述 土石壩是指由土料、石料或土石混合料，采用拋填、碾壓等方法堆筑成的擋水壩。堤坊是沿河岸構筑的護岸建筑物，大多數采用土石壩的結構形式，在許多方面土石壩與堤坊都存在共性。由于結構簡單、施工方便、可就地取材和投資低等特點，因而土石壩是應用最為廣泛和發展最快的一種壩型，也是歷史最為悠久的壩型。 一、土石壩的工作原理 土石壩是土石材料的堆筑物

2、，主要利用土石顆粒之間的摩擦、粘聚特性和密實性來維持自身的穩定、抵御水壓力和防止滲透破壞。一般來說，土石壩為維持自身穩定需要較大的斷面尺寸，因而有足夠的能力抵御水壓力。因此，土石壩工程主要面對兩個問題：確保自身穩定和防止滲透破壞。其中自身穩定包括滑坡、沉陷和沖刷問題。 1、滑坡 由于土石材料為松散體，抗剪強度低，主要依靠土石顆粒之間的摩擦和粘聚力來維持穩定，沒有支撐的邊坡是填筑體穩定問題的關鍵。所以，土石壩失穩的型式，主要是壩坡的滑動或壩坡連同部分壩基一起滑動，影響壩體的正常工作，甚至導致工程失事。為確保土石填筑體的穩定，土石壩斷面一般設計成梯形或復合梯形，而且邊坡較緩，通常1:1.51:3.

3、5。 此外，滲流也是影響壩體穩定的重要因素。 2、滲流 水庫蓄水后，土石壩迎水面與背水面之間形成一定的水位差，在壩體內形成由上游向下游的滲流。滲流不僅使水庫損失水量，還會使背水面的土體顆粒流失、變形，引起管涌和流土等滲透破壞。在壩體與壩基、兩岸以及其他非土質建筑物的結合面，還會產生集中滲流現象。 防止滲流破壞的原則是“前堵后排”，在壩前（迎水面）采取防滲、防漏的工程措施，減少滲流量，同時要盡量排除滲入壩體的水量，降低滲流對壩體的不利影響。 3、沉陷 由于土石顆粒之間存在較大的孔隙，在外荷載的作用下，易產生移動、錯位，細顆粒填充部分孔隙，使壩體產生沉降，也使土體逐步密實、固結。如果土石壩顆粒級配

4、不合理，沉降變形、不均勻會產生裂縫，破壞壩體結構，也會降低壩頂高程，使壩的高度不足。土石壩的沉陷與壩體、壩基的土石材料有關，因此，土石壩設計需要考慮土石材料選用、壩基處理、填筑工藝等因素，筑壩時應有適量的超填。 4、沖刷 土石壩為散粒結構，抗沖能力低，受到波浪、雨水和水流作用，會造成沖刷破壞。因此，土石壩壩坡要設置護面結構，特別是迎水面要防止波浪影響，是護面的重點。背水坡面要設置排水溝，防止雨水對壩面的沖刷。土石壩的溢洪道和引水涵一般遠離壩區布置，以面沖刷壩體。土石堤防還要采用各種護腳措施，例如拋石和模袋混凝土護腳，或設置丁壩。 二、土石壩的類型 （一）按壩高分類 根據我國SL2742001碾

5、壓式土石壩設計規范的規定：土石壩按其壩高可分為低壩、中壩和高壩。高度在30以下的為低壩，高度在3070m為中壩，高度在70m以上為高壩。（二）按施工方法分類1、碾壓式土壩碾壓式土壩的施工方法是用適當的土料、以合理的厚度分層填筑，逐層壓實而成的壩。碾壓填筑是應用最廣的土壩施工方法，本章主要講述這類型土壩。2、水力沖填壩以水力為動力完成土料的開采、運輸和填筑全部筑壩工序而建成的土壩。利用水力沖刷泥土形成泥漿，通過泵或溝槽將泥漿輸送到土壩填筑面，泥漿在土壩填筑面沉淀和排水固結形成新的填筑層，這樣逐層向上填筑，直至完成整個壩體填筑。3、定向爆破堆石壩利用定向爆破方法，將河兩岸山體的巖石爆出、拋向筑壩地

6、點，形成堆石壩體，經過人工修整，澆筑防滲體，即可完成壩體建筑。（三）按壩體材料的組合和防滲體的材料、相對位置分類 按壩體材料可分為土壩、土石混合壩和堆石壩三種，見圖31。 1、土壩 土壩是用土料填筑而成的擋水壩。根據土料的分布情況，土壩還可分為均質壩、粘土心墻壩或斜墻壩、人工材料心墻壩或斜墻壩和多種土質壩。均質壩采用單一土料填筑，要求土料具有一定的防滲性能。粘土心墻壩或斜墻壩是采用防滲能力強的粘土作防滲體，設在壩體中上游位置，兩邊用透水性較大但抗剪強度較大的土料填筑。人工材料心墻壩或斜墻壩則是采用防滲能力強的人工材料，如瀝青混凝土、鋼筋混凝土作防滲體，設在壩體中上游位置，兩邊用土料填筑。多種土

7、質壩采用多種土料填筑，一般要設防滲心墻或斜墻。 2、土石混合壩 多種土質壩的下游部分采用砂礫石料時，就構成土石混合壩。 3、堆石壩 壩體絕大部分采用石料堆筑的壩，需要設置防滲心墻或斜墻。 堤坊大多選用土石材料，其形式與土石壩類似，后文均稱土石壩。圖31 土石壩的類型第二節 土石壩剖面設計 土壩剖面設計是土壩設計的主要內容，包括壩頂高程、壩頂寬度、上下游壩坡、防滲結構、排水結構及其細部構造。設計步驟：計算壩頂高程，根據具體要求和經驗擬定剖面，進行滲流計算，最后進行壩坡穩定分析，根據穩定分析的結果判斷壩剖面的合理性。一般需要多次重復以上步驟，直至得到合理的剖面。本節主要介紹土壩剖面尺寸擬定，滲流和

