第四节 围堰工程

一、围堰形式及适用条件

1.土石围堰

土石围堰是用当地材料填筑而成的围堰，土石围堰的优点是可以就地取材和充分利用开挖弃料作围堰填料，对基础适应性强，堰基易于处理，且构造简单，施工方便，易于拆除，施工工期一般较短，工程造价较低。土石围堰型式在工程中被广泛采用，设计时应优先选用。

因土石围堰断面较大，一般用于横向围堰。但在宽阔河床以及有条件在岸边开挖导流明渠的工程中，如果围堰束窄河床增加的流速不大，也可作为纵向围堰，但需注意防冲设计，以保围堰安全。纵向土石围堰的迎水面流速宜控制在5m/s以内，并应尽量避免产生泡漩、回流紊乱等恶劣流态。若围堰坡脚流速大于5m/s，则应研究专门的防冲措施。常用的防冲结构有抛石防冲体、钢筋石笼、混凝土防冲板等。

2.混凝土围堰

混凝土围堰具有抗冲能力大、断面尺寸小、易于与永久混凝土建筑物相连接、堰体允许过水等优点，但也存在造价高、施工条件严格、工期较长等缺点。混凝土围堰型式多采用重力式围堰，主要原因是结构及施工均较简单。我国三门峡、丹江口、盐锅峡、三峡等枢纽的混凝土纵向围堰，均为重力式混凝土围堰。为了节约混凝土工程量，加快施工进度，采用混凝土拱围堰的枢纽也不少。巴西伊泰普水电站明渠围堰、龙羊峡水电站上游围堰、大朝山水电站上游过水围堰等均采用混凝土拱围堰形式。混凝土拱围堰要求两岸有较好的拱座条件，对基础要求较高。

混凝土围堰一般要求直接修筑在基岩上，并要求有干地施工条件。在流水中修筑混凝土围堰则比较困难。在施工队伍具有丰富水下作业经验以及水深、流速不大的情况下，水下修筑混凝土围堰也是可能的。我国乌江渡、凤滩等水电站工程均采用水下施工修筑混凝土围堰施工方案，而且非常成功。

混凝土围堰过去多采用常态混凝土浇筑，现在有普遍采用碾压混凝土浇筑的趋势。碾压混凝土围堰造价低，施工简便，可缩短工期，在有条件时应优先采用。三峡混凝土纵向围堰（坝身段除外）以及三期上游混凝土围堰，岩滩水电站上、下游过水围堰，清江隔河岩水电站上游过水围堰，万安水电站二期上游过水围堰等均采用碾压混凝土围堰。

3.浆砌石围堰

浆砌石围堰所用的石料一般就地取材，所用水泥、砂的消耗量较混凝土围堰少，投资也较省。其抗冲性能好，且施工期允许过水。浆砌块石围堰需在干地施工，以保证砌石质量。若具备水下施工条件，可将水下部位浇筑混凝土，水上部分采用浆砌块石。浆砌块石围堰挡水高度不大，需有大量熟练圬工工人参与施工，施工进度较慢。

4.草土围堰

草土围堰是我国劳动人民在黄河治水堵口采用的传统方法，具有悠久历史。这是一种草土混合结构，施工简单，可就地取材，造价低，易于拆除，一般适于施工水深不大于6m，流速3.0m/s以下，围堰高度不大的情况。草土围堰始于1956年兰州自来水公司在黄河修建取水工程，后来引入水利工程作围堰。盐锅峡、八盘峡以及汉江上游石泉水利枢纽均采用过草土围堰。

5.木笼围堰

木笼围堰是由框格木结构，内填块石组成的围堰型式。这种围堰具有断面小和抗冲能力强的特点，但木材消耗较多。施工时要求有一定的水深浮运木笼。木笼与基础面接触部分的防渗需潜水工下水作业，施工技术难度大，要求精度高，工程造价也较高。木笼围堰一般不宜高于15m。我国最高木笼围堰为西津电站围堰，高18m，木结构设计复杂，抗冲流速可达6m/s。20世纪50年代在黄潭口、新安江水电站工程中曾经采用木笼围堰。由于木笼围堰需消耗大量木材，对环境保护不利，因此应用受到限制，目前一般不采用。

6.钢板桩格形围堰

钢板桩格形围堰由“一字形”钢板桩与异形连接板组成的格体和联弧段构成。格体和联弧段内均填充土石料，以维持围堰的稳定。因受锁口强度限制，单排圆筒最大挡水水头不应大于30m。

钢板桩格型围堰可以修建在岩基上或非岩基上，堰顶浇筑混凝土盖板后也可用作过水围堰用，修建和拆除可以高度机械化、断面小、抗冲能力强、安全可靠、钢板桩尚可回收。欧美诸国采用较多，如美国马克兰德水电站厂房围堰、美国肯塔基水电站围堰等。我国葛洲坝工程曾采用圆筒形格型钢板桩围堰作为纵向围堰的—部分。另外，还有双排钢板桩围堰、单壁钢板桩围堰等型式，如广东番禺雁洲水闸一期、二期围堰均采用双排钢板桩围堰。

二、围堰的平面布置

围堰的平面布置主要包括围堰外形轮廓布置和确定堰内基坑范围两个问题。外形轮廓不仅与导流泄水建筑物的布置有关，而且取决于围堰种类、地质条件以及对防冲措施的考虑。堰内基坑范围大小则主要取决于枢纽建筑物主体工程的轮廓和相应的施工要求。当采用—次拦断导流时，围堰基坑是由上、下游围堰和河床两岸围成的。当采用分期导流时，围堰基坑是由纵向围堰与上、下游横向围堰围成。在上述两种情况下，上、下游横向围堰的布置，都取决于枢纽建筑物主体工程的开挖轮廓。通常基坑坡趾距离枢纽建筑物主体工程开挖轮廓线的距离，不应小于20～30m，以便布置排水设施和交通运输道路、堆放材料和模板等（见图2-5）。至于基坑开挖边坡的大小，则与地质条件有关。

当采用一次拦断导流时，上、下游围堰不存在突出的绕流问题。为了减少工程量，围堰多与主河道垂直。当采用分期导流时，为使水流顺畅，纵向围堰常顺直布置或布置成曲线形，上、下游端常设翼堰、导水堤等，以改善水流状态，避免侧向水流、涡流等对围堰及其基础的冲刷；而上、下游横向围堰一般与纵向围堰斜交布置（交角宜控制在90°～120°之间），使基坑的平面布置常呈梯形，这样既可使水流顺畅，同时，也便于运输道路的布置和衔接。当纵向围堰不作为永久建筑物的一部分时，基坑坡趾距离主体工程轮廓的距离，一般不小于2.0m，以便布置排水导流系统和堆放材料，如果无此要求，只需留0.4～0.6m。

实际工程的基坑形状和大小往往是很不相同的，有时可以利用地形以减少围堰的高度和长度；有时为照顾个别建筑物施工的需要，将围堰轴线布置成折线形；有时为了避开岸边较大的溪沟，也采用折线布置。为了保证基坑开挖和主体建筑物的正常施工，基坑范围应当留有一定富余。

图2-5 围堰布置与基坑范围示意图 （单位：m）

（a）平面图；（b）A—A剖面；（c）B—B剖面

1—主体工程轴线；2—主体工程轮廓；3—基坑；4—上游横向围堰；5—下游横向围堰；6—纵向围堰

三、土石围堰

（一）围堰堰体设计与计算

1.断面型式与构造

土石围堰的基本断面型式由于材料构造不同，可分为：①均匀土质围堰（单种土质）；②多种土质混合围堰；③防渗斜墙土石围堰（见图2-6）；④防渗心墙土石围堰，分刚性心墙（见图2-7）和塑性心墙（见图2-8）两种。

图2-6 防渗斜墙土石围堰示意图

（a）斜墙式；（b）斜墙带水平铺盖式

1—堆石体；2—黏土斜墙铺盖；3—反滤层；4—护面；5—隔水层；6—覆盖层

图2-7 刚性心墙土石围堰示意图

1—混凝土防渗心墙；2—砂砾石；3—覆盖层；4—基岩顶板线

图2-8 塑性心墙围堰示意图

1—黏土心墙；2—砂砾石；3—覆盖层；4—基岩顶板线

2.断面尺寸的设计

（1）围堰顶高程的设计。土石围堰顶在设计洪水静水位以上应有一段超高，其高度应当避免堰顶溢流的发生，如果是砌石围堰或混凝土围堰，堰顶短时漫流是允许的。设计洪水位以上的堰顶超高可按式（2-21）确定：

式中 d——土石围堰在静水位以上的超高，m；

e——堰前因风吹而使静水位超出库水位的壅水高度，m；

h_q——波浪在堰坡上的爬高，m；

δ——波浪以上的安全超高（按表2-5选用），m。

根据荷兰劳利兹委员会的公式：

式中 W——风速，m／s；

D——吹程，km；

H——堰前水深，m；

α——风向与围堰轴线的法线方向所成的交角。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274）推荐的公式：

