第二节　挡水类建筑物

一、重力坝

（一）概述

1．重力坝的工作原理及特点

重力坝是由混凝土或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体由若干坝段组成。其工作原理是在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力等所引起的拉应力以满足强度要求。混凝土重力坝结构如图2－2－1所示。

重力坝之所以被广泛采用，主要因为它具有以下优点：

（1）工作安全，运用可靠。重力坝剖面尺寸大，坝内应力较小，筑坝应力较小，筑坝材料强度较高，耐久性好，抵抗洪水漫顶、渗漏、地震及战争破坏能力比较强，安全性较高。

（2）对地形、地质条件适应性较强。任何形状的河谷都可以修建重力坝。地质上除承载力低的软基和难以处理的断层、破碎带等构造的岩基外，均可建重力坝，甚至在土基上也可修建高度不大的重力坝。

（3）枢纽泄洪及导流问题容易解决。由于筑坝材料的抗冲能力强，所以施工期可以利用较低坝块或预留底孔导流，坝体可以做成溢流式，也可以在坝内不同高程设置排水孔，重力坝一般不需另设溢洪道或泄水涵洞。

（4）施工方便。大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑等环节都比较方便。在后期维护、扩建、修复等方面也比较简单。

（5）传力系统明确，便于分析与设计；运行期间的维护及检修工作量较少。但需采用防渗排水设施及温控措施。

但是，重力坝也存在以下缺点：

（1）重力坝剖面尺寸大，材料用量多，材料的强度得不到充分发挥。

（2）坝底扬压力较大。由于重力坝坝体与地基的接触面积大，相应的坝底扬压力大，对坝体稳定不利。

（3）水泥水化热较大。在施工期，混凝土凝结过程中产生大量的水化热，将引起坝体内温度和收缩应力，可能导致坝体产生裂缝。

2．重力坝的类型

（1）按坝的高度可分为低坝（坝高小于30m）、高坝（坝高大于70m）、中坝（坝高30～70m）。坝高是指坝基最低处（不含局部有深槽或井、洞部位）至坝顶的高度。

（2）按泄水条件可分为溢流重力坝和非溢流重力坝。溢流坝段和坝内设有泄水孔的坝段统称为泄水坝段，非溢流坝段也称挡水坝段。

（3）按筑坝材料可分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝。前者常用于重要的和较高的重力坝；后者可就地取材，节省水泥用量，且砌石技术易掌握，可用于中小型工程中。

（4）按结构形式可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、预应力重力坝、装配式重力坝等，如图2－2－2所示。

（二）非溢流重力坝的剖面设计

非溢流重力坝剖面形式及尺寸，将影响坝体荷载的计算、稳定和应力分析，因此，非溢流坝剖面的设计以及其他相关结构的布置，是重力坝设计的关键步骤。

重力坝断面设计的原则是在满足稳定、强度要求前提下，力求工程量小，外形轮廓简单，施工运用方便等。

1．重力坝的基本剖面

重力坝的基本剖面一般是指在水压力（水位与坝顶齐平）、自重和扬压力等主要荷载作用下，满足稳定、强度要求的最小三角形断面，如图2－2－3所示。

根据工程经验，一般上游坝坡坡率n＝0～0．2，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m＝0．6～0．8，坝底宽为坝高的0．7～0．9倍。

2．非溢流重力坝的实用剖面

重力坝的基本剖面是在简化条件下求得的，为了便于施工、运用、管理，还需对基本剖面进行修正，拟定出实用剖面。

（1）坝顶宽度。为了满足运用、施工和交通的需要，坝顶必须有一定的宽度。当有交通要求时，应按交通要求布置。一般情况坝顶宽度可采用坝高的8%～10%，且不小于3m。碾压混凝土坝坝顶宽不小于5m，当坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。

（2）坝顶高程。为了交通和运用管理的安全，非溢流重力坝的坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差为

（3）坝顶布置。坝顶结构布置的原则：安全、经济、合理、实用。坝顶建成矩形实体结构，必要时为移动式闸门启闭机铺设隐形轨道。坝顶设置排水，一般排向上游。坝顶防浪墙，高度一般为1．2m，厚度应能抵抗波浪及漂浮物的冲击，与坝体牢固地连在一起，防浪墙在坝体分缝处也留伸缩缝，缝内设止水。