8、穩定分析在后面介紹。 一、壩頂高程壩頂高程要保證擋水需要，同時要防止波浪超越壩頂，有些海堤允許波浪越頂，但也需要控制。壩頂高程按水庫靜水位加上防浪超高來確定，碾壓式土石壩設計規范（SL2742001）規定，按下列運用條件計算，取其大者：（1）設計洪水位加正常運用條件的壩頂超高；（2）正常蓄水位加正常運用條件的壩頂超高；（3）校核洪水位加非常運用條件的壩頂超高；（2）正常蓄水位加非常運用條件的壩頂超高，再加地震安全超高。當上游設防浪墻時，以上確定的壩頂高程改為防浪墻頂高程。此時，在正常運用情況下，壩頂高程應高于靜水位0.5m；在非常運用情況下，壩頂高程應高于靜水位。堤防堤頂高程按設計洪水位或設計

9、高潮位加超高，且1、2級堤防的超高不應小于2.0m。超高的計算公式如下： （31）式中R為波浪在壩坡上的爬高，m；e為最大風壅水面高度，m；A為安全加高，m。 1、波浪爬高R（Rp） 波浪爬高與累積頻率有關，一般用Rp表示，P為累積頻率（）。對于、級土石壩取累積頻率P1的波浪爬高值R1%，對于、級土石壩取累積頻率P5的波浪爬高值R15。對于不允許越浪的堤防取累積頻率P2的波浪爬高值R2%；對于允許越浪的堤防取累積頻率P13的波浪爬高值R31%。 當壩坡為m=1.55.0時，Rp的計算公式為 （32）式中為斜坡的糙率及滲透系數，見表31；為經驗系數，與有關，見表32；為計算風速，見第二章；Hm為

10、壩前水域平均水深，m；為爬高累積頻率換算系數，見表33；、為平均波高和波長，由式（33）（36）計算。表31 斜坡的糙率及滲透系數護面類型護面類型光滑不透水護面（瀝青混凝土）1.0砌石護面0.750.85混凝土板護面0.9拋填兩層塊石（不透水地基）0.60.85草皮護面0.850.90拋填兩層塊石（透水地基）0.50.55表32 經驗系數11.52.02.53.03.54.0>5.01.01.021.081.161.221.251.281.30表33 爬高累積頻率換算系數P（）12513<0.12.232.071.841.540.10.32.081.941.751.48>0.

11、31.861.761.611.40 平均波高和波長采用莆田試驗站的計算公式。 1）平均波高hm用式（33）計算 （33）式中D為風區長度，見第二章；其余同前。 2）平均波長Lm采用式（34）（36）計算 當時，為深水波，其波長計算公式為 （34）其中 （35） 當時，為淺水波，其波長計算公式為 （36） 2、最大風壅水面高度e 最大風壅水面高度用式（37）計算 （37）式中K為綜合摩阻系數，其值在（1.55.0）×10-6之間，計算時可取3.6×10-6；為風向與壩軸法線的夾角；其余同前。 3、安全加高A （1）土石壩安全加高，根據壩等級和運行情況確定，見表34。表34 土

12、石壩安全加高（m）運行情況壩的級別、正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3 （2）堤防工程安全加高，根據堤防等級（見表35）和是否允許越浪來確定，見表36。表35 堤防工程等級防洪標準重限期（年）100<100，且50<50，且30<30，且20<20，且10堤防工程級別12345表36 堤防工程安全加高（m）堤防工程級別12345不允許越浪堤防工程的安全加高1.00.80.70.60.5允許越浪堤防工程的安全加高0.50.40.40.30.3 二、壩頂寬度 壩頂寬度主要滿足運行、施工、交通和人防等要求。無特殊要求時，高壩的最小壩頂寬度一般為1015m

13、，中低壩為5010；有交通要求時，應按交通規定確定。堤防工程最小堤頂寬度見表37。表37 堤防工程堤頂寬度（m）堤防工程級別1235堤防工程的堤頂寬度>8.0>6.0>3.0 三、壩坡壩坡應根據壩型、壩高、壩體材料和壩基情況，還要考慮壩體承受的荷載、施工和運用條件等因素，通過技術經濟分析比較確定。一般方法是：根據經驗初步擬定壩坡，再進行滲流和穩定分析，根據分析計算結果修改壩坡，直至獲得合理的壩坡。較高的土石壩采用邊坡方式，一般每隔1030m高度邊坡，邊坡處設馬道，寬度1.52.0m。 一般壩坡為1:2.01:4.0，初擬壩坡時，可參照表38和39。表38 均質壩壩坡經驗數據壩

14、高（m）馬道壩坡寬度（m）級數上游坡下游坡<15.01.511:2.50（上）1:2.75（下）1:2.25（上）1:2.50（下）15252.021:2.75（上）1:3.00（下）1:2.50（上）1:2.75（下）25352.031:2.75（上）1:3.00（中）1:3.50（下）1:2.50（上）1:2.75（中）1:3.00（下）表39 心墻壩壩坡經驗數據壩殼部分心墻部分壩高（m）馬道壩坡頂寬（m）邊坡寬度（m）級數上游坡下游坡<15.01.511:2.25（上）1:2.50（下）1:2.0（上）1:2.25（下）1.51:0.215252.0121:2.50（上）1:

15、2.75（下）1:2.25（上）1:2.50（下）2.01:0.150.2525352.031:2.75（上）1:3.00（中）1:3.50（下）1:2.50（上）1:2.75（中）1:3.00（下）2.51:0.150.25 此外，對于面板堆石壩，上游壩坡采用1:1.41:1.7，下游壩坡為1:1.31:1.6。第三節 滲流分析 一、滲流分析的概述 1、滲流分析的目的土石壩基本剖面確定后，需要通過滲流分析檢驗壩體及壩基的安全性，并為壩坡穩定分析提供依據。計算內容有壩：體浸潤線、滲流出逸點的位置、滲透流量和各點的滲透壓力或滲透坡降，并繪制壩體及壩基內的等勢線分布圖或流網圖等。 2、計算工況 根

16、據土石壩的運行情況，滲流計算的工況應能涵蓋各種不利運行條件及其組合，一般需要計算的工況有：（1）上游正常蓄水位與下游相應的最低水位；（2）上游設計洪水位與下游相應的水位；（3）上游校核洪水位與下游相應的水位；（4）庫水位降落時上游壩坡穩定最不利的情況。 3、計算方法 滲流分析的依據是大西定律和連續方程，各向同性的三維滲流分析基本方程為： （38） 穩定流基本方程為： （39） 方程（38）或（39）在簡單滲流區域內，可以解析求解，但絕大部分情況是難于解析求解的。比較成熟的計算方法是數值計算法，但需要專用程序計算。近似計算方法主要有水力學法，計算公式簡單，便于應用，但精度較差。一般對于1、2級壩

17、和高壩應采用數值法計算確定滲流場各因素，其它可采用水力學公式法計算。 二、滲流分析的水力學法 假設鉛直線上各點的滲流坡降均相等，并可用浸潤線導數來表示，即。那么，滲流的達西定律可以寫成微分方程表達式： （310）式中x為滲流沿程坐標；y為浸潤線高度坐標；k為滲透系數；v為滲透流速。 設滲流單寬流量為q，則由式（3）可得： （311） 式（311）為浸潤線微分方程，其解為 （312）式中H1為上游水深；q1為壩體單寬滲流流量。對于心墻壩和斜墻壩，上式變為： （313）式中h為防滲體后水深。 土壩浸潤線基本公式為式（312）或式（313），其中q1、h為待定常數，其求解方程見表310。 單寬滲流量

18、，q2為壩基滲流量，見表310。 水力學公式計算法對邊界條件進行近似處理得到的，各種教科書提供的公式都有一定的差異，引用時需要仔細分析選用。對于特殊情況，可以按照以上基本原理和邊界條件進行推求。表310 滲流計算基本方程壩型計算簡圖基本方程備注均質壩，無排水設施，先求解a0。L0為壩底寬度。均質壩，棱體排水，L0為上游壩腳至棱體上游點D的寬度。均質壩，褥墊排水，心墻壩，先求解h。帶截水墻的斜墻壩 ，先求解h。帶水平鋪蓋的斜墻壩，先求解h。表中k、ke、kT分別為壩體、防滲體和壩基的滲透系數；T為透水地基深度；L0為排水體上游起點前的壩底寬度；n為壩基滲徑修正系數，見表312；m1、m2、m3分

19、別是上游壩坡、下游壩坡和排水棱體上游邊坡坡比；。表312 壩基滲徑修正系數L0/T2054321n1.151.181.231.301.441.87二、滲流分析的數值計算法（一）邊界條件滲流的數值計算法，就是用數值方法求解方程（38）或（39），待求函數為滲流水頭： （314）式中z為計算點位置高程；p為滲透水壓力；為水容重。求解邊界條件為：上下游水面以下的壩面是等水頭面，滲流水頭為常數，即 （315）；不透水地基是流面，滲透水透的法向導數為0，即 （316）；浸潤線滿足式（316）和；自由滲出段也滿足。利用專用程序計算，直接輸出浸潤線計算結果和等勢線圖。例如某土壩計算輸出的等勢線圖，見圖32。

20、圖32 某土壩浸潤線和滲流等勢線圖 圖中上下游水頭差為H，則。 （二）流網的應用 （1）滲透坡降 滲透坡降是判別滲流安全與否的重要參數。設計算點等勢線的距離為，相應兩等勢線的水頭（勢能）差為，則滲透坡降為 （317） 一般需要計算滲流出逸點、壩腳附近的滲透坡降。 （2）滲流量 滲流量是衡量土石壩防滲的重要指標。計算時，取一等勢線量取流線的距離和相應相交點等勢線的，那末單寬流量為 （318）三、土石壩的滲流變形及其防治措施 土壩及地基中的滲流，由于其機械或化學作用，可能使土體產生局部破壞，稱為“滲透破壞”。嚴重的滲透破壞可能導致工程失事，因此必須加以控制。（一）滲透變形的型式（分類）（一） 滲透

21、變形的型式及其發生、發展、變化過程，與土料性質、土粒級配、水流條件以及防滲、排滲措施等因素有關，一般可歸納為：管涌、流土、接觸沖刷、接觸流土、接觸管涌等類型。最主要的是管涌和流土兩種類型。n 1、管涌壩體或壩基中的細土壤顆粒被滲流帶走，逐漸形成滲流通道的現象稱為管涌或機械管涌。管涌一般發生在壩的下游坡或閘壩的下游地基面滲流逸出處。沒有凝聚力的無粘性砂土、礫石砂土中容易發生管涌；粘性土的顆粒之間存在有凝聚力（或稱粘結力），滲流難以將其中的顆粒帶走，一般不易發生管涌。管涌開始時，細小的土壤顆粒被滲流帶走；隨著細小顆粒的大量流失，土壤中的孔隙加大，較大的土壤顆粒也會被帶走；如此逐漸向內部發展，形成集