式中 W——计算风速，m/s；

D——风区长度，m；

K——综合摩阻系数，取3.6×10^-6；

H_m——风区内水域平均水深，可取堰前水深，m；

β——风向与围堰轴线的法线方向所成的交角。

h_q的计算公式繁多，可参用式（2-23）计算：

式中 2h——波浪高（其计算可参考有关专著）；

θ——迎水堰面坡角，（°）；

K——堰坡护面粗糙系数（块石K=0.77，混凝土等光滑护坡K=0.9～1.0）。

（2）堰顶宽及构造。堰顶宽度及其构造按交通情况及防汛抢险情况而定。

1）无行车要求的堰顶宽度，按表2-11确定。

2）如堰顶有行车道，其顶宽按通过围堰的道路等级而定。

3）如堰顶考虑防汛抢险，其宽度尚需考虑增加子堤或堆筑材料。

堰顶可铺以砂卵石、碎石或混凝土，堰顶两侧应设排水，坡度为2%～3%。

（3）围堰细部构造。

1）均匀土质围堰。均匀土质围堰的土料，应该具有足够的不透水性和稳定性，渗透系数应小于10^-4cm／s，围堰土料最好是用壤土，其黏粒含量10%～含黏量30%为宜左右。含黏量30%～50%的黏壤土，也可作为围堰填料；但含黏量大于50%～60%时，这种土料将给围堰带来很多不利影响，一般不宜采用。纯黏土更是围堰填料的禁忌，因它受潮易滑陷，其中水分遇冻即膨胀，而干时易开裂。淤泥不能填筑围堰，是由于它的坡度缓，断面大，具有不均匀沉陷的特性。

砂土是透水的，若用砂土筑围堰，断面很大，将大大增加造价。如使用砂土作围堰填料，应当将其配置在背水坡的一面。在迎水坡面，应填以不透水壤土（约占断面的30%～40%左右），用粉砂及冻土填筑围堰是不合适的。

对含有有机混合物和水溶盐的土壤，因围堰运用时间短，不作特殊限制。护坡及堆石用料，应具有足够的抗压和抗冲能力。用作反滤层的砂的含泥量不应大于10%。

若坝址附近没有足够储量满足上述各条件的均质土料，应改用其他围堰型式。

2）塑性斜墙围堰。在围堰迎水坡设置斜墙，斜墙土料与心墙的材料相同，斜墙围堰的背水部分堰体填料一般用较易透水材料做成，其中仅有极小部分被水饱和，有较好的稳定性。修建斜墙时，必须遵循下列基本条件：

①黏土、壤土或砾石土斜墙，应按其高度逐渐向下加厚。

②土质斜墙常为水下施工，其填筑碾压条件一般难以达到心墙的施工要求，对堰体沉陷的适应能力也较心墙差。因此，斜墙断面应比心墙稍厚，其顶部厚度一般为1.0～3.0m，底部厚度可比心墙适当加厚。

③为防止斜墙的表面冲刷、干裂、冰冻以及迎水面裂缝，需在斜墙表面覆盖保护层。保护层为砂砾石，水下厚度不小于1.5m，水位以上厚度则不应小于冻层厚度。

④直接与斜墙迎背水面连在一起的填料，应按反滤料要求配置。

当斜墙基础为透水层时，为了减少渗透流量和满足基础渗透稳定要求，堰前应设铺盖，通常对铺盖土料的基本要求同斜墙一样。铺盖长度一般根据接触允许渗透坡降而定，通常为水头的3～4倍，但有时可达15～20倍。铺盖厚度应依铺盖填料的透水性，以及土质的种类和性质来规定，一般1m左右。但若为水下抛投铺盖，由于未经碾压，铺盖厚度要加厚。其厚度应满足抗渗及抛填机械的最小抛投厚度要求。为防止铺盖水下抛投与斜墙接头处的不均匀沉陷而产生的断裂，在该处铺盖要加厚，一般为3～4m。砾石土作水下抛填铺盖时，为了防止分离形成通道，使用时要进行充分论证。

心墙与斜墙的底部宽度，在使用壤土材料时，要进行满足允许坡降的校核。允许坡降在未取得试验值前，可以用下列参考数据：

砂壤土： i=3

壤 土： i=3～5

黏 土： i=5～10

3）刚性斜墙围堰。一般采用混凝土作斜墙。其水下部分的防渗结构，可用混凝土防渗墙连接，也可用帷幕灌浆防渗。刚性斜墙围堰结构复杂，容易因堰体沉陷过大引起斜墙裂缝，一般不予采用。

4）塑性心墙围堰。塑性心墙可分两大类。一类是由塑性混凝土、沥青混凝土、自凝灰浆和固化灰浆等材料组成的防渗体，其适应围堰变形能力较好，已取得很多成功的经验；另一类是采用黏土及黏壤土，或砂和黏土按比例配合的土料填筑而成的防渗体。该种心墙常做成梯形断面，其上下游坡度为1∶0.2～1∶0.4的陡坡。按反滤的原理，心墙的迎、背水面用较粗粒透水料做成，靠近心墙部分用细料做成过渡带。按照施工条件和保证心墙安全的要求，应该遵循下列基本原则：

①心墙应该修建在不透水层（黏土类）、相对不透水层或基岩上，而且应特别注意与基础的结合。

②心墙自上而下逐渐加厚。顶上部厚度不小于0.8～1.0m，下底部厚度不小于1/10～1/8水头，且不能少于3.0m。心墙厚度需根据土料的防渗性能、压实程度及其允许渗透坡降确定。一般土壤的允许渗透坡降J为：砂壤土J=3，壤土J=3～5，黏土J=5～10。由于心墙不易检修，底部厚度不宜过小，一般都大于1/4水头。当心墙为水下抛填时，其厚度更应加大，常做成厚断面心墙。

③干填心墙采用砾石土时，砾石（粒径0.5～2.0cm）含量以不大于70%～75%为宜。

5）刚性心墙围堰。刚性心墙可分为混凝土心墙、钢筋混凝土心墙，钢板桩、木板桩心墙等。

①混凝土心墙。一般要求干地施工，并建在岩基上，使心墙与地基良好连接。如果地基覆盖层较深，不便开挖时，也可采用冲击钻造孔，用混凝土防渗墙与心墙连接。混凝土心墙断面呈等腰梯形，其坡度约为15∶1～30∶1，顶部厚度一般不小于0.5m，底部厚度按允许水力梯度的承担水头而定，一般为水头的1/8～1/15。为防止混凝土裂缝，心墙沿轴线方向每15～30m设置一条垂直伸缩缝，缝间设止水。

②钢筋混凝土心墙。钢筋混凝上心墙断面一般也应为等腰梯形，边坡度为50∶1～100∶1。心墙顶部的厚度应不小于0.3m；中、大型围堰心墙的底部厚度，应按刚性心墙的计算而定，小型围堰心墙可取堰高的1／12～1／15为其底部厚度。

③混凝土防渗墙是用机械成槽浇筑水下混凝土而形成的防渗墙体。它对不同基础的适应性强，在地基防渗处理中得到广泛应用。其结构型式有单排墙和双排墙等。混凝土防渗墙一般允许水力坡降为80～100。三峡工程二期上游围堰，最大挡水水头85m，其中河床中部162m采用双排墙，墙厚1.0m，两墙间距6m，设横隔墙连成整体。

④钢板桩心墙用于当地无防渗材料低水头围堰（12～15m）。钢板桩可从堰顶打入。为了保证钢板桩的顺利插打，在钢板桩心墙10m范围内的填料，10～15cm的卵石不能超过10%。这种心墙的优点是钢板桩可以回收，施工较冲击钻防渗墙快而且经济。木板心墙适用挡水水头10m以下，用两层木板夹柏油油毛毡防渗，为了防止堰体变形引起心墙断裂，木板沿轴线方向每隔10～15m设一垂直缝，其接头用软接头连接。

6）护坡。上游围堰护坡主要用途是防风浪冲刷，下游围堰护坡除防风浪外还需考虑防涌浪冲刷。从一些工程实践看，下游围堰的涌浪冲刷，比风浪更为严重。护坡范围由抗风浪冲击控制时，运行期从最低水位以下2m扩至堰顶，由抗冲流速控制时，从堰底护至堰顶。常用护坡型式有：

①堆石护坡。根据抗冲流速确定的块石粒径，用自卸汽车抛石，推土机整平，一般厚度为0.5～1.0m。堆石块径需根据抗冲要求确定，一般为10～30cm。堆石下面需设砂砾石垫层。垫层厚度需按滤层要求设计，一般为0.3～0.5cm。

②砌石护坡。常采用15～30cm石块人工嵌砌，其厚度可比堆石护坡减少1/2，一般单层厚度为0.2～0.35m，但垫层要求级配良好。在北方严寒地区，砌石和垫层的总厚度还应大于冰冻深度。

③混凝土护坡：混凝土护坡一般采用1.5m×3m～3m×3m、厚度0.15～0.2m的块体。

④其他型式护坡。有钢筋石笼、沥青混凝土、梢捆、木板等护坡。

7）排水结构。围堰的排水结构一般为堆石棱体，可结合截流戗堤布置结合考虑。设计时必须遵循下列条件：

①应高出基坑水位1m以上。

②当基坑无水时，排水结构顶宽最小为0.5～2m，内坡为1∶1～1∶1.25，外坡为1∶1.5。

③迎水面应设置反滤层。

8）两岸围堰与地基及其他建筑物的连接。均质围堰与地基的连接，只要将渗水性较大的沉积物或风化破碎岩石清除干净即可。斜墙和心墙土石围堰与岸坡及其他建筑物（如混凝土导墙、纵向围堰等）的接头设计与土石坝接头原理相同，主要是通过扩大接触面和设置混凝土齿墙嵌入岸坡的方法，以延长防渗体的接触渗径，防止集中绕渗破坏。连接部位扩大防渗体断面的要求，应根据允许渗透坡降确定，一般可将原断面扩大2.0～3.0倍，使接触面宽度不小于0.5～1.0倍水头。土石围堰与混凝土纵向围堰的接头，通常采用刺墙形式插入土石围堰的塑性防渗体中，并将接头处的防渗体断面扩大，以保证在任一高程处均能满足绕流渗径长度要求。土石围堰与岸坡连接，应将岸坡处渗透性很大、稳定性很差的坡积物全部清除，但不得清理成台阶式，也不允许有反坡，岩石岸坡的清理坡度应不陡于1∶0.5～1∶0.75，土质岸坡的清理坡度应不陡于1∶1.0～1∶1.5。在陡于l∶1.5的坡度上修建的混凝土齿墙，为了增加墙的稳定，其基座沿坝轴线方向应开挖成阶梯形。