常用的实用断面形式一般如图2－2－4所示。上游面铅直的坝面［图2－2－4（a）］形式适用于坝基抗剪断参数较大，由强度条件控制坝体断面的情况。同时，该断面形式便于坝内布设泄水孔或孔水管道的闸门和拦污设备等。上游面向上游倾斜坝面［图2－2－4（b）］适用于混凝土与基岩之间抗剪断参数较小的情况，倾斜的上游坝面可增加坝体自重和利用部分水重，以满足抗滑稳定要求。

（三）重力坝的作用及作用效应组合

1．重力坝上的作用

作用是指外界环境对水工建筑物的影响，是重力坝设计的主要依据之一。按其随时间的变异分为永久作用、可变作用、偶然作用。设计基准期内量值基本不变的作用称为永久作用，设计基准期内量值随时间的变化与平均值之比不可忽略的作用称为可变作用，设计基准期内可能短暂出现（且量值很大）或可能不出现的作用称为偶然作用。

永久作用包括：①结构自重和永久设备重；②土压力；③淤沙压力（枢纽建筑物有排沙设施时可列为可变作用）。

可变作用包括：①静水压力；②扬压力（包括渗透压力和浮托力）；③动水压力（包括水流冲击力、脉动压力）；④浪压力；⑤风荷载；⑥雪荷载；⑦冰压力（包括静冰压力和动冰压力）；⑧桥机、门机荷载；⑨温度作用。

偶然作用包括：①地震作用；②校核洪水位时的静水压力。

对于要进行设计的某一具体水工建筑物来说，设计时应正确选用其代表值、分项系数、有关参数和计算方法。

（1）自重（包括永久设备自重）。自重标准值等于自身的结构设计尺寸与其材料的重度乘积，方向垂直向下，作用点在其形心处。见式（2－2－2）：

计算自重时，坝上永久固定设备，如闸门、启闭机等重力也应计算在内，坝内较大孔洞应扣除。

（2）静水压力。静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载。分解为水平水压力（PH）和垂直水压力（PV），如图2－2－5所示。

（3）扬压力。扬压力包括浮托力和渗透压力。大坝挡水后，在上下游水头差的作用下，水将通过坝体、地基等的孔隙向下游渗透，由渗透引起的水压力称为渗透压力，由下游水深而引起的水压力称浮托力，渗透压力和浮托力之和称为扬压力。

坝基无防渗帷幕和排水孔幕时，坝踵处扬压力作用水头为H1，坝址处为H2，期间以直线连接，如图2－2－6（a）所示。

当坝基上游设防渗帷幕和排水孔时，坝底面上游坝踵处扬压力作用水头为H1，排水孔中心线处为H2＋α（H1－H2），下游坝址处为H2，期间各段以直线连接，如图2－2－6（b）所示。

当坝基上游设有防渗帷幕和上游主排水孔并设下游副排水孔及抽排系统时，坝踵处扬压力作用水头为H1，主、副排水孔中心线处分别为α1H1、α2H2，坝址处为H2，期间各段以直线连接，如图2－2－6（c）所示。

上述中的渗透压力强度系数α、扬压力强度系数α1及残余扬压力强度系数α2可参照表2－2－2采用。

（4）浪压力。由于风的作用，在水库内形成波浪，波浪作用于水工建筑物上的动水压力，其大小与波浪要素和坝前水深等因素有关。这里主要介绍适用于内陆峡谷水库的官厅公式。

1）波浪要素计算。波浪的几何要素如图2－2－7所示，主要包括平均波高（hm）、平均坡长（Lm）、波浪中心线高于静水面的高度（hz）。其值的大小与水面的宽阔程度、水域形状、风力、风向、库区的地形等条件有关。SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》规定，波浪要素宜根据拟建水库的具体条件，按下述情况计算。

对内陆的峡谷水库，宜按官厅公式计算各风浪要素值（适用于vo＜20m／s，风区长度D＜20km）：

2）直墙式挡水建筑物的波浪压力。对作用在铅直迎水面建筑物上的风浪压力，应根据建筑物前的水深情况，按以下三种波态分别计算，如图2－2－8所示。

a）当挡水建筑物迎水面前的水深H满足H≥Hcr和时，单位长度挡水建筑物迎水面上的浪压力按下式计算：

b）当H≥Hcr但时，坝前产生浅水波，单位长度的浪压力按下式计算：

c）当H＜Hcr时，则闸、坝前产生破碎波，单位长度上的波浪压力可按下式计算：

（5）淤沙压力。淤沙压力指入库水流挟带的泥沙在水库中淤积，淤积在坝前的泥沙对坝面产生的压力。

淤积的规律是从库首至坝前，随水深的增加而流速减小，沉积的粒径由粗到细，坝前淤积的是极细的泥沙，淤积泥沙的深度和内摩擦角随时间在变化，一般计算年限取50～100年。