22、中的滲流通道。使個別小顆粒土在孔隙內開始移動的水力坡降，稱為管涌的臨界坡降；使更大的土粒開始移動從而產生滲流通道和較大范圍破壞的水力坡降，稱為管涌的破壞坡降。n 單個滲流通道的不斷擴大或多個滲流通道的相互連通，最終將導致大面積的塌陷、滑坡等破壞現象。2、流土在滲流作用下，成塊的土體被掀起浮動的現象稱為流土。流土主要發生在粘性土及均勻非粘性土體的滲流出口處。發生流土時的水力坡降，稱為流土的破壞坡降。3、接觸沖刷當滲流沿兩種不同土壤的接觸面或建筑物與地基的接觸面流動時，把其中細顆粒帶走的現象稱為接觸沖刷。4、接觸管涌當滲流垂直作用于兩種不同土壤的接觸面時，滲流可能將其中一層的細顆粒帶到另一層的粗顆

23、粒中去的現象成為接觸管涌。接觸管涌一般發生在粘土心（斜）墻與壩殼砂礫料之間、壩體或壩基與排水設施之間、壩基內不同土層之間的滲流中。5、接觸流土、當滲流垂直作用的兩種不同土壤中的一層為粘性土時，滲流可能將粘性土成塊地移動，從而導致隆起、斷裂或剝蝕等現象成為接觸流土。（二）滲透變形的判別 滲流類型與土體的顆粒分布及其含量有關，是由內在因素決定的；至于會不會發生滲透變形還要根據外部因素滲透坡降來判別。因此，滲透變形的判別包括兩個方面：滲透類型與發生條件。1、滲透變形型式的判斷1、判斷土體可能產生何種型式的滲透變形是比較困難的，目前尚無嚴格意義上的理論計算方法，主要是根據實驗資料和工程經驗得出的一些經

24、驗性的判斷方法。水利部和交通部共同管轄的南京水利科學研究院提出的也是以土體中的細粒（粒徑小于2mm的）含量作為判斷依據的方法，并提出了界限值的計算公式： （319）式中：n為土體孔隙率；為修正系數，一般取為0.951.00。判據：當土體中的細粒含量大于上式計算出的時，可能產生流土；當土體中的細粒含量小于上式計算出的時，可能產生管涌。本方法在實用上比較簡便，相對較準確。 2、滲透變形的臨界坡降 （1）管涌的臨界坡降 對于大中型工程，應通過管涌試驗來確定管涌的臨界坡降。對于中小型工程及初步設計時，且當滲流方向由下向上時，可用南京水利科學研究院的經驗公式計算： （320）式中 d3為相應于粒徑曲線上

25、含量為3的粒徑，cm；其余同前。 容許滲透坡降J，可由滲透變形的臨界坡降除以安全系數來確定。安全系數應根據建設物的級別和土壤的類別選定，一般為23。 容許滲透坡降J也可參照不均勻系數選用：10<<20的非粘性土，J0.2；>20的非粘性土，J0.1。其中d60為土體的粒徑，表示土體中小于該粒徑的土體占總土重的60%；d10表示土體中小于該粒徑的土體占總土重的10%； （2）流土的臨界坡降 當滲流方向由下向上時，常采用沙太基公式： （321）式中G為土粒比重；其余同前。 南京水利科學院建議上式再乘上1.17。 容許滲透坡降也要采用一定的安全系數，一般來說，對于粘性土，取1.5；

26、對于非粘性土，取2.02.5。第四節 土石壩穩定分析一、概述 土石壩是由散顆粒體堆筑而成，依靠土體顆粒之間的摩擦力來維持其整體性，為此必須采用比較平緩的邊坡，因而形成肥大的斷面，以致有足夠的強度抵擋上游水壓力。所以，土石壩的穩定性主要是指邊坡穩定問題，如果土石壩的邊坡穩定性能得到保證，則其整體穩定性也就能得到保證。摩爾認為：土體的破壞，主要是剪切破壞，即：一旦土體內任一平面上的剪應力達到或超過了土體的抗剪強度時，土體就發生破壞。土石壩邊坡穩定性就是邊坡的抗剪強度問題。土石壩結構、土料和地基的性質以及工況條件等因素決定邊坡的失穩形式。通常主要有滑坡、塑性流動和液化形式。其中滑坡主要以下幾種形式：

27、 （1）曲線滑動（如圖33所示）。曲線滑動的滑動面是一個頂部稍陡而底部漸緩的曲面，多發生在粘性土壩坡中。在計算分析時，通常簡化為一個圓弧面。圖33 曲線滑動示意圖 （2）直線和折線滑動面（如圖34所示）。在均質的非粘性土邊坡中，滑動面一般為直線；當壩體的一部分淹沒在水中時，滑動面可能為折線。在不同土料的分界面，也可能發生直線或折線滑動。圖34 直線滑動示意圖 （3）復式滑動面（如圖35所示）。復式滑動面是同時具有粘性土和非粘性土的土壩中常出現的滑動面型式。復式滑動面比較復雜，穿過粘性土的局部地段可能為曲線面，穿過非粘性土的局部地段則可能為平面或折線面。在計算分析時，通常根據實際情況對滑動面的形