3.坡度的确定及稳定计算

围堰边坡的确定，应根据填料和基础土料组成的性质、运用荷载条件进行稳定校核计算。

（1）土石围堰稳定破坏的形式。土石围堰稳定破坏有滑动、液化和塑性流动三种形式。

1）堰坡滑动。堰坡滑动是由于堰体的边坡太陡，堰体填土的抗剪强度太小，致使塌滑面以外的土体滑动力矩超过抗滑力矩，因而发生塌滑；或由于堰基土的抗剪强度不足，因而堰体堰基一同发生滑动，尤其当堰基存在软弱土层时，滑动往往是沿着该软弱层发生。因此堰坡的滑动面可能是圆柱面、折面、平面或者是更加复杂的形状。

2）土的液化。土的液化是发生在用细砂或均匀得不够紧密的砂料做成的堰体中，或由这种砂料所组成的堰基中。液化的原因是由于饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩，这时砂土孔隙中的水分不能立即排出，部分或全部有效应力即转变为中和应力（孔隙压力），砂的抗剪强度减少或变为零，砂粒也就随着水的流动而向四周流动。如果砂的有效粒径越小，不均匀系数越小，孔隙比越大，透水性越小，受力体积越大和受力越猛，砂土发生液化的可能性也越大。液化往往是突然的，当基坑放炮、打桩振动、大型机械行走振动及地震时，可能产生大体积的液化。

3）土石围堰的塑流稳定。由于堰体或堰基的剪应力超过了土料实际具有的抗剪强度不能承受荷载，使土体失掉了固体的性质，致使堰基及堰体被压出而隆起。在围堰施工期，当在水中抛填黏土料时，土料尚未固结，但围堰上部急需加高，其上部的加荷可能造成水中填土的塑流破坏。

进行土石围堰堰坡稳定计算时，应杜绝以上三种破坏稳定现象。尤其前两者必须加以计算及研究。在深水中抛土（特别是深水和软基），上部迅速加高时，需要核算其塑流稳定。

（2）围堰边坡初拟。土石坝及土石围堰运用历史悠久，有极丰富的实践资料，在初拟断面时可见表2-12的数据取用。

（3）围堰边坡稳定计算。

1）计算荷载。

①自重。

黏性土：黏土堰体将长期保持其填筑含水量。固结与蒸发只能散失少量水分，故计算其自重时，在水面以上部分，可按湿容重计算式（2-24）为：

式中 γ_w——湿容重，kN/m³；

γ_d——填筑时的干容重，kN／m³；

ω——填筑时的含水量。

在水面以下部分，按浮容重计算式（2-25）为：

式中 γ_b——浮容重，kN/m³；

η——孔隙率；

γ——水容重，kN/m³。

在浸润线以下，水面以上的堰体部分，滑动时饱和容重按式（2-26）计算：

式中 γ_s——饱和容重，kN/m³。

砂土：湿容重、浮容重、饱和容重均可根据以上黏土公式计算，一般砂的含水量仅能保持在3%～10%范围。

堰坡堆石及排水堆石：水面以上按干容重计算，水位降落时，块石中的水分立即排出，故不论水位突降或缓降，在水位以上者均为干容重，计算式（2-27）为：

式中 γ_p——堆石干容重，kN/m³；

γ_n——块石容重，kN/m³；

η——堆石孔隙率。

在水面以下均为浮容重时，按式（2-28）计算：

式中 γ_pb——堆石浮容重，kN/m³。

自重压力等于其上之土柱高度乘土的容重，各段容重不同，分别乘不同容重，然后再相加。

②水压力、冰压力、浪压力。由于土石围堰体积很大，没有倾覆问题，也没有受上述荷载作用发生滑动的问题，所以这些作用力不必计算，混凝土围堰则需考虑上述荷载。

③渗透压力。当渗透水通过土体，土体受到渗水的动水压力，其方向与渗流方向相同，渗透压力的大小，可按K·泰沙基式（2-29）计算：

式中 F——作用于土的单位面积上渗透压力，kN／m³；

I——渗透水的水力比降；

γ_w——水的容重，kN/m³。

土石围堰的渗透压力，由下列渗透形式所形成。

正常运行情况，渗透自上游向下游时所产生的稳定流见图2-9（a）。

图2-9 稳定流与不稳定流示意图

（a）稳定流；（b）不稳定流

上游水位下降时，在迎水坡产生不稳定渗流，见图2-9（b），水位自1—1降至2—2时，堰体孔隙中所含的水自坡面流出。当上游水位降低速度很快（ΔH&gt；3m／d）时，渗压对堰坡影响很大，需要进行堰前水位骤降的稳定核算。

在计算骤降渗透区的渗压力作用对堰坡稳定的影响时，对浸润线以下、静水位以上土体，可近似在计算滑动力时用饱和容重，计算抗滑力时用浮容重。

2）计算方法及公式。围堰边坡稳定计算，视组成的填料性质而定。

①非黏性土坡的稳定计算式（2-30）为：

式中 K——土坡稳定安全系数；

W——土体重量，kN；

Wsinα——滑动力，kN；

Wcosαtanφ——抗滑力，kN；

α——坡度夹角；

φ——土壤摩擦角。

②黏性土坡的稳定计算。当堰体是均质黏土或由多种土质组成时，其滑裂面接近圆柱面，可用圆弧滑动面法进行计算（见图2-10）。其稳定计算式（2-31）为：

式中 K——安全系数；

W——土体重量，kN；

∑cL——总凝聚力，kN；

c——抗剪断凝聚力，kN；

L——弧长，m。

根据式（2-31），必须计算出很多个不同圆弧的安全系数，寻找最危险滑裂圆弧安全系数。

③改良圆弧法。当堰基存在软弱土层，或围堰施工过程中，在剖面形成软弱夹层，应当用改良圆弧法进行堰坡稳定计算。改良圆弧法与瑞典圆弧法基本假定不同之处，在于此法假定土块的合力是水平地作用于相邻的土块上（见图2-11），而瑞典圆弧法则假定推力是与各点滑弧平行的，其相邻的土块侧推力当作内力考虑，其稳定安全系数计算式（2-32） 为：

图2-10 圆弧滑动面示意图

图2-11 改良圆弧法示意图

式中 P_n——抗滑力，kN；

P_a——滑动力，kN；

W——土体BB′C′C的有效重量（见图2-11），kN；

c、φ——软弱夹层的凝聚力及内摩擦角。

最小稳定系数K的求法，即先设法求出P_n+S的最小值或P_a的最大值，然后计算求出的就是最小稳定安全系数。

对于斜墙土石围堰，应进行斜墙及保护层的稳定分析，一般采用折线法计算，详细计算参考有关土坝设计书籍。

（二）土石围堰施工设计

1.设计标准及条件

（1）施工设计流量。围堰施工设计流量按本章第一节“施工导流标准”有关规定选择。

（2）控制性进度。编制围堰控制性进度要根据总进度要求确定围堰截流时间、各月上升控制性高程、基坑抽水时间、围堰挡水发电时间及水位等。

（3）施工通航要求。有通航要求的河道，要减少围堰施工对其产生的影响。

2.料场规划

（1）料场的规划原则。

1）应选择土料集中，离填筑地点较近，开采运输条件较好，有效量较多的料场为主要料场，其土料储量应比设计需要量大1倍，砂砾料应比设计需要量大50%。

2）备用料场的开采条件和分布特性要求可适当降低，储量可小于主要料场的20%。

3）为充分利用主体建筑物的开挖料并确保围堰填筑强度，应设置围堰填料堆存场。堆料场的位置应尽量靠近填筑地点，其高程和填筑部位相适应，按石料、防渗土料、砂砾料等分类堆存。

4）避免交叉干扰，尽可能做到左右岸、上下游都有料场。

5）先用可能被淹没，以及规划被建筑物覆盖部分的料场。

6）各料场或堆存场的开采、应用时间应与堰体要填筑部位施工进度一致。

（2）围堰土料选择。

1）防渗土料。

①围堰的防渗心墙或斜墙。往往选用黏性土料、砾质土（水上干填）为填筑材料成。砂质壤土的防渗系数为i×10^-5～i×10^-6cm／s；砂质黏土的渗透系数为i×10^-5～i×10^-8cm／s；黏土渗透系数为i×10^-7～i×10^-10cm／s（i的数值可为1～9）。心墙和斜墙的渗透系数小于10^-4～10^-9cm／s，即可满足要求，因为做堰壳的砂砾透水料的渗透系数一般为10^-2～10^-3cm／s，比不透水料的渗透系数大100倍。但对于防渗铺盖，其渗透系数宜小于地基的100～200倍以上。