单位坝长上的水平淤沙压力Ps为

对淤沙高度，应根据河流的水文泥沙特性和枢纽布置情况经计算确定，淤沙的浮容重和内摩擦角，一般可参照类似工程的实测资料分析确定；对淤积严重的工程，宜通过物理模型试验后确定。

2．作用（荷载）组合

常用的作用效应组合有：①基本组合（持久状况、短暂状况），指可能同时出现的永久作用、可变作用效应组合，其中持久状况下的基本组合称为长期组合，短暂状况下的基本组合称为短期组合；②偶然组合（偶然状况），指基本组合与一种可能出现的偶然作用的效应组合。

（四）重力坝的抗滑稳定分析

1．抗滑稳定计算截面的选取

重力坝的稳定应根据坝基的地质条件和坝体剖面形式，选择受力大、抗剪强度较低、最容易产生滑动的截面作为计算截面。重力坝抗滑稳定计算主要是核算沿坝基面及混凝土层面的抗滑稳定性。另外当坝基内有软弱夹层时，也应该核算其深层抗滑稳定性。

2．重力坝抗滑稳定计算

（1）抗滑稳定计算截面的选取。混凝土坝设永久性横缝，将坝体分成若干坝段，横缝不传力，坝段独立工作，无水平梁的作用。因此，稳定分析时取单独坝段或沿坝轴线方向取1m长进行计算。根据坝基地质条件和坝体剖面形式，应选择受力较大、抗剪强度低、最容易产生滑动的截面作为计算截面。

（2）坝体抗滑稳定计算。SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》规定，重力坝的抗滑稳定计算应用定值安全系数法，计算公式有抗剪强度公式和抗剪断强度公式。

1）抗剪强度公式。该方法适用于坝体与基岩胶结较差、滑动面上的阻滑力只计摩擦力不计黏聚力的情况。当滑动面为水平面时，如图2－2－9所示，抗滑稳定安全系数K为

当滑动面为倾向上游的倾斜面时，如图2－2－10所示，计算公式为

式中　β——接触面与水平面的夹角，（°）。

需要注意扬压力U应垂直于所计算的滑动面。当滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；倾向下游时，滑动力增大，抗滑力减小，对坝体稳定不利。在选择坝轴线和开挖基坑时，应尽可能考虑这一因素。

规范规定，f的最后选取应以野外和室内试验成果为基础，结合现场实际情况，参照地质条件类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设计人员研究确定。根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩的f值常取0．5～0．8。

摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与安全，f值越小，要求坝体剖面越大。

用抗剪强度公式设计时，各种荷载组合情况下的安全系数见表2－2－4。

2）抗剪断强度公式。该方法适用于坝体与基岩胶结良好的情况，滑动面上的阻力包括摩擦力和黏聚力，并直接通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪段强度的参数f′和c′。其抗滑稳定安全系数K′为

抗剪断参数的选定：在规划和可行性研究阶段，Ⅰ类岩石f′可取1．2～1．5，c′可取1．3～1．5MPa；Ⅱ类岩石f′可取1．0～1．3，c′可取1．1～1．3MPa；Ⅲ类岩石f′可取0．9～1．2，c′可取0．7～1．1MPa；Ⅳ类岩石f′可取0．7～0．9，c′可取0．3～0．7MPa。

用抗剪断强度公式设计时，各种荷载组合情况下的安全系数见表2－2－5。

（3）深层抗滑稳定分析。当坝基岩体内存在着不利的软弱夹层或缓倾角断层时，坝体有可能沿着坝基软弱面产生深层滑动，如图2－2－11所示，其计算原理与坝基面抗滑稳定计算相同。若实际工程中地基内存在相互切割的多条软弱夹层，构成多斜面深层滑动，计算时选择几个比较危险的滑动面进行试算，然后做出比较分析。