28、狀和位置進行適當的簡化。圖35 復式滑動示意圖二、荷載及其組合和穩定安全系數的標準 （一）荷載及其組合1、基本荷載土石壩的荷載主要包括自重、水壓力、滲透力、孔隙壓力、浪壓力、地震慣性力等，大多數荷載的計算與重力壩相似，詳見第二章。其中土石壩主要考慮的荷載有：自重、滲透力、空隙壓力等，分述如下。（1）自重土壩壩體自重分三種情況來考慮，即：在浸潤線以上的土體，按濕容重計算；在浸潤線以下、下游水面線以上的土體，按飽和容重計算；在下游水位以下的土體，按浮容重計算。（2）滲透力滲透力是在滲流場內作用于土體的體積力。沿滲流場內各點的滲流方向，單位土體所受的滲透力，其中為水的容重；J為該點的滲透坡降。（3）

29、孔隙壓力粘性土在外荷載的作用下產生壓縮，由于土體內的空氣和水一時來不及排出，外荷載便由土粒和空隙中的空氣與水來共同承擔。其中，由土粒骨架承擔的應力稱為有效應力，它在土體產生滑動時能產生摩擦力；由空隙中的水和空氣承擔的應力稱為孔隙壓力u，它不能產生摩擦力。因此，孔隙壓力是粘性土中經常存在的一種力。土壤中的有效應力為總應力與孔隙壓力u之差，因此土壤的有效抗剪強度為： （322）式中：為內摩擦角，c為凝聚力。孔隙壓力的存在使土的抗剪強度降低，從而使壩坡的穩定性也降低。因此在土壩壩坡穩定分析時，應予以考慮。孔隙壓力的大小與土料性質、土料含水量、填筑速度、壩內各點荷載、排水條件等因素有關，且隨時間而變化

30、。因此，孔隙壓力的計算一般比較復雜，且多為近似估計。具體計算可參考有關文獻。 2、荷載組合根據SL2742001 碾壓式土石壩設計規范，土石壩施工、建設、蓄水和水庫水位降落的各個時期在不同荷載作用下，應分別計算其穩定性。土石壩穩定分析的荷載組合主要有：（1）正常工作條件。水庫上游水位處于正常蓄水位和設計洪水位與死水位之間的各種水位的穩定滲流期；水庫水位在上述范圍內經常性的正常降落情況；抽水蓄能電站的水庫水位的經常性變化和降落。（2）非常運用情況。施工期；校核洪水位有可能形成穩定滲流的情況；水庫水位的非常降落，如自校核洪水位降落、降落至死水位以下、大流量快速泄空等。（二）土石壩壩坡穩定安全系數標

31、準根據SL2742001 碾壓式土石壩設計規范第8.3.9條規定：對于均質壩、厚斜墻壩和厚心墻壩，宜采用計及條間作用的簡化畢肖普法；對于有軟弱夾層、薄斜墻壩的壩坡穩定分析及其他任何壩型，可采用滿足力和力矩平衡的摩根斯頓普賴斯等滑楔法。表313 按簡化畢肖普法計算時的容許最小抗滑穩定安全系數運用條件工程等級1234、5正常運用1.501.351.301.25非常運用1.301.251.201.15正常運用+地震1.201.151.151.10SL2742001 碾壓式土石壩設計規范第8.3.11條還規定：采用不計條間作用力的瑞典圓弧法計算壩坡抗滑穩定安全系數時，對1級壩正常運用條間最小安全系數應

32、不小于1.30，對其他情況應比表313規定值減小8。SL2742001 碾壓式土石壩設計規范第8.3.12條還規定：采用滑楔法進行穩定計算時，如假設滑楔之間作用力平行于坡面和滑底斜面的平均坡度，安全系數應滿足上表中的規定；若假設滑楔之間作用力為水平方向，安全系數應滿足上述第8.3.11條的規定。三、土料抗剪強度指標土的抗剪強度指標主要指總抗剪強度指標（凝聚力c和內摩擦角）和有效抗剪強度指標（凝聚力和內摩擦角）。通常可以采用室外原位測試方法測定，或室內剪切試驗方法確定。SL2742001 碾壓式土石壩設計規范規定了不同時期（施工期、穩定滲流期和水庫水位降落期）、不同土類的抗剪強度指標的測定方法和

33、計算方法，見表314。表314 抗剪強度指標的測定和應用控制穩定的時期強度計算方法土類使用儀器試驗方法與代號強度指標試樣起始狀態施工期有效應力法無粘性土直剪儀慢剪，填土用填筑含水量和填筑密度的土,地基用原狀土三軸儀排水剪（ S或CD）粘性土飽和度小于80%直剪儀慢剪三軸儀不排水剪測孔隙壓力(Q或uu)飽和度大于80%直剪儀慢剪三軸儀固結不排水剪測孔隙壓力(Q或cu)總應力法粘性土滲透系數10-7 cm/s直剪儀快剪Cu，任何滲透系數三軸儀不排水剪(Q或uu) 穩定滲流期和水庫水位降落期有效應力法無粘性土直剪儀慢剪，Ccu，同上,但要預先飽和,而清潤線以上的土不需飽和三軸儀排水剪（ S或CD）粘

34、性土直剪儀慢剪水庫水位降落期總應力法粘性土三軸儀固結不排水剪測孔隙壓力(Q或cu三、土石壩邊坡穩定計算目前所采用的土石壩壩坡穩定分析方法的理論基礎是極限平衡理論，即：將土看作是理想的塑性材料，當土體超過極限平衡狀態時，土體將沿著某一破裂面產生剪切破壞，出現滑動失穩現象。所謂極限平衡狀態是指土體某一面上導致土體滑動的滑動力，剛好等于抵抗土體滑動的抗滑力。計算的關鍵是滑動面的形式的選定，一般有圓弧、直線、折線和復合滑動面等。對粘性土填筑的均質壩或非均質壩多為圓弧；對非粘性土填筑的壩，或以心墻、斜墻為防滲體的砂礫石壩體，一般采用直線法或折線法；對粘性土與非粘性土填筑的壩，則為復合滑動面。（一）圓弧法