②土的可塑性。塑性指数大于7的土可用作防渗材料，塑性指数过大，则黏粒含量太高（黏粒含量大于60%），一般不宜采用，塑性指数小于7的可用作弱透水料或半透水料。

③不透水料的黏粒含量。黏粒含量太大，土块不易分散，含水量不易均匀，施工操作困难。肥黏土填筑后含水量降低，堰体表面容易干缩。对均质围堰，黏粒含量为10%～30%的砂质或粉质壤土最为适宜。对塑性心墙或斜墙，用黏粒含量45%～50%的黏土。黏粒含量达50%～60%的肥黏土，最好不采用，特别不能用于均质围堰。

④有机混合物及水溶性盐类含量。对于永久性土坝，规定有机混合物含量不超过5%，水溶性盐类不超过8%，但对于土石围堰，可以放宽标准。

⑤水中抛土崩解速度。在流水中抛土崩解速度慢的流失量较少。

⑥砾质土。砾质土作为水上干填防渗料，无论在抗剪强度、防渗、压实或沉陷方面都是优良的，要求粒径大于2mm的砾石含量不要超过50%～55%，一般最大粒径不应超过每层压实土厚的3／4。深水抛投的防渗土料，不宜采用砾质土，因为抛投过程中土壤容易分离成层，形成通道。

2）堰壳填料。围堰堰壳的填料，要尽量利用主体建筑物的开挖弃料和其他土石料。通常认为不均匀系数η达到30～100的土料（η=d₆₀／d₁₀）是级配好的土料。均匀的砂料压实性能不好，动力荷载作用下（大型汽车震动、铁路过堰、水平震动等），容易发生液化。天然孔隙率在43%～45%以上，有效直径小于0.1mm及不均匀系数小于5的圆粒细砂，特别容易液化，不宜用作填料。为了加快围堰填筑进度，堰壳尽量不用黏性土料。

3）石料。土石围堰所用石料，包括堆石、护坡块石、滤水坝址排水棱体块石及截流戗堤块石。

①护坡、截流戗堤及排水棱体的块石。修建护坡、排水棱体及截流戗堤的石料，要能抵抗冲刷、抗风化和冰冻作用，并具有较好的抗水性（不在水中软化和溶蚀）。块石的用石指标如下：饱和抗压强度应不小于40～50MPa；软化系数应大于0.7；岩石孔隙率不应大于3%；岩石的容重应大于2.2t／m³。

②碾压式堰身的石料。原则上各种坚硬石料、石渣、软弱岩以及主体建筑物开挖的石渣，均可作为围堰堰身的筑坝石料。粒径小于5mm的细料以少于30%为宜。填筑堆石最大粒径，当采用振动碾压时，只要小于铺土厚度即可。

4）反滤料。作为围堰反滤料用的砂砾石和卵石要求具有：①透水性大，其渗透系数至少大于被保护土渗透系数的50～100倍；②一定的抗剪强度、没有塑性；③抗水性和抗冻性；④粒径小于0.1mm的颗粒（即含泥量）不应大于5%（按重量），不应含有粒径小于0.05mm的粉土和黏土颗粒，心墙两侧的过渡层之含泥量可放宽5%～12%。

5）水中抛土料。作为围堰铺盖水中抛土料，考虑水中填土筑堰的技术要求，应具有：①标准土块（5cm×5cm×5cm）浸水后在10min内，有2／3以上崩解；②在填筑好后，其渗透系数在堰内宜小于1×10^-6cm/s；③土块尺寸不应超过8～10cm，土料不允许成粉状；④土料适宜的黏粒含量为8%～30%，天然含水量不小于6%，也不大于1.2W（塑限），太干太湿的土料均不适宜。

（3）设计开采方量计算式（2-33）为：

式中 V——设计开采方量，m³；

V ₀——设计计算方量，m³；

K _压——压实系数（见表2-13）；

μ——损耗系数（见表2-14）。

（4）堆料场面积估算。

1）块石堆场面积估算。根据装载机械的技术可行性，按表2-15估算料场堆放面积后，尚需考虑堆放任意性因素，要求附加30%面积。不同料物按规格分别堆放，其间应留施工设备运行车道，车道宽度不小于8～12m。

2）土料堆场面积估算。黏土料堆存应设置在易于排水的坡地上，每个堆场面积在30m×60m以内，边坡1∶2，外部拍打或拖拉机碾压，一般堆土高度4～6m，其堆存面积估算如下：

式中 F——堆存面积，m²；

F ₀——堆放场净面积，m²；

a——面积利用系数，取0.7。

3.施工进度编制

（1）编制原则。

1）施工进度应包括围堰截流工程的准备工程（道路修筑、料场开采、堆存等）和围堰体施工需要的时间和强度。

2）填筑进度应满足控制性工期的要求。

3）各月施工强度尽可能均衡。

4）最大填筑强度，最好控制在国内外目前已经达到的水平之内。

（2）编制方法。

1）依据围堰控制性工期及施工期分月水位的要求，拟定围堰各月填筑高程。

2）依据围堰断面结构的特点，制定施工程序、施工方法，划分施工阶段，规定围堰防渗料、砂砾料、石渣、块石、反滤料等各月进占长度、高程、范围及需完成的工程量。

3）计算各月强度及最大月强度、日强度。

4）在上述基础上进一步调整进度，使其更加合理。

4.施工方法和机械选择

（1）填料开采和运输。

（2）坝面作业。

（3）垂直防渗措施及其施工。

（4）施工强度的计算。

（5）机械选择和数量确定。

四、过水土石围堰

土石围堰高程只拦挡枯水期的水位，并在围堰上用大块石、钢筋石笼、加筋混凝土或沥青混凝土等材料做护面，将土石围堰的堰顶及背水坡保护起来，堰脚设置消能防冲结构；洪水期，除由导流泄水建筑物泄流外，大部分流量从土石围堰顶溢走，这种围堰称之为过水土石围堰。过水土石围堰将挡水结构和泄水结构紧密结合成一体，可大大降低导流费用。在洪枯比大的山区河流，及江面狭窄两岸陡峻的自然条件下，采用过水围堰形式是十分合理的。

过水土石围堰种类较多，现按盖面形式分为三种，即混凝土溢流面板、大块石护面、加筋与钢丝网护面。

（一）混凝土溢流面板过水土石围堰

因采用的消能方式不同，这种围堰又可分为以下三类。

1.混凝土溢流面板陡槽式

这种形式面板与岩基上的混凝土挡墙相接，溢流面结构可靠，整体性好，能宣泄较大的单宽流量，尤其在堰后水深较小，不可能形成面流式水跃衔接时，可考虑采用这种形式。上犹江工程的过水围堰，高14m以上，包括覆盖层在内则超过20m，堰顶曾通过流量为1820m³/s的洪水，单宽流量约40m³/（s·m），该围堰就是采用这种护面形式，如图2-12所示。

这种形式的过水围堰，主要缺点是施工干扰大，特别是在覆盖层较厚的河床上。这种施工干扰可从施工程序图（图2-13中）中明显看出。为了将混凝土挡墙建在岩基上，首先需利用围堰临时断面挡水［见图2-13（a）］，然后进行基坑排水，开挖覆盖层，再浇挡墙［见图2-13（b）］，当挡墙达到要求强度后，才允许回填堰身块石，最后进行溢流面板的施工［见图2-13（c）］。

图2-12 上犹江工程过水围堰示意图

1—砂砾地基；2—反滤层；3—柴排护底；4—堆石体；5—黏土防渗斜墙；6—毛石混凝土挡墙；7—回填块石；8—干砌块石；9—混凝土溢流面板；10—块石护面；11—混凝土护面；12—黏土顶盖；13—水泥灌浆；14—排水孔

图2-13 上犹江工程过水围堰施工程序示意图

（a）临时断面挡水；（b）基堰排水，挖覆盖层，浇挡墙；（c）溢流面板施工

2.堰后护坡顺坡式

这种形式的特点是堰后不做挡墙，而是采用大型竹笼、铅丝笼、梢捆、柴排或其他形式的柔性排护底。这种形式简化了施工程序，可以争取工期，溢流面结构不必等基坑抽完水，即可基本完成。当覆盖层很厚时，这种形式更有利。设计时要尽可能形成面流式水跃衔接，对防冲护底有利。柘溪工程采用了这种形式的过水围堰，如图2-14所示。

柘溪工程围堰的下游坡面，有约50cm高的范围处于水跃区，原设计用混凝土溢流面板，施工中临时改为钢筋骨架铅丝笼护面。经过五次溢流［最大单宽流量约10m³/（s·m）］部分铅丝笼内块石全被冲走，钢筋和铅丝已扭在一起，坡面遭到局部破坏。与两岸接头的溢流面上，因水流集中，冲刷更为严重，个别地方冲深达2.0～5.0m。实践证明，在水跃区若流速大于6m／s，坡面结构仍以混凝土溢流面板为宜。

图2-14 柘溪工程过水围堰示意图

1—混凝土溢流面板；2—钢筋骨架铅丝笼护面；3—竹笼护面；4—竹笼护底；5—木笼；6—块石护面；7—黏土斜墙；8—过渡带；9—水下抛石；10—回填块石；11—灌浆帷幕；12—覆盖层；13—基岩

