任务2.3 土石坝细部构造设计与坝体材料选择
土石坝的细部构造主要包括防渗体、坝体排水、护坡、坝顶等部位的构造。
2.3.1 防渗体
设置防渗设施的目的是减少通过坝体和坝基的渗漏量，降低浸润线，以增加下游坝坡的稳定性；降低渗透坡降以防止渗透变形。土石坝的防渗措施应包括坝体防渗、坝基防渗及坝体与坝基、岸坡及其他建筑物连接的接触防渗。防渗体主要是心墙、斜墙、铺盖、截水槽等，它的结构和尺寸应能满足防渗、构造、施工和管理方面的要求。
2.3.1.1 土质心墙
土质心墙位于土石坝坝体断面的中心部位，并略微偏向上游（图2.11），有利于心墙与坝顶的防浪墙相连接；同时也可使心墙后的坝壳先期施工，坝壳得到充分的先期沉降，从而避免或减少坝壳与心墙之间因变形不协调而产生的裂缝。
图2.11 某黏土心墙坝（单位：m）
1—设计下游坝壳轮廓线；2—混合料反滤层；3—砂反滤层填筑河床砂卵石；4—心墙填筑黏性土；5—混凝土底板；6—砂反滤层；7—混合料反滤层；8—填筑河床砂卵石；9—坝基砂卵石
心墙的厚度应根据土料的允许渗透坡降来确定，保证心墙在渗透坡降作用下不至于被破坏，有时也需考虑控制下游浸润线的要求。
轻壤土的允许渗透坡降为3～4，壤土为4～6，黏土为6～8。心墙顶部的水平宽度不宜小于3m，心墙底部厚度不宜小于作用水头的1/4。心墙的两侧坡度一般为1∶0.15～1∶0.3，有些两侧坡度可达1∶0.4～1∶0.5。
心墙的顶部应高出设计洪水位0.30～0.60m，且不低于校核水位，当有可靠的防浪墙时，心墙顶部高程也不应低于设计洪水位。
心墙顶部与坝顶之间应设置保护层，以防止冻结、干燥等因素的影响，并按结构要求不小于1m，一般为1.5～2.5m。
心墙与坝壳之间应设置过渡层。过渡层的要求可以比反滤层的要求低，一般采用级配较好、抗风化的细粒石料和砂砾石料。过渡层除具有一定的反滤作用外，主要还是为了避免防渗体与坝壳两种刚度相差较大的土料之间刚度的突然变化，使应力传递均匀，防止防渗体产生裂缝，或控制裂缝的发展。
心墙与坝基及两岸必须有可靠的连接。对土基，一般采用黏性土截水槽［图1.12(a)］；对岩基，一般采用混凝土垫座或混凝土齿墙［图2.12(b)、(c)］。
图2.12 心墙与地基的连接
1—截水槽；2—混凝土垫座；3—混凝土齿墙；4—灌浆孔
2.3.1.2 土质斜墙
土质斜墙位于土石坝坝体上游面，如图2.13所示。它是土石坝中常见的一种防渗结构。填筑材料与土质心墙材料相近。
图2.13 某黏土斜墙坝（单位：m）
1—黏土斜墙；2—黏土铺盖；3—砂砾石坝壳；4—砂砾石地基；5—混凝土齿墙
斜墙的厚度应根据土壤的允许渗透坡降和结构的稳定性来确定，有时也需考虑控制下游浸润线的要求以及渗透流量的要求。斜墙顶部的水平宽度不宜小于3m；斜墙底部的厚度应不小于作用水头的1/5。
墙顶应高出设计洪水位0.60～0.80m，且不低于校核水位。同样，如有可靠的防浪墙，斜墙顶部也不应低于设计洪水位。
斜墙顶部与坝顶之间应设置保护层，以防止冻结、干燥等因素的影响，并按结构要求不小于1m，一般为1.5～2.5m。
斜墙及过渡层的两侧坡度，主要取决于土坝稳定计算的结果，一般外坡应为1∶2.0～1∶2.5，内坡为1∶1.5～1∶2.0。
斜墙的上游侧坡面和斜墙的顶部，必须设置保护层。其目的是防止斜墙被冲刷、冻裂或干裂，一般用砂、砂砾石、卵石或碎石等砌筑而成。保护层的厚度不得小于冰冻和干燥深度，一般为2～3m。