35、1、瑞典圓弧法瑞典圓弧法是目前土石壩設計中壩坡穩定分析的主要方法之一。該方法簡單、實用，基本能滿足工程精度要求，特別是在中小型土石壩設計中應用更為廣泛。假設滑動面為一個圓柱面，在剖面上表現為圓弧面。將可能的滑動面以上的土體劃分成若干鉛直土條，不考慮土條之間作用力的影響，作用在土條上的力主要包括：土條自重、土條底面的凝聚力和摩擦力。瑞典圓弧法安全系數定義為：土條在滑動面上所提供的抗滑力矩與滑動力矩之比。圖36 圓弧滑動法條分示意圖按有效應力法計算時，瑞典圓弧法安全系數KC為 （323）式中：Wi為第i土條的自重；Q、V為水平和垂直地震慣性力；u為作用于土條上的孔隙水壓力；、Ci分別為按總應力法計

36、算時采用的抗剪強度指標摩擦系數和凝聚力；i為第i土條沿滑動面的坡角；bi為土條寬度；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R為圓弧半徑。 按總應力法計算時，上式中、Cii應改為、C， 同時令ui為0。SL2742001 碾壓式土石壩設計規范第8.3.2條規定：土石壩各種工況，土體的抗剪強度均應采用有效應力法；粘性土施工期和粘性土庫水位降落期，應同時采用總應力法。2、簡化的畢肖普法瑞典圓弧法的主要缺點是沒有考慮土條間的作用力，因而不滿足力和力矩的平衡條件，所計算出的安全系數一般偏低。畢肖普法是對瑞典圓弧法的改進。其基本原理是：考慮了土條水平方向的作用力（與，即），忽略了豎直方向的作用力（切向力，與，

37、即令=0）。如圖。由于忽略了豎直方向的作用力，因此稱為簡化的畢肖普法。圖37 考慮條間作用力的畢肖普法土壩壩坡穩定計算示意圖畢肖普法是目前土壩壩坡穩定分析中使用得較多的一種方法。畢肖普法的安全系數計算公式為： （324）式中符號同前。上式中，兩端均含有KC，必須用試算法或迭代法求解。3、最危險圓弧位置確定圓弧法計算需要選定圓弧位置圓心位置和圓弧半徑，但很難確定最危險圓弧位置（對應最小安全系數），一般是在一定范圍內搜索，經過多次計算才能找到最小安全系數。確定搜索范圍有兩種方法：（1）B.B方捷耶夫法。最小安全系數范圍見圖38中的bcdf，a點為邊坡中點，ca為垂直線；R內、R外見表315。（2）

38、費蘭鈕斯法。最小安全系數范圍在M1M2連線上，參數、見表316。圖38 最小安全系數范圍圖表315 R內、R外值壩坡1:11:21:31:41:51:6R內0.750.751.01.52.23.0R外1.501.752.303.754.805.50表316 、值壩坡1:1.51:2.01:3.01:4.02625252535353536（三）折線滑動面的穩定分析1折線滑動部位可能發生直線、或折線、或復合面滑動的部位包括： 發生在非粘性土的壩坡中。例如：心墻壩的上、下游壩坡，斜墻壩的下游壩坡，等； 發生在兩種不同材料的接觸面。例如：斜墻壩的上游保護層滑動，斜墻壩的上游保護層連同斜墻一起滑動，等。

39、2穩定計算方法采用滑楔法分析計算。如圖3-11，ADC為滑動面（對上游壩坡，折點一般在上游水位對應處），從折點鉛直向DE將滑動土體分為兩部分：BCDE楔形體和ADE楔形體。 對BCDE楔形體其作用力主要有：楔形體自重W1、平行于DC的兩土塊之間的作用力P（ADC楔形體對BCDE楔形體的抗滑力）、土體自重在滑動面DC上產生的摩擦力。則BCDE楔形體沿DC滑動方向的極限平衡方程為 （327） 對ADE楔形體其作用力主要有：楔形體自重W2、平行于DC的兩土塊之間的作用力P（BCDE楔形體作用在ADC楔形體上的滑動力）、土體自重在滑動面AD上產生的摩擦力。則ADE楔形體沿AD滑動方向的極限平衡方程為

40、（328）聯立式（327）和式（328），可求得滑動體的安全系數KC和土塊間的作用力P。圖39 滑楔法計算示意圖（四）復合滑動面的穩定分析當滑動面通過不同土料時，常有直線與圓弧組合的型式。例如：厚心墻壩的滑動面，通過砂性土的部分為直線，通過粘性土的部分為圓弧；當壩基下不深處存在軟弱夾層時，滑動面可能通過軟弱夾層而形成復合滑動面，等。圖310 壩基有軟弱夾層時的穩定計算示意圖如圖，將滑動土體劃分為abf、bcef、cde三個區。取bcef為脫離體，土體abf作用于土體bcef的推力為Pa，土體cde作用于土體bcef的推力為Pn，土體bcef產生的抗滑力為Gtg+cl，則滑動面的穩定安全系數為

41、（329）求Pa和Pn，可以采用試算法。（1）將土體abf和土體cde分別分成若干條塊（圖中分為3塊），假設各條塊間的推力近似為水平。（2）先擬定一個安全系數KC，推求各條塊對下一條塊的推力。土體abf作用于土體bcef的推力為Pa；土體cde作用于土體bcef的推力為Pn。對Pa，從左邊開始推求，因為最左邊的條塊的Pa=0；對Pn；從右邊開始推求，因為最右邊的條塊的Pn =0。（3）將Pa和Pn代入式（857）中，求出滑動面的安全系數KC。如果求得的安全系數KC與假設的安全系數KC不同，則重新假設KC，重復計算，直至兩者相等為止。（4）為了得出最危險滑動面上的最小安全系數，一般要多假設幾個a