3.坡面挑流平台式

这种形式借助平台挑流形成面流式水跃衔接，使平台以下护面结构大为简化。由于坡面平台可高出合龙后的基坑水位，所以不需等待基坑排水，溢流面结构即可形成。我国七里泷工程和非洲的卡博拉巴萨工程就曾采用这种过水围堰形式，见图2-15。由于面流式衔接条件受堰后水深影响较大，因此，在堰后水深较大，且水位上升较快时，采用这种围堰形式较为适宜。卡博拉巴萨下游过水围堰的混凝土护面板为7m×7m×2.5m。施工期曾通过流量约为7000m³/s的洪水，单宽流量约为74m³/（s·m），过水时堰体稳定性良好。

图2-15 卡博拉巴萨工程的下游过水围堰示意图 （单位：m）

1—混凝土溢流面板；2—钢板桩；3—灌浆；4—抛石体；5—覆盖层

（二）大块石护面过水土石围堰

大块石护面过水土石坝是—种比较古老的坝型，我国在小型工程中采用得较为普遍。作为大型水利水电工程的过水围堰，国内还很少采用。国外有些堆石坝工程施工期要过水，有些工程的堆石围堰高度太大，需分两年施工，未完建的堆石围堰汛期要过水，曾采用过大块石护面方法。赞比西河上的卡里巴工程和苏丹的露色里斯工程的土石过水围堰是规模较大的块石护面过水土石围堰实例。卡里巴工程的土石过水围堰，堰高23m，堰体由开挖石渣和料场石料筑成，石块的平均重量约为250kg，围堰总方量约10万m³，于1957年枯水期建成，1958年3月围堰过水，流量约17000m³/s，堰顶水深达20m，单宽过水流量约100m³/（s·m）。露色里斯工程围堰，堰高22m，堰体材料为粒径6～130cm的块石，围堰总方量约为8.5万m³，1963年围堰过水，流量为8700m³/s，堰顶水深约5m，单宽过水流量为18m³/（s·m）。

大块石护面过水堆石围堰如图2-16所示。设计断面一般分两期施工，第一期临时断面是在截流闭气后，适当加高培厚而成。临时断面只需保证抽干基坑和满足枯水期施工即可。第二期施工是在临时断面保护下进行的，包括加高培厚，修筑堰顶和下游坡护面。这样修筑的大块石护面与堰体堆石不同，护面块石尺寸控制严格、嵌填紧密，所以具有较高的抗冲能力。

图2-16 大块石护面过水堆石围堰示意图

1—一期临时挡水断面；2—设计断面；3—防渗体；4—堆石体；5—大块石护面

图2-17 加筋过水堆石围堰断面图

1—水平向主锚筋；2—钢筋网；3—防渗体；4—堆石体

（三）加筋过水堆石围堰

用钢筋网和锚筋来加固堆石体溢流面的方法，主要用于堆石坝过水的情况。国外已有不少实例，其中大部分堆石坝采用这种措施，都是为了施工期度汛过水，其作用与过水围堰相同。加筋过水堆石围堰，就是在围堰的溢流面上铺设钢筋网，以防止溢流面的块石被冲走。此外，在下游部位的堰体内埋设水平向主锚筋，以防止溢流面连同堰顶一起滑动。溢流面坡度可较混凝土面板坡度陡些，故造价一般较低，其断面如图2-17所示。

图2-18 加筋堆石体的钢筋网构造图

1—水平向主锚筋；2—纵向主筋；3—横向构造筋；4—横向加强筋

钢筋网及水平向主锚筋的构造如图2-18所示。钢筋网由纵向主筋、横向构造筋和横向加强筋组成。一般纵向主筋直径为10～29mm，间距为10～45cm；横向构造筋直径7～25mm，间距为15～22.5cm；横向加强筋直径为19～29mm，间距为1.5～3.0m。纵向主筋与横向构造筋所形成的网格尺寸应能框住护面块石，以免过水时块石被冲走。为防止钢筋网的隆起，可设横向钢筋加压。横向钢筋应放置在纵向主筋的下面，以防过水时被所挟带的杂物冲断。水平向主锚筋一般直径为19～38mm，垂直间距与横向加强筋间距相同，即为1.5～3.0m；水平间距0.5～1.5m。钢筋网与水平向主锚筋等均在工厂内预制，在现场装配。钢筋构件的连接可用电焊，也可用直径为15.9mm的U形螺栓，以便拆装。

加筋过水堆石围堰的施工顺序，如图2-19（a）所示，先修筑临时挡水断面，进行基坑排水，再干填一层堰体，铺设一层水平向主锚筋并安装一层钢筋网。为加快堰体填筑速度，应在安装下一层钢筋网的同时，把上一层钢筋网折叠在坡面上，待上一层堰体填完并铺设水平向主筋后，即可将折叠的钢筋网弯向设计位置，如图2-19（b）所示。

图2-19 加筋过水堆石围堰施工顺序图

（a）施工程序图；（b）钢筋安装图

1—临时挡水断面；2—堰体；3—水平向主锚筋；4—钢筋网；5—下一层钢筋网；6—上一层钢筋网；7—弯曲方向

五、混凝土围堰

（一）混凝土围堰适用范围

混凝土围堰是一种采用混凝土浇筑而成的围堰形式，主要由堰体浇筑断面和基础处理两部分组成。混凝土围堰具有断面尺寸小，易于布置，抗冲流速高，结构简单，运行维护方便等特点。围堰作为施工导流挡水建筑物，需要满足快速施工和拦挡洪水的要求，因此混凝土围堰一般采用碾压混凝土型式。按混凝土围堰结构形式分类，有以下两种型式。

1.重力式混凝土围堰

重力式混凝土围堰结构简单，对地基和混凝土强度要求较低，与相邻建筑物接头易于处理，便于机械化施工，但体积较大。

重力式混凝土围堰是一种被广泛采用的围堰形式，特别是围堰基础地质条件复杂，轴线较长的情况下，采用此种形式较为有利；对于分期导流的纵向围堰也多采用重力式混凝土围堰。

2.混凝土拱围堰

混凝土拱围堰在平面上形成拱向上游的弧形拱圈，作用在堰体的外荷载通过拱的作用传递到两岸堰基，依靠堰体混凝土和两岸堰肩岩体的支持，保证其稳定，这种围堰型式断面尺寸小，潜在安全度较重力式围堰高，是经济和安全性都比较优越的堰型。但拱形围堰对基础地质条件要求高，施工复杂，特别是堰肩岩体地质条件的优劣，是决定拱形围堰能否成立的关键，混凝土拱围堰只宜用于横向围堰。

（二）堰体断面设计

重力式围堰合理基本断面为三角形，纵向围堰两侧交替挡水，基本断面呈等腰三角形，断面尺寸需经过稳定和强度计算确定。

1.设计荷载组合及计算

（1）荷载组合。作用在堰体上的荷载有：自重力、静水压力、动水压力、扬压力、浪压力、冰压力、泥沙压力、土石压力及地震力，应根据具体情况进行荷载组合。

（2）荷载计算。

1）扬压力。堰基扬压力分布见图2-20及堰体扬压力分布图2-21，扬压力取值系数见表2-16。

图2-20 堰基扬压力分布图

图2-21 堰体扬压力分布图

2）静水压力。作用于堰体的静水压力根据设计洪水位确定。

3）泥沙压力。

式中 P_n——在铅直面上泥沙对堰体基点的压力强度，kN／m²；

γ_n——泥沙浮容重，kN/m³；

φ_n——泥沙内摩擦角，（°）；

h_n——堰体基点以上的淤沙厚度，m。

4）浪压力：

式中 h₁——浪高，m；

v——库面风速，m／s；

D——库面波浪吹程，km；

L ₁——波浪长，m；

h ₀——波浪中心线高出静水面的高度，m。

图2-22 浪压力分布图

浪压力分布如图2-22所示。

5）冰压力。静冰压力为库面冰层膨胀而对建筑物产生的压力，可按表2-17中数据进行核算。从表中选用单位面积静冰压力，乘以冰厚，即为作用在堰体单位长度上的静冰压力。

动冰压力为库面冰块对建筑物产生的冲击压力，可按式（2-37）计算：

式中 K_b——系数（决定于流冰的抗压碎强度R_b，R_b=1.0MPa时，K_b=4.3；R_b=0.5MPa时，K_b=3.0；R_b=0.3MPa时，K_b=2.36）；

v_b——冰块流速，m/s，一般不大于0.6m/s；

d_b——冰块厚度，m；

A_b——冰块面积，m²。

6）地震荷载。由于围堰为临时建筑物，运行期短，一般不考虑地震荷载。

2.堰体应力计算

重力式混凝土围堰一般按材料力学方法计算应力。作为控制指标，对于高度大，地质条件复杂的围堰，尚需进行模型试验，按弹性理论法或有限单元法分析研究。

（1）基础应力计算。作用于堰体断面堰基截面上的垂直正应力σ_y一般按偏心受压式（2-38）计算：

式中 σ_y——堰基面垂直正应力，N／m²；

∑W——作用于单宽堰体上的全部荷载（包括或不包括扬压力）的法向分力总和，N；

∑M——作用于单宽堰体上的全部荷载（包括或不包括扬压力）对堰基截面形心轴的力矩总和，N·m；

A——堰基单宽长的截面积，m²；

J——单宽长堰基面截面积对形心轴的惯性矩，m⁴；

X——堰基面截面上计算点到形心轴的距离，m。

围堰基面所承受的最大垂直正应力σ_ymax应小于堰基允许压应力，且不应超过地基的允许压应力。

（2）堰体应力计算。对于重力式围堰，只要基础应力能满足要求，一般不需要进行堰体内部截面的强度计算，只对其边缘应力进行验算即可。边缘应力计算见表2-18。

根据岸坡堰块及双向挡水堰体的运行条件，堰基及堰体内部截面应力为双向荷载产生的应力之和，即：

对于高围堰结构，宜进行三维空间有限元应力分析。

（3）围堰运行期的应力标准。围堰在设计洪水位时，堰体最大主压应力应不大于混凝土允许压应力值，迎水面允许有0.1～0.15MPa以下的主拉应力，堰体内部及下游面允许有0.2MPa以下的主拉应力。