斜墙与坝壳之间应设置过渡层。过渡层的作用、构造要求等与心墙和坝体间的过渡层类似，但由于斜墙在受力后更容易变形，因此对斜墙后过渡层的要求应适当高一些，且常设置为两层。斜墙与保护层之间的过渡层可适当简单，当保护层的材料比较合适时，可只设一层，有时甚至可以不设保护层。
2.3.1.3 非土料防渗体
非土料防渗体也称为人工材料防渗体，包括沥青混凝土或钢筋混凝土做成的防渗体。
1.沥青混凝土防渗体
沥青混凝土具有较好的塑性和柔性，渗透系数很小，为1×10-7～1×10-10cm/s，防渗和适应变形的能力均较好；产生裂缝时有一定的自行愈合的功能；施工受气候的影响小，是一种合适的防渗材料。沥青混凝土可以做成心墙，见图2.14，也可以做成斜墙。
图2.14 某沥青混凝土心墙防护坝
沥青混凝土心墙不受气候和日照的影响，可减缓沥青的老化速度，对抗震也有利，但检修困难。沥青混凝土心墙底部厚度一般为坝高的1/60～1/40，且不少于0.4m；顶部厚度不少于0.3m。心墙两侧应设置过渡层。
沥青混凝土斜墙铺筑在厚1～3cm、由碎石或砾石做成的垫层和3～4cm厚的沥青碎石基垫上，以调节坝体变形。沥青混凝土斜墙一般厚20cm，分层铺填碾压，每层厚3～6cm。沥青混凝土斜墙上游侧坡度不应陡于1∶1.6～1∶1.7。
2.钢筋混凝土防渗体
钢筋混凝土心墙已较少使用。钢筋混凝土心墙底部厚度一般为坝高的1/40～1/20，顶部厚度不少于0.3m。心墙两侧应设置过渡层。
钢筋混凝土面板一般不用于以砂砾石为坝壳材料的土石坝，因为土石坝坝面沉降大，而且不均匀，面板容易产生裂缝。钢筋混凝土面板主要用于堆石坝中。
2.3.2 坝体排水
土石坝坝身排水设施的主要作用是：①降低坝体浸润线，防止渗流逸出处的渗透变形，增强坝坡的稳定性；②防止坝坡受冻胀破坏；③有时也起降低孔隙水压力的作用。
1.堆石棱体排水
堆石棱体排水（图2.15）是在坝趾处用块石堆筑而成的，也称为排水棱体或滤水坝趾。堆石棱体排水能降低坝体浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷，同时还可支撑坝体，增加坝的稳定性。堆石棱体排水工作可靠，便于观测和检修，是目前使用最为广泛的一种坝体排水设施，多设置在下游有水的地方。
棱体排水顶部高程应超出下游最高水位。对1级、2级坝，不应小于1.0m；对3～5级坝，不应小于0.5m；并应超过波浪沿坡面的爬高；顶部高程应使坝体浸润线距坝面的距离大于该地区冻结深度；顶部宽度应根据施工条件和检查观测需要确定，且不宜少于1.0m；应避免在棱体上游坡脚处出现锐角。棱体的内坡坡度一般为1∶1～1∶1.5，外坡坡度一般为1∶1.5～1∶2.0。排水体与坝体及地基之间应设置反滤层。
2.贴坡排水
贴坡排水（图2.16）是一种直接紧贴下游坝坡表面铺设的排水设施，不伸入坝体内部。因此，又称表面排水。贴坡排水不能缩短渗径，也不影响浸润线的位置，但它能防止渗流溢出点处土体发生渗透破坏，提高下游坝坡的抗渗稳定性和抗冲刷的能力。贴坡排水构造简单，用料节省，施工方便，易于检修。
图2.15 堆石棱体排水示意图（单位：m）
1—下游坝坡；2—浸润线；3—棱体排水；4—反滤层
图2.16 贴坡排水示意图（单位：m）
1—浸润线；2—护坡；3—反滤层；4—排水体；5—排水沟
贴坡排水顶部高程应高于坝体浸润线出逸点，且应使坝体浸润线在该地区的冻结深度以下。对1级、2级坝，不应小于2.0m；对3～5级坝，不应小于1.5m；并应超过波浪沿坡面的爬高；底脚应设置排水沟或排水体；材料应满足防浪护坡的要求。