42、b弧和cd弧的位置，進行多次試算。第五節 土石壩的壩基處理土壩對地基的要求比混凝土壩低，一般不必挖除地表透水土壤和砂礫石等。但是，為了滿足滲透穩定、靜力和動力穩定、容許沉降量和不均勻沉降等方面的要求，保證壩的安全經濟運行，也必須根據需要對地基進行處理。對所有土石壩的壩基，首先應完全清除表面的腐殖土，可能形成集中滲流和可能發生滑動的表層土石，然后根據不同的地基情況采用不同的處理措施。一、巖基處理針對土石壩的特點，巖基的處理，主要應注意以下幾點：1巖基上的覆蓋層對中、低土石壩，只需將防滲體坐落在基巖上，形成截水槽以隔斷滲流即可。對高土石壩，最好挖除全部覆蓋層，使防滲體和壩殼均建在基巖上。2防滲體與

43、基巖的連接防滲體與基巖的接觸面應緊密結合。以前多要求在防滲體的基巖面上澆筑混凝土墊層或混凝土齒墻。但是，研究表面，混凝土墊層和齒墻的作用并不明顯，受力條件不佳，易產生裂縫，因此，現在的發展趨勢是將防滲體直接建在基巖上。圖311 心墻與基巖地連接型式3基巖內部防滲處理主要是防滲帷幕。4對不良地質構造的處理對斷層、破碎帶等不良地基構造，主要考慮起滲透穩定性和抗溶蝕性能，而不太看重其承載力和不均勻沉降。處理方法主要有：水泥灌漿或化學灌漿、混凝土塞、混凝土防滲墻、設置防滲鋪蓋等。二、砂礫石地基處理砂礫石具有足夠的承載能力，壓縮性不大，干濕變化對體積的影響也不大。但砂礫石地基的透水性很大，滲漏現象嚴重，

44、而且可能發生管涌、流土等滲透變形。因此，砂礫石地基的處理，主要是對地基的防滲處理。（一）垂直防滲設施垂直防滲是解決壩基滲流問題效果最好的措施。垂直防滲的效果，相當于水平防滲效果的三倍。因此，在土石壩的防滲措施中，應優先選擇垂直防滲措施。垂直防滲措施主要有：粘性土截水墻、混凝土防滲墻、灌漿帷幕、板樁等。1粘性土截水墻（1）當砂礫石透水地基的深度不大時，可將截水墻直接伸入巖基，并與巖基緊密相連。這種情況下的截水墻結構簡單，工作可靠，防滲效果好；當砂礫石透水地基的深度較大時，可將截水墻深入壩基一定深度，不與巖基相連，稱為懸掛式截水墻，但防滲效果較差。圖312 粘性土截水墻（2）截水墻的厚度L應滿足容

45、許滲透坡降的要求，且一般不小于3m。 （330）式中，為運行期最大水頭，為回填土料的容許滲透坡降。對輕壤土，34；對壤土，46；對粘土，510。（3）截水槽的開挖邊坡應緩于1:1，以保持邊坡的穩定。（4）截水墻一般位于心墻或斜墻的底部，截水墻的土料應與心墻或斜墻一致。2混凝土防滲墻對深厚砂礫石地基，采用混凝土防滲墻是比較有效和經濟的防滲設施。圖313 碧口土石壩防滲墻3灌漿帷幕當砂礫石透水地基的深度很大時，可采用灌漿帷幕進行防滲。圖314 灌漿帷幕4板樁當砂礫石透水地基的深度較大時，可采用鋼板樁防滲。木板樁一般只用于臨時工程。由于鋼板樁在打入砂礫石地基中時可能產生彎曲，脫縫等現象，影響防滲效果

46、，且造價較高，因此目前已較少采用。（二）水平防滲設施土石壩中，水平防滲措施主要是設置防滲鋪蓋。防滲鋪蓋是位于上游壩腳、滲透系數很小的粘性土做成的水平防滲設施。水平鋪蓋的防滲效果遠不如垂直防滲措施，但它結構簡單，施工方便，造價較低。因此，當設置垂直防滲措施困難時，也是一種合適的防滲措施。鋪蓋的滲透系數一般應小于10-5cm/s，鋪蓋的長度一般為46倍水頭，鋪蓋的厚度應滿足鋪蓋材料的容許滲透坡降的要求，一般布小于0.51.0m。防滲鋪蓋很少單獨作為土石壩的防滲措施，一般與其他措施相結合。圖315 防滲鋪蓋示意圖三、細砂、軟粘土和濕陷性黃土地基處理（一）細砂地基處理細砂地基，特別是飽和的細砂地基，在

47、動力作用下容易產生液化現象，因此應加以處理。對厚度不大的細砂地基，一般采用挖除的辦法。對于厚度較大的細砂地基，以前采用板樁加以封閉的辦法，但很不經濟。現在主要采用人工加密的辦法，即在細砂地基中人工摻入粗砂。近年來，我國采用振沖法加密細砂地基，從而提高細砂地基的相對密度，取得了較好的效果。（二）淤泥層地基處理淤泥夾層的天然含水量較大，容重小，抗剪強度低，承載能力差。當淤泥層埋藏較淺時，一般將其全部挖除。當淤泥層埋藏較厚時，一般采用壓重法或設置砂井加速固結的方法。（三）軟粘土和濕陷性黃土地基處理當軟粘土層較薄時，一般全部挖除。當軟粘土層較厚時，一般采用換砂法或排水砂井法。對黃土地基，一般的處理方法