3.堰体稳定计算

（1）河床堰体段的稳定计算。

1）抗剪强度公式：

式中 K——抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数（K≥1.05）；

f——混凝土与堰基接触面或混凝土内部抗剪摩擦系数；

∑W——作用于堰体上的全部荷载对滑动平面的法向分力，kN；

∑P——作用于堰体上全部荷载对滑动平面的切向分力，kN。

2）抗剪断强度公式：

式中 K′——抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数（K′≥3）；

f′——堰体混凝土与堰基接触面或混凝土内部抗剪断摩擦系数；

∑W——作用于堰体上的全部荷载对滑动平面的法向分力；

∑P——作用于堰体上全部荷载对滑动平面的切向分力；

c′——堰体混凝土与堰基接触面或混凝土内部抗剪断凝聚力，Pa；

A——核算断面截面积，m²。

对于双向挡水堰体，∑P按矢量求合力后进行稳定计算。一般以抗剪断强度公式计算为准，抗剪强度公式为参考。摩擦系数f、f′及凝聚力c′，一般需根据试验确定，无试验资料时，可参考类似工程分析取值。此外，即使有了试验资料，还应根据基础条件、施工方法及其可能达到的清基标准，加以综合分析确定。

（2）岸坡堰段的稳定计算。岸坡堰段按堰体分块分别进行稳定计算。计算时，可将岸坡堰体段分作两部分，即斜坡段和平台段，再按式（2-42）进行核算：

式中 N₁——斜坡段垂直荷载在斜面上的法向分力，kN；

N ₂——平台段垂直荷载在假定滑动面上的法向分力，kN；

c′——堰体混凝土与堰基接触面的抗剪断凝聚力，Pa；

A——假定剪断面的截面积，m²；

f ₁，f₂——斜坡段和平台段堰体与基岩的抗剪断摩擦系数；

P ₁，P₂——斜坡段和平台段堰体自重在相应滑动面上的分力，kN。

当水库蓄水后，滑动力尚需考虑上游堰面的水压力等荷载，按矢量叠加求合力后再计算滑动稳定。

当堰基有软弱夹层，缓倾角结构面与不利断层组合时，还应核算堰体带动部分堰基的抗滑稳定性。

4.挡水断面的设计

（1）碾压混凝土重力围堰的断面设计在体形上应力求简单，便于施工。围堰顶宽一般为5～8m，上游面宜采用铅直或斜面。

（2）挡水围堰的基本断面为三角形，其顶点高程一般在堰顶附近，选在上游最高库水位；堰体上游面为折面时，起坡点的高程一般在H处（H为三角形高度）。

（3）重力围堰上游坝坡一般采用1∶0～1∶0.2，下游坝坡采用1∶0.6～1∶0.8。常用0.7～0.75。

（4）设计围堰断面时，可先进行经济断面选择，其选择方法有分层计算法、数解法和曲线法。分层计算法为将堰体断面分成若干层水平截面，自上而下逐层假定上、下游坝坡，根据荷载算出满足稳定和强度条件的断面，最后根据工程需要修改成实用断面。数解法和曲线法详见《水工设计手册》（第2版）第5卷混凝土坝。

（三）堰体构造设计

1.廊道系统

廊道有纵向廊道（平行于堰轴线）和横向廊道（垂直于堰轴线）两种。当堰体较高时，纵向廊道可分层设置。廊道内应有适宜的通风条件，每隔一定距离应设置竖井通至堰顶或下游堰外，否则，应配备人工通风系统。廊道上游侧至堰体上游面的距离一般为该处堰面水头的0.07～0.1倍，且不小于3m。廊道的断面应按其用途决定，一般采用城门洞形。基础灌浆廊道一般宽度为2.5～3.0m，高度为3.0～4.0m；基础排水廊道一般宽度为1.5～2.5m，高度为2.2～3.5m；交通廊道及其他廊道最小尺寸为宽1.2m，高2.2m。较长的基础灌浆廊道，每隔50～100m宜设置灌浆泵房，其纵向坡度应缓于45°；当岸坡基础陡于45°时，灌浆廊道可分层布置，用竖井连接。廊道周边一般为厚1～2m常态钢筋混凝土或富胶凝材料碾压混凝土。廊道底脚按需要设置排水沟，排水沟宽度一般为20～25cm，深20～30cm。排水沟通至集水井，底坡不应缓于1.5%。

2.堰体止水与排水

（1）堰体止水。碾压混凝土围堰横缝止水一般采用一道塑料止水带，对于高堰，可加设一道止水（紫铜片或塑料止水带）。止水设置位置通常距上游堰面0.5～2.0m，寒冷地区宜稍远。所有孔洞穿过堰体永久横缝时均应设一圈塑料止水带。当岸坡堰段基础开挖成陡坡（陡于1∶1）时，应设陡坡止水，陡坡止水一般采用止水槽形式。止水槽深0.4～0.6m，宽1～2m，并采用锚筋加固，预埋止水片与横缝止水对应。

对于特别重要的围堰，两道止水片之间还应设排水槽，止水片下游宜设排水孔以利排除渗水。

（2）堰体排水。堰体竖向排水系统的排水管一般设置在堰体上游防渗层后，排水管顶部按需要通至堰顶或堰体某一高程，其底部通至排水廊道、基础灌浆廊道内。排水管一般为预制的无砂混凝土管，也可采用钻孔或拔管等方法形成，管距为2.0～3.0m，内径为7～15cm。

3.堰体分缝分块

碾压混凝土围堰一般不应设置纵缝。对于分期施工堰体，温控措施复杂时，可将堰体改为常态混凝土浇筑，按要求设置纵缝、键槽，并对纵缝进行接缝灌浆及实行必要的并缝措施。

碾压混凝土围堰堰段间设置横缝，横缝间距与施工方法、施工时段、堰体混凝土分区及气候条件等因素有关，一般为20～50m；横缝一般为非暴露平面连续缝，可由切缝嵌金属片或用其他材料进行人工埋设造缝，也可设置非暴露平面的不连续诱导缝。诱导缝可采用钻孔、切缝、预埋等方法形成，但应严格控制缝距、方向及斜度，保证横缝的成缝条件。对于诱导缝，有时按需要可在其末端设置限制缝面扩展的应力释放孔，其孔径为300mm左右。

4.堰体混凝土分区

碾压混凝土的抗压强度一般采用90～180d龄期。当堰体开始承受荷载时间早于90～180d时，应进行核算，必要时可缩短龄期或调整标号。

堰体混凝土在不同部位和不同条件下的标号分区及其性能，可参照《混凝土重力坝设计规范》（SL 319）及其他有关规定执行。

碾压混凝土垫层通常采用常态混凝土，其厚度一般为1.0～1.5m。

碾压混凝土围堰上游堰面防渗层采用常态混凝土或富胶凝材料碾压混凝土。防渗层最小有效厚度一般为堰面水头的1／30～1／15，但不宜小于1.0m；防渗层混凝土抗渗标号的最小允许值为：H（水头）&lt；30m时为W₄；H=30～60m时为W₆；H=60～120m时为W₈；H&gt；120m时，应进行专门试验论证。鉴于碾压混凝土分层施工的特点，为确保围堰安全，碾压混凝土围堰上游堰面宜涂刷防渗材料。

（四）堰基处理设计

1.基础开挖

围堰基础开挖，应根据堰基应力、基岩强度、堰体抗滑稳定条件（抗滑参数的确定）及岩体完整性，结合上部结构对基础的要求，由地质和设计人员共同拟定基岩利用标准。

堰基开挖面不应向下游倾斜。若需要利用基岩表面向下游倾斜，则应开挖成大的水平台阶。台阶宽度和高度应与混凝土浇筑块大小、下游堰体厚度相适应。

平行围堰轴线方向的两岸岸坡，为满足堰体侧向稳定要求，应在斜坡上按堰体分缝开挖成台阶，并使围堰连续横缝位于平台上。开挖平台宽度一般约为堰体分块宽度的50%～70%，具体尺寸应由堰体施工期及运行期的侧向稳定计算成果来确定。

2.堰基帷幕灌浆

帷幕灌浆应尽可能布置在堰基的迎水面，使帷幕区不产生拉应力。帷幕灌浆采用斜幕灌比直幕灌的效果好，但施工较复杂，因而帷幕钻孔倾角常控制在0°～10°之间。

帷幕深度由基础岩石内不透水层深度、堰体挡水水头等因素确定。当堰基相对隔水层埋藏深度有明显界限时，帷幕深度按堰高伸入到基岩透水率q=5～10Lu等值线以下3～5m。当相对隔水层较深或分布无规律时，帷幕深度可在0.3～0.7倍H设计水头范围内选择。由两排以上钻孔组成的帷幕，其中一排钻孔必须达上述深度要求，其余各排的孔深可取设计深度的1／2～2／3倍。