贴坡排水单独使用时，主要用于周期性被淹没的、坝的滩地部分的下游坝坡上。贴坡排水常用于与其他排水设施结合在一起使用，形成组合式排水。
贴坡排水一般由1～2层足够均匀的块石组成，从而保证有很高的渗透系数。石块的粒径应根据在下游波浪的作用下坝面的稳定条件来确定。下游最高水位以上的贴坡排水，可只填筑砾石或碎石。
贴坡排水砌石或堆石与下游坡面之间应设置反滤层。
图2.17 褥垫排水
1—护坡；2—浸润线；3—排水体；4—反滤层
3.褥垫排水
褥垫排水（图2.17）是设在坝体基部、从坝趾部位沿坝底向上游方向伸展的水平排水设施。
褥垫排水的主要作用是降低坝内浸润线。褥垫伸入坝体越长，降低坝内浸润线的作用越大，但越长也越不经济。因此，褥垫伸入坝内的长度以不大于坝底宽度的1/4～1/3为宜。褥垫排水一般采用粒径均匀的块石，厚度为0.4～0.5m。在褥垫排水的周围，应设置反滤层。
褥垫排水一般设置在下游无水的情况。但由于褥垫排水对地基不均匀沉降的适应性较差，且难以检修，因此在工程中很少应用。
4.组合式排水
组合式排水（图2.18）是为了充分发挥不同排水设施的功效，根据工程的需要，采用两种或两种以上的排水设施型式组合而成的排水设施。
图2.18 组合式排水示意图
2.3.3 坝顶及护坡
2.3.3.1 坝顶
坝顶一般采用碎石、单层砌石、沥青或混凝土路面。如坝顶有公路交通要求，坝顶结构应满足公路交通路面的有关规定。坝顶上游侧常设防浪墙，见图2.19，防浪墙应坚固、不透水。一般采用浆砌石或钢筋混凝土筑成，墙底应与坝体中的防渗体紧密连接。坝顶下游一般设路边石或栏杆。坝顶面应向两侧或一侧倾斜，形成2%～3%的坡度，以便排除雨水。
图2.19 坝顶构造（单位：m）
1—斜墙；2—回填土；3—碎石路面
2.3.3.2 护坡
护坡的主要作用：保护坝坡免受波浪和降雨的冲刷；防止坝体的黏性土发生冻结、膨胀、收缩现象。对坝表面为土、砂、砂砾石等材料的土石坝，其上、下游均应设置专门的护坡。对堆石坝，可采用堆石材料中的粗颗粒料或超径石做护坡。
1.上游护坡
上游护坡可采用抛石、干砌石、浆砌石、混凝土块（板）或沥青混凝土，如图2.20和图2.21所示，其中以砌块石护坡最常用。根据风浪大小，干砌石护坡可采用单层砌石或双层砌石，单层砌石厚为0.3～0.35m，双层砌石厚为0.4～0.6m，下面铺设0.15～0.25m厚的碎石或砾石垫层。
图2.20 干砌石护坡（单位：m）
1—干砌石；2—垫层；3—坝体
图2.21 混凝土板护坡（单位：cm）
1—矩形混凝土板；2—六角形混凝土板；3—碎石或砾石；4—结合缝
护坡范围上至坝顶，下至水库最低水位2.5m以下，4级、5级坝可减至1.5m，不高的坝或最低水位不确定时常护至坝底。上游护坡在马道及坡脚应设置基座以增加稳定性。
2.下游护坡
下游护坡可采用草皮、碎石或块石等，其中草皮护坡是最经济的形式之一。草皮厚度一般为0.05～0.10m，且在草皮下部一般先铺垫一层厚0.2～0.3m的腐殖土。
下游面护坡的覆盖范围应由坝顶护至排水棱体；无排水棱体时，应护至坝脚。如坝体为堆石、碎石或卵石填筑，可不设护坡。
2.3.4 坝体各部分对土料的要求
1.均质坝
均质坝的土料应具有一定的抗渗性能，其渗透系数不宜大于1×10-4cm/s；要求粒径小于0.005mm的颗粒的含量不大于40%，一般以10%～30%为宜；有机质含量(按质量计)不大于5%。常用的是砂质黏土和壤土。