48、有：預先浸水，使其濕陷加固；將表層土挖除，換土壓實；夯實表層土，破壞黃土的天然結構，使其密實等。第六節 細部構造與壩體材料土石壩的構造主要包括：防滲體、排水設施、護坡、壩頂等部位的構造。一、防滲體（一）土質心墻土質心墻位于土石壩壩體斷面的中心部位，并略為偏向上游，有利于心墻與壩頂的防浪墻相連接；同時也可使心墻后的壩殼先期施工，壩殼得到充分的先期沉降，從而避免或減少壩殼與心墻之間因變形不協調而產生的裂縫。心墻的厚度應根據土料的容許滲透坡降來確定，保證心墻在滲透坡降作用下不至于被破壞，有時也需考慮控制下游浸潤線的要求。輕壤土的容許滲透坡降為34，壤土為46，粘土為68。心墻頂部的水平寬度不宜小于3

49、m，心墻底部厚度不宜小于作用水頭的1/4。心墻的兩側坡度一般在1:0.151:0.3之間，有些兩側坡度可達1:0.41:0.5。在正常運用情況下，心墻頂部的高程應不低于上游設計水位0.30.6m；在非常運用情況下，心墻頂部的高程應不低于非常運用情況下的靜水位；對設有可靠的防浪墻的土壩，心墻頂部的高程也應不低于正常運用情況下的靜水位。心墻頂部與壩頂之間應設置保護層，以防止凍結、干燥等因素的影響，并按結構要求不小于1m，一般為1.52.5m。心墻與壩殼之間應設置過渡層。過渡層的要求可以比反濾層的要求低，一般采用級配較好的、抗風化的細粒石料和砂礫石料。過渡層除取一定的反濾作用外，主要還是為了避免防滲

50、體與壩殼兩種剛度相差較大的土料之間剛度的突然變化，使應力傳遞均勻，防止防滲體產生裂縫，或控制裂縫的發展。心墻與壩基及兩岸必須有可靠的連接。對土基，一般采用粘性土截水墻；對巖基，一般采用混凝土墊座或混凝土齒墻。圖316 某粘土心墻壩（二）土質斜墻土質斜墻位于土石壩壩體上游面。它是土石壩中常見的又一種防滲結構。填筑材料土土質心墻材料相近。斜墻的厚度應根據土壤的容許滲透坡降和結構的穩定性兩方面來確定，有時也需考慮控制下游浸潤線的要求，以及滲透流量的要求。斜墻頂部的水平寬度不宜小于3m；斜墻底部的厚度應不小于作用水頭的1/5。在正常運用情況下，斜墻頂部的高程應不低于上游設計水位0.60.8m；在非常運

51、用情況下，斜墻頂部的高程應不低于非常運用情況下的靜水位；對設有可靠的防浪墻的土壩，斜墻頂部的高程也應不低于正常運用情況下的靜水位。斜墻頂部與壩頂之間應設置保護層，以防止凍結、干燥等因素的影響，并按結構要求不小于1m，一般為1.52.5m。斜墻及過渡層的兩側坡度，主要取決于土壩穩定計算的結果，一般外坡應為1:2.01:2.5，內坡為1:1.51:2.0。斜墻的上游側坡面和斜墻的頂部，必須設置保護層。其目的是防止斜墻被沖刷、凍裂或干裂，一般用砂、砂礫石、卵石或碎石等砌筑而成。保護層的厚度不得小于冰凍和干燥深度，一般為23m。斜墻與壩殼之間應設置過渡層。過渡層的作用、構造要求等與心墻與壩體間的過渡層

52、類似，但由于斜墻在受力后更容易變形，因此斜墻后的過渡層的要求應適當高一些，且常設置為兩層。斜墻與保護層之間的過渡層可適當簡單，當保護層的材料比較合適時，可只設一層，有時甚至可以不設保護層。圖317 某粘土斜墻壩（1粘土斜墻，2粘土鋪蓋，3沙礫石壩殼，4沙礫石地基，5混凝土齒墻）（三）非土料防滲體非土料防滲體，也稱人工材料防滲體。主要包括瀝青混凝土或鋼筋混凝土做成的防滲體。1、瀝青混凝土防滲體瀝青混凝土具有較好的塑性和柔性，滲透系數很小，約為1×1071×1010cm/s，防滲和適應變形的能力均較好；產生裂縫時，有一定的自行愈合的功能；施工受氣候的影響小，是一種合適的防滲材料

53、。瀝青混凝土可以作成心墻，也可以作成斜墻。瀝青混凝土心墻不受氣候和日照的影響，可減少瀝青的老化速度，對抗震也有利，但檢修困難。瀝青混凝土心墻底部厚度一般為壩高的1/401/60，且不少于0.4m；頂部厚度不少于0.3m。心墻兩側應設置過渡層。圖318 某瀝青混凝土心墻防護壩瀝青混凝土斜墻鋪筑在厚13cm的、由碎石或礫石作成的墊層和34cm厚的瀝青碎石基墊上，以調節壩體變形。瀝青混凝土斜墻一般厚20cm，分層鋪填碾壓，每層厚36cm。瀝青混凝土斜墻上游側坡度不應陡與1:1.61:1.7。2、鋼筋混凝土防滲體鋼筋混凝土心墻已較少使用。鋼筋混凝土心墻底部厚度一般為壩高的1/201/40，頂部厚度不少于0.3m。心墻兩側應設