帷幕灌浆排数在考虑帷幕上游区的固结灌浆对加强基础防渗作用后，一般高堰可采用2排，中、低堰可采用1排。帷幕灌浆孔孔距与基岩裂隙程度、钻孔排数以及灌浆压力等有关，一般应通过试验确定，无试验资料时，孔距可取1.5～3.0m，排距可比孔距略小。

3.基岩固结灌浆

固结灌浆主要根据基岩工程地质条件及堰体高度等因素确定，一般布置在堰踵、堰趾各1／4堰基宽度范围内；需加强帷幕灌浆时，可在帷幕上、下游各设一排固结灌浆。

固结灌浆孔孔深一般为5～8m，帷幕上游区固结灌浆孔可加深至8～15m；固结灌浆孔距及排距应通过试验确定，一般为3～4m。

4.基础排水

帷幕下游宜设基础排水。一般设一排主排水孔，对中、高堰还宜设辅助排水孔1～3排。主排水孔应在帷幕区以外，在堰基面上的排水孔与帷幕孔的距离一般不小于2m，主排水孔深度一般为防渗帷幕深度的0.4～0.6倍或设计水头的0.1～0.25倍，中、高堰主排水孔深度不应小于10m。主排水孔孔距一般为2～3m，孔径不小于110mm。辅助排水孔的深度一般为6～12m，孔距一般为3～5m，孔径不宜小于65mm。

5.断层破碎带和软弱夹层处理

（1）陡倾角（大于50°～70°）断层破碎带及软弱带，当其组成物质主要为坚硬的构造岩时，可将断层破碎带及其两侧风化岩石挖除或挖至较完整岩体。当断层破碎带的规模不大，但其组成物质以软弱构造岩为主时，可用混凝土塞加固，并满足混凝土塞梁的挠度（即基础沉陷）小于0.2～0.3mm要求。对宽度不大的破碎带，填塞深度一般为1～1.5倍的破碎带宽度。

（2）缓倾角（小于50°）断层破碎带及软弱带，对埋藏较浅的部位应予以挖除。对埋藏较深的部位，其顶部可用混凝土塞加固，下部沿破碎带打斜井（孔）、平洞，并回填混凝土，进行浅孔固结灌浆。

（3）对于断层破碎带或软弱带穿过帷幕体伸入水库区造成漏水通道时，可在帷幕线上沿断层破碎带的层面方向建造一道混凝土防渗墙，墙深与帷幕相等，或建造大型连锁孔柱墙，或在上游加黏土铺盖，或加深此部位的开挖深度并加密帷幕孔。

六、钢板桩格形围堰

（一）格形围堰的形式和适用范围

钢板桩格形围堰为重力式挡水建筑物，由一系列彼此相连的格体组成。格体是一种土和钢板桩组合而成的联合结构，是由横向拉力强的钢板桩连锁围成一定几何形状的封闭系统，形成外壳，然后在内填以土料而构成。

格形围堰按格体的平面形状可分为圆形、鼓形（也称扇形或隔墙形）和花瓣形三种基本形式（见图2-23）。

1.圆形格形围堰

这种围堰形式的最大优点是每个格体为独立稳定单元，一个格体的破坏一般不影响相邻格体，施工时每个格体可以单独回填，已建的格体可以作为相邻格体的施工平台，在急流中可以随建随填，因而在已建的格形围堰中大部分采用这种格体形式，特别是在横跨水流的横向围堰或施工困难的工程中，通常选用圆形格体。

这种形式围堰的缺点是格体的直径和高度受钢板桩锁口允许拉力限制，格体的设计高度一般在20m以下。

2.鼓形格形围堰

鼓形格体可以通过延长隔墙的方式来增加围堰的有效高度（仅格体的圆弧半径受板桩锁口允许拉力限制），因而能适应较高水头。

鼓形格形围堰格体形状简单，应力分布较均匀，钢板桩用量少，板桩的拼装和插打也较容易，所以这种格体也得到一定应用。这种形式围堰的缺点是每个格体不能单独稳定，格体不能单独回填，仅能在平静的水流中施工，一般用于平行水流的纵向围堰。

3.花瓣形格形围堰

这种形式围堰的每个格体也是一独立稳定单元，具有圆形格体的一些优点。花瓣形格体本身用十字隔墙加固，仅圆弧半径受板桩锁口允许拉力限制，能适应很高水头。在河道狭窄，基坑净空有限，围堰挡水高度大的情况下，常需采用这种格体。花瓣形格体结构复杂，所需板桩数量多，施工也较复杂，除少数工程曾用作纵向围堰外，一般很少采用。

钢板桩格形围堰目前按照格体高度大致可分为小型（12m以下）、中型（12～20m）、大型（20m以上）三类。已建格形围堰的格体最大高度达35m（美国俄亥俄河马克兰德厂房围堰），绝大多数在30m以下，所以这种形式围堰适用于中、低水头围堰工程。

图2-23 格形围堰格体平面布置图

（a）圆筒格体；（b）鼓形格体；（c）花瓣形格体

格形围堰可在岩基或非岩基上修建，可直接建在裸露的岩面上或光滑的混凝土表面上。在格体板桩需要穿过覆盖层打到岩石上时，需要考虑打桩的可能性，有时需在现场进行打桩试验来确定。对于粗砂或含少量漂砾的砂砾石，其打桩深度约为12～15m。在覆盖层深或含有大量漂砾、树干等情况下，打桩极其困难，可考虑将覆盖层部分或者全部挖除，使板桩可以打到基岩或将格体直接放在岩石上。非岩石基础的深砂层，需要考虑格体基础的渗透稳定性。以黏土为基础时，应对其强度和压缩性进行研究。粉砂或淤泥因抗剪强度低又不耐冲刷，不宜作为格形围堰基础。

格形围堰堰体本身能适应任何流速，在围堰基础会发生冲刷的地方，通常在格体迎水侧设置抛石戗堤，以防止淘刷围堰基础覆盖层和岩石。在格体顶部和背水侧采取适当保护措施情况下，围堰可以允许漫顶溢流。圆形格体在1.2m／s的流速以下可不加保护进行施工；当采用移动式挡板或自动升降台等专门设施时，在采用特殊措施情况下，允许施工流速可达4.5m／s以上。

（二）格形围堰使用的材料

格形围堰的格体由两种性质不同的材料，钢板桩外壳和内部填料所组成，只有在填料和板桩壁共同作用时，格体才稳定，所以格体板桩和填料的选择对格体的稳定是很重要的。

1.钢板桩

在格形结构中，板桩长度方向的弯曲强度不是主要的，应考虑的是板桩横向锁口抗拉强度，所以格体通常是采用直腹形板桩，也称“一字形”板桩。表2-19为国外常见的直腹形板桩尺寸和性能。格体板桩间允许偏转角一般为10°，各国厂家生产的板桩长度通常在25m以内。对于高的格体，施工时需要对板桩进行拼接加长。

钢板桩可以重复使用3～4次，用过的板桩锁口强度可能降低，需经试验重新确定，对高水头格形围堰宜用新板桩。

格形围堰格体板桩壁的相交处需使用特制的连接桩，连接桩形式有T形、Y形和十字形三种，通常由标准的直腹形板桩铆接或焊接而成，焊接的连接桩质量一般不易保证，应在工厂制造，严格控制质量。对于高、中格体宜选用铆接桩。

2.格体填料

格体内填料对格体抗滑、抗剪稳定、水平定位、格体浸润线位置和钢板桩锁口拉力值都有很大影响。因此，选择适宜的填料是非常重要的。对填料的一般要求是：必须具有较高的抗剪强度，应是不可压缩的；能自流排水，即填料内的水可以依靠重力通过排水孔排出；耐冲刷；具有一定的抗滑容重。通过对钢板桩格型围堰运行实测资料的分析比较，普遍认为格体填料宜采用级配均匀，含泥量（粒径小于0.1mm的含量）小于5%的砂砾石料和级配良好，含泥量不超过10%的粗砂。对于含泥量较大的砂砾石料，只要不是透水性太差的料均可以用，但其渗透系数须大于10^-2cm/s。粉砂抗剪强度低，不耐冲刷；黏土抗剪强度低，压缩性大，均不宜作填料。石渣可以作为填料，但透水性大，围堰渗透量也大。

（三）格形围堰的设计和计算

首先需收集设计格形围堰所需的有关水文气象、地形、工程地质、水工建筑物设计及施工现场条件等资料，并根据围堰的设计标准确定出设计条件，然后按下列步骤进行设计。

1.格体基本尺寸的初步拟定

格体的顶部高程决定于格体最高挡水位，非溢流格形围堰堰顶高程一般超过静水位0.5～1.5m。钢板桩本身的强度可直接承受1.5m的水头，设计中确定堰顶高程时，可以考虑使格体临水面板桩比其他部位板桩高出1.5m，以减少格体填料高度和板桩用量。

格形围堰的计算通常以一个假定的矩形围堰所代替，矩形格体与实际格体具有同样面积或截面模数，矩形格体的宽度为实际格体的平均宽度。初拟格体尺寸时，一般先确定格体的平均宽度，格形围堰的实际经验表明格体平均宽度与高度的比在0.75～1之间（平均约为0.85），格体通常是稳定的，小于0.75时，为增加格体的稳定性需要采取土石戗堤或拉杆支撑。

格体的平面几何尺寸可根据所选择的格体形式和与格体平均宽度的大致关系确定，或按有关钢板桩设计手册给出的格体几何尺寸与板桩数量关系表进行选取。通常圆形格体的平均宽度与格体直径的比约为0.85，鼓形格体平均宽度与格体最大宽度的比为0.9左右。