2.心墙坝和斜墙坝的坝壳
坝壳土石料主要是为了保持坝体的稳定性，一般要求有较高的强度。下游坝壳水下部分及上游坝壳水位变化区宜有较高的透水性，且具有抗渗和抗震稳定性。砂、砾石、卵石、漂石、碎石等无黏性土料，料场开采的石料、开挖的石渣料，均可作为坝壳填料。均匀的中、细砂及粉砂一般只能用于坝壳的干燥区，因在地震作用下，用于浸润线以下坝区时易发生液化。
坝壳土石料应优先选用不均匀和连续级配的砂石料，一般认为不均匀系数Cu（d60/d30）在30～100时较易压实，Cu<5～10时则压实性不好。
3.土质防渗体
防渗土料一般要求渗透系数不大于1×10-5cm/s，与坝壳材料的渗透系数之比不大于1/1000；水溶盐含量(易溶盐和中溶盐，按质量计)应不大于3%，有机质含量应不大于2%。塑性和渗透稳定性较好；浸水和失水时体积变化小。
用于填筑防渗体的砾石土，粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%，最大粒径不宜大于150mm或铺填厚度的2/3，0.075mm以下的颗粒含量不应小于15%。填筑时不得发生粗料集中架空现象。
有几种黏性土料不宜作为防渗体土料：塑性指数大于20和液限大于40%的冲积黏土；膨胀土；开挖、压实困难的干硬黏土；冻土；分散性黏土。
4.排水设施和砌石护坡用石料
排水设备和砌石护坡所用的石料，要求具有较高抗压强度，良好的抗水性、抗冻性和抗风化性的块石。块石料重度应大于22kN/m3，岩石孔隙率不应大于3%，吸水率（按孔隙体积比计算）不应大于0.8；其饱和抗压强度不小于40～50MPa，软化系数不应大于0.75～0.85。
2.3.5 填筑标准
土石料的填筑标准是指土料的压实程度及其适宜含水量。一般情况下，土石料压得越密实，即干密度越大，其抗剪强度、抗渗性、抗压缩性也越好，可使坝坡较陡、剖面缩小。但过大的密实度，需要增加碾压费用，往往不一定经济，工期还可能延长。因此，应综合分析各种条件，并通过试验合理地确定土料的填筑标准，达到既安全又经济的目的。
1.黏性土的填筑标准
对不含砾或含少量砾的黏性土料的填筑标准应以压实度和最优含水率作为设计控制指标。设计干密度应以击实最大干密度乘以压实度求得。
对于1、2级坝和高坝的压实度为0.98～1.00，对于3级中、低坝及其以下的中坝压实度为0.96～0.98。
2.非黏性土料的填筑标准
非黏性土料是填筑坝体或坝壳的主要材料之一，对它的填筑密度也应有严格的要求，以便提高其抗剪强度和变形模量，增加坝体稳定和减小变形，防止砂土料的液化。它的压密程度一般与含水量关系不大，而与粒径级配和压实功能有密切关系。压密程度一般用相对密度Dr来表示。
砂砾石的相对密度不应低于0.75，砂的相对密度不应低于0.70，反滤料的相对密度宜为0.70。砂砾石粗粒料含量小于50%时，应保证细料（小于5mm的颗粒）的相对密度也符合上述要求。
堆石的填筑标准宜以孔隙率为设计控制标准。土质防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝的堆石料，其孔隙率宜为20%～28%。
【问题3】 坝体排水设备拟定。选用棱体排水，尺寸为：顶宽2m，内坡1∶1.5；外坡1∶2.0；顶部高出下游最高水位1.0～2.0m，故顶部高程为340.10m。在排水设备与坝体和土基接合处设反滤层。试绘制坝体剖面图。