3．提高坝体抗滑稳定的工程措施

为了提高坝体的抗滑稳定性，常采用以下工程措施：

（1）设置倾斜的上游坝面，利用坝面上水重以增加稳定。当坝底面与基岩间的抗剪强度参数较小时，常将坝的上游面做成倾向上游，利用坝基上的水重来提高坝的抗滑稳定性。但应注意，上游面的坡度不宜过缓，应控制在1∶0．1～1∶0．2，否则，在上游坝面容易产生拉应力，对强度不利。

（2）采用有利的开挖轮廓线。开挖坝基时，最好利用岩面的自然坡度，使坝基面倾向上游，如图2－2－12（a）所示。有时，有意将坝踵高程降低，使坝基面倾向上游，如图2－2－12（b）所示，但这种做法将加大上游水压力，增加开挖量和浇筑量，故较少采用。当基岩比较固定时，可以开挖成锯齿状，形成局部倾向上游的斜面，如图2－2－12（c）所示，但能否开挖成齿状，主要取决于基岩节理裂隙的产状。

（3）设置齿墙。如图2－2－13（a）所示，当基岩内有倾向下游的软弱面时，可在坝踵部位设齿墙，切断较浅的软弱面，迫使可能的滑动面由abc成为a′b′c′，这样既增大了滑动体的重量，也增大了抗滑体的抗力。如在坝址部位设置齿墙，将坝址放在较好的岩层上［图2－2－13（b）］，则可更多地发挥抗力体的作用，在一定程度上改善了坝踵应力，同时由

于坝趾的压应力较大，设在坝趾下齿墙的抗剪能力也会相应增加。

（4）抽水降压措施。当下游水位较高、坝体承受的浮托力较大时，可考虑在坝基面设置排水系统，定时抽水以减少坝底浮托力。如我国的龚嘴水电站工程，下游水深达30m，采取抽水措施后，浮托力只按10m水深计算，节省了许多浇筑量。

（5）加固地基。包括帷幕灌浆、固结灌浆及断层、软弱夹层的处理等。

（五）溢流重力坝

在蓄水枢纽中修建重力坝，常将其河床部分做成溢流坝（段），用以泄洪。所以，溢流重力坝既是挡水建筑物，又是泄水建筑物，它主要承担泄洪保坝、输水供水、排沙、放空水库、施工导流等任务。

1．孔口设计

（1）孔口形式。溢流坝孔口形式有坝顶溢流式和设有胸墙的大孔口溢流式两种，如图2－2－14所示。

坝顶溢流式（开敞式）的溢流孔除宣泄洪水外，还能排除冰凌和其他漂浮物。坝顶可设或不设闸门，不设闸门的堰顶高程就是水库的正常蓄水位。该孔口形式的优点是结构简单、管理方便，仅适用于淹没损失不大的中小型工程。

大孔口溢流式上部设置胸墙，这种溢流孔的堰顶较低，胸墙的作用是降低闸门高度。这种形式的溢流孔可根据洪水预报提前放水，腾出较多的库容蓄洪水，从而提高调洪能力。

（2）孔口尺寸。溢流坝孔口尺寸拟定包括过水前缘总宽度，堰顶高程，孔口的数目、尺寸等。

设计时，先定泄水方式，拟定若干个孔口布置方案，然后根据洪水流量和容许的单宽流量、闸门的形式及运用要求等因素，通过水库调洪演算，水力计算和方案的经济比较加以确定。

2．溢流坝断面设计

溢流坝的基本断面也是三角形，为了满足泄流要求，其实用断面是将三角形上部和坝体下游斜面做成溢流面，且溢流面外形应具有较大的流量系数，泄流顺畅，坝面不发生空蚀。

（1）堰面曲线。溢流坝由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成，如图2－2－15所示。

溢流坝顶曲线段的形状对泄流能力及流态影响很大。

当采用坝顶溢流孔口时，其坝顶溢流可以采用曲线形非真空实用断面堰，其曲线为克－奥曲线和WES曲线（幂曲线）。我国早期多用克－奥曲线，近年来，我国许多高溢流坝设计均采用美国陆军工程兵团水道试验站（Water－ways Experiment Station）基于大量试验研究所得的WES曲线。该坝面曲线的主要优点是与克－奥曲线相比流量系数较大，断面较瘦，工程量较小，以设计水头运行时堰面无负压，坝面曲线用方程控制，便于设计施工，所以在国内外得到广泛应用。