图2-24 作用于格体的外力及荷载示意图

P_w—水压力；P_a—迎水面主动土压力；P_p—背水面被动土压力；W—格体自重；q—填料上部附加荷载

2.作用于格体的外力和荷载

对于格体外力和荷载一般考虑下面基本荷载组合（见图2-24）。

格体自重计算中钢板桩的重量常忽略不计，格体填料的有效重量，浸润线以上按湿容重或干容重计算，浸润线以下按浮容重计算。

对于格体填料内的浸润线位置，设计中一般根据按实际经验确定，采用的浸润线为从迎水面最高水位至背水侧的一条向下倾斜的坡线，其坡度决定于填料的种类（见表2-20）。

3.格形围堰格体的稳定和强度计算

格形围堰的设计必须考虑到格体的各种可能破坏形式。通常对岩基上的格体需要验证沿基础面的抗滑稳定，抗倾覆稳定和抗剪稳定性；对于非岩基上格体除上述计算外，还需对板桩入土深度、基础土层的稳定、渗透稳定性进行计算分析，对于格体的强度计算主要是校核板桩的锁口抗拉强度。

（1）抗滑稳定计算。通常钢板桩格型围堰直接打穿河床覆盖层，建在基岩上。因此，对格体的稳定分析，应计算沿基岩及其底部的软弱夹层面的抗滑稳定安全系数。

基础面上的抗滑稳定安全系数为沿基础面的抗滑力与作用于格体的总水平力的比。

式中 K_s——抗滑稳定安全系数，K_s≥1.25；

f——格体填料与基础面的摩擦系数；

ω——作用于格体的垂直力的总和，N；

p——作用于格体的水平力的总和，N。

摩擦系数f一般取f=tanφ，其中φ为格体填料内摩擦角。基岩内含有软弱夹层时，应验算沿基岩内部软弱夹层的抗滑稳定性。

（2）抗倾覆稳定计算。格体在水压力作用下产生弯矩，迎水面钢板桩有向上滑动的趋势。若迎水侧钢板桩抬起，则可将格体内填料挤出，致使整个格体向背水侧倾覆破坏。计算表明，对于坐落在覆盖层很浅或没有覆盖层的岩基上的格型围堰，迎水面钢板桩抗抬动稳定往往成为拟定圆筒直径大小的控制条件。

抗倾覆稳定安全系数为格体趾部的有效阻力矩与倾覆总力矩的比，按式（2-44）计算：

式中 K₀——抗倾覆安全系数，K₀≥3；

M——对格体趾部的总阻力矩，N·m；

M ₀——对格体趾部的倾覆总力矩，N·m。

（3）抗剪稳定计算。格体内部的抗剪稳定性是指格体抵抗产生过大剪切变形的能力。格体抗剪安全系数为格体的剪阻力矩与对格体底部的变形力矩的比：

式中 K_v——抗剪稳定安全系数，K_v≥1.25；

M_r——对格体底部的剪阻力矩，N·m；

M_a——对格体底部的变形力矩，N·m。

格体对剪切变形的阻力矩由填料阻力矩M_f和板柱阻力矩M_s组成，即M_r=M_f+M_s，有关计算方法很多，下面有关剪切破坏的假定（图2-25）和计算公式应用广泛并具有一定代表性。

图2-25 剪切破坏面的形状

（a）太沙基；（b）柯敏斯；（c）舒纳伯利；（d）北岛

1）太沙基公式（垂直剪力法）：

式中 M_f——填料的剪阻力矩，N·m；

M_s——板桩壁剪阻力矩，N·m；

γ_m——内部填料的换算容重（为浸润线以上容重和浸润线以下浮容重的加权平均值），N／m³；

H——格体高度，m；

φ——填料内摩擦角，（°）；

f′——板桩锁口间摩擦系数，f′=0.3；

V——格体平均宽度与高度比，V=b／H；

K′、K″——填料的土石压力系数。

2）柯敏斯公式（水平剪力法）：

3）舒纳伯利公式：

式中 0.6&lt；V&lt；1.2，26°&lt；φ&lt；44°。

4）北岛公式：

允许格体少量变形： R₀=V²（3-Vcosφ）sinφ

不允许格体变形：

（4）板桩锁口抗拉强度计算。钢板桩格型围堰在回填料压力和水压力作用下产生环向拉力，由钢板桩锁口承受。为防止锁口破坏，格体爆裂失事，必须对钢板桩锁口抗拉强度进行核算。圆筒格体钢板桩锁口拉力主要由圆筒内水压力、填料土压力以及从节点板桩传来的连弧段上压力所产生的，其拉力值随圆筒高度而变化。

钢板桩锁口抗拉强度安全系数为板桩锁口极限抗拉强度与最大锁口拉力的比。

式中 K_i——锁口抗拉强度安全系数，K_i≥2；

t_n——锁口极限抗拉强度允许值，kN/m；

t——作用于板桩的锁口拉力，kN/m。

根据格体膨胀变形特性，作用于板桩的锁口拉力常取格体高度的底部1／4高程处计算，其环向拉力取决于该处水平应力P，P为水和土的压强之和。对于不同形式格体和板桩部位，t的计算公式为：

鼓形格体： L≥R时，t=PL

L≥R时，t=PR

圆形格体：

连弧段： t=PR

主格体与连弧段连接桩： t=PL/cosφ

式中 L——两主格体区段长度（即相邻两圆筒中心距一半），m；

R——主格体圆筒半径，m；

φ——连弧板桩与两圆筒圆心连线的交角。

4.格体围堰的布置和细部设计

格形围堰的布置首先需确定标准格体尺寸。标准格体不宜选择过多，通常采用同一尺寸的标准格体是经济合理的。格体可以沿直线或曲线布置，格体定线时需考虑到格体板桩间的固有联锁关系，以及格体与河岸、格体与已建水工建筑物或其他形式围堰的连接方式。

格形围堰格体本身一般不需采用专门的防渗措施。格体钢板桩壁在填料压力和内水压力作用下，锁口相互扣接，张拉很紧，其缝隙很小，一般不作防渗处理。若发现锁口松弛，洞锁口空隙渗水量较大，可在格体迎水侧抛撒锯末或炉灰等材料，逐渐将锁口空隙填充，以减小渗水量。为减少岩基上格体渗漏或防止格体填料从底部漏失掉，迎水面板桩必须打进基岩内0.3～0.6m。在基岩表面坚硬而裸露情况下，板桩贯入深度很浅时，迎水侧需采取止水措施，一般在迎水侧板桩外面浇0.5m厚水下混凝土或用水泥砂袋封底，基岩渗漏常用灌浆处理。

为降低格体内浸润线高程，格体需采取排水措施，一般是在背水侧板桩上开3cm直径排水孔，垂直间距为0.5～1m，水平间距1.2～2m（即在第三根或第五根板桩上开孔）。格体填料的透水性较差时必须采取强制性排水措施，在填料底部设置排水层。

（四）格形围堰的施工

格形围堰格体的施工是板桩安装、插打和填料回填等单一作业的重复，施工可高度机械化。格体施工的一般程序如下。

1.装置样架

格体施工所用样架是和格体平面形状相同的框架结构，在格体施工过程中用以临时支承板桩和作为工作平台。圆形格体的样架视现场施工条件和设备起吊能力设计成整体式或装配式。鼓形格体采用弓形样架，花瓣形格体由四个弓形样架装配而成，圆形或花瓣形格体的连弧段的样架一般由两段弧形工字梁组成。

样架设计通常采用4～8根锚柱支承，至少要有两个水平导环，间距不小于3m。

2.拼装板桩

拼装板桩时一般首先安装连接桩，就位一定要准确、铅直，用点焊或拉索固定在样架上。连接桩之间板桩拼装时，常按3～5块板桩一组由连接桩开始向中间进展，第三块板桩中有一块用点焊或拉索固定在样架上。较好的板桩架设方法是从格体两侧并列进行或两侧交替进行，以保持稳定，格体闭合时不应采用特殊闭合桩或用桩锤硬性打下。

3.打桩

板桩插打必须在同一格体的板桩全部安装完毕后进行。打桩应分阶段进行，围绕格体周围每次插打0.6～1.5m，直至达到适当高程为止，即岩基上格体每块板桩应打进岩石或终止在岩石上。非岩基上格体板桩打到设计所规定的入土深度。

打桩一般用汽锤，对于非黏性土采用振动锤很有效，但对黏土效果稍差。

4.格体回填

每个格体的板桩插打完毕后，格体需立即回填。圆形格体可单独进行回填，连弧段的回填必须在相邻圆形格体回填之后方可进行，而且在任何情况下不得超过相邻圆形格体中的填料高度，以保持圆形格体不致变形。鼓形格体需逐步回填，为防止隔墙歪曲和移动，相邻格体中填料间高差不得超过1～2m。花瓣形格体和圆形格体一样可以单独回填，但每个格体的相邻格室之间的高差应控制在1～2m以内。

格体内填料回填到格体高度的2／3左右时，格体就足够稳定，格体的样架就可以全部拆除。对于覆盖层或直接坐落在岩石上的格体，在样架拆除之前需回填部分填料压仓，以免样架拆除后格体倒塌或变形。

格体回填多采用水力冲填法，也可以用胶带运输机、索铲、合瓣式抓斗、自卸汽车进行回填。无论采用什么方法，在回填过程中应注意仓面平整，防止填料局部堆积造成格体变形。