（2）反弧段。下游反弧段是使沿溢流坝面下泄的高速水流平顺转向的工程设施，要求沿程压力分布均匀，不产生负压和不致引起有害的脉动压力。通常采用圆弧曲线，其反弧段半径应视下游消能设施而言。

（3）直线段。中间直线段与顶部曲线段和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝的下游坡度相同。

溢流坝的实用断面是由基本断面与溢流面拟合修改而成的。上游坝面一般设计成铅直或上部铅直、下部倾向上游，如图2－2－16（a）所示。

当溢流坝断面小于基本三角线时，可适当调整堰顶曲线，使其与三角形的斜边相切；对有鼻坎的溢流坝，鼻坎超过基本三角形以外，当经核算B—B′截面的拉应力较大时，可设缝将鼻坎与坎体分开，如图2－2－16（a）所示。当溢流断面大于基本三角形时，如地基较好，为节省工程量，使下游与基本三角形一致，而将堰顶部伸向上游，将堰顶做成具有突出的悬臂。悬臂高度hL应大于0．5 Hmax（Hmax为堰上最大水头），如图2－2－16（b）所示。

若溢流坝较低，其坝面顶部曲线可直接与反弧段连接，如图2－2－16（c）所示。

3．溢流重力坝的消能方式

通过溢流坝下泄的水流，具有很大的动能，常高达几百万甚至几千万千瓦，如此大的能量，如不加以处理，必将冲刷下游河床，破坏坝趾下游地基，威胁建筑物的安全或其他建筑物的正常运行。国内外坝工实践中，由于消能设施不善而遭受严重冲刷的例子屡见不鲜。因此，必须采取妥善的消能防冲措施，确保大坝安全运行。

消能设计的原则：尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中以及与空气的摩擦上，且不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷，使下泄水流平稳，结构简单、工作可靠和工程量较少。消能设计包括了消能的水力学问题与结构问题，前者是指建立某种边界条件，对下泄水流起扩散、反击和导流作用，以形成符合要求的理想水流状态；后者是要研究该水流状态对固体边界的作用，较好地设计消能建筑物和防冲措施。

岩基上溢流重力坝常用的消能方式有挑流式、底流式、面流式和戽流式（淹没面流式）等，其中挑流消能应用最广，底流消能次之，而面流及戽流消能一般应用较少。本节只简单介绍挑流消能。

挑流消能是利用挑流鼻坎，将下泄的高速水流抛向空中，然后自由跌落到距坝脚较远的下游水面，与下游水流相衔接的消能方式，如图2－2－17所示。能量耗散一般通过高速水流沿固体边界的摩擦（摩阻消能）、射流在空中与空气摩擦、掺气、扩散（扩散掺气消能）及射流落入下游尾水中淹没紊动扩散（淹没、扩散和紊动剪切消能）等方式消能。一般来说，前两者消能率约为20%，后者消能率为50%。挑流消能具有结构简单、工程造价低、检修施工方便等优点，但会造成下流冲刷较严重、堆积物较多、雾化及尾水波动较大等。因此，挑流消能适用于坚硬岩石的中、高坝，低坝需经论证才能选用。当坝基有延伸至下游缓倾角软弱结构面，可能被冲坑切断而形成空面，危及坝基稳定或岸坡可能被冲塌危及坝肩稳定时，均不宜多用。

（六）重力坝的材料及构造

重力坝的主要筑坝材料为混凝土。对于水工混凝土，除强度外，还应按其所处的部位和工作条件，在抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、低热、抗裂等性能方面提出不同的要求。

1．混凝土重力坝的材料

混凝土强度等级是混凝土的重要性能指标，一般重力坝的混凝土其抗压强度等级采用的是C10、C15、C20、C25等级别；C7．5只用于应力很小的次要部位或作回填重用；C30或更高强度等级的混凝土应尽量少用，或仅用于局部。

混凝土的耐久性是材料性能的综合性指标，包括以下方面：

（1）抗渗性。对于大坝的上游面，基础层和下游水位以下的坝面均为防渗部位，其混凝土应具有抵抗压力水渗透的能力。抗渗性能通常用W即抗渗等级表示，抗渗等级分为W2、W4、W6、W8、W10共五个等级，大坝混凝土抗渗等级应根据所在部位和水力坡降确定。

（2）抗冻性。混凝土的抗冻性能指混凝土在饱和状态下，经多次冻融循环而不破坏，不严重降低强度的性能。通常用F即抗冻等级来表示，分为F50、F100、F150、F200、F300共五个等级。

抗冻等级一般应视气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水分饱和程度、结构构件重要性和检修的难易程度确定。

（3）抗磨性。抗磨性是指抵抗高速水流或挟沙水流的冲刷、抗磨损的能力。目前，尚未制定出定量的技术标准，一般而言，对于有抗磨要求的混凝土，应采用高强度混凝土或高强硅粉混凝土，其抗压强度等级不应低于C20，要求高的则不应低于C30。

（4）抗侵蚀性。抗侵蚀性是指抵抗环境水的侵蚀性能。当环境水具有侵蚀性时，应选用适宜的水泥且尽量提高混凝土的密实性。此外，为了提高坝体的抗裂性，除应合理分缝、分块和必要的温控措施以防止大体积混凝土结构产生的温度裂缝外，还应选用发热量较低的水泥（如大坝水泥、矿渣水泥等），减少水泥用量，再适当掺入粉煤灰或外加剂等。

2．坝体混凝土的分区

由于坝体各部分的工作条件不同，其对混凝土强度等级、抗掺、抗冻、抗冲刷、抗裂等性能要求也不同。为了节省和合理使用水泥，通常将坝体不同部位按不同工作条件分区，采用不同等级的混凝土，如图2－2－18所示为重力坝的三种坝段分区情况。

Ⅰ区为上、下游以上坝体外部表面混凝土，Ⅱ区为上、下游变动区的坝体外部表面混凝土，Ⅲ区为上、下游以下坝体外部表面混凝土，Ⅳ区为坝体基础混凝土，Ⅴ区为坝体内部混凝土，Ⅵ区为抗冲刷部位的混凝土（例如溢洪道溢流面、泄水孔、导墙和闸墩等）。分区性能见表2－2－6。

3．重力坝坝体防渗与排水设施

（1）坝体防渗。在混凝土重力坝坝体上游面和下游面最高水位以下部分，多采用一层具有防渗、抗冻、抗侵蚀的混凝土作为坝体防渗设施，防渗指标根据水头和防渗要求而定，防渗厚度一般1／20～1／10水头，且不小于2m。

（2）坝体排水设施。靠近上游坝面设置排水管幕，以减小坝体渗透压力。排水管幕距上游坝面的距离一般为作用水头的1／25～1／15，且不小于2m。排水管常用预制多孔混凝土管，间距2～3m，内径15～20cm，排水管幕沿坝轴线一字排列，管孔铅直，与纵向排水、检查廊道相通，上下游与坝顶和廊道直通，便于清洗、检查和排水，如图2－2－19所示。施工时应防止水泥漏入及其他杂物堵塞。

4．坝体分缝与止水

（1）坝体分缝。由于地基不均匀沉降和温度变化，施工时期的温度应力及施工浇筑能力和温度控制等原因，一般要求重力坝坝体进行分缝。按缝的作用可分为沉降缝、温度缝及工作缝；按缝的位置可分为横缝、纵缝及水平缝。

横缝是垂直于坝轴线的竖向缝（图2－2－20）可兼作沉降缝和温度缝，一般有永久性和临时性两种。纵缝是为适应混凝土浇筑能力和减小施工期温度应力而设置的临时缝，可兼作温度缝和工作缝。纵缝布置形式有竖直纵缝、斜缝和错缝。水平工作缝是上下层新老混凝土浇筑块之间的施工接缝，是临时性的。

（2）止水。重力坝横缝的上游面、溢流面、下游面最高尾水位以下及坝内廊道和孔洞穿过分缝处的四周等部位应设置止水设施。止水材料有金属、橡胶、塑料、沥青及钢筋。

对于高坝的横缝止水常采用两道金属止水片和一道防渗沥青井，如图2－2－21所示。当有特殊要求时，可考虑在横缝的第二道止水片与检查井之间进行灌浆作为止水的辅助设施。

对于中、低坝的横缝止水可适当简化，如中坝第二道止水片可采用橡胶或塑料片等。低坝经论证也可采用一道止水片，一般止水片距上游坝面0．5～2．0m，以后各道止水设施之间的距离为0．5～1．0m。

在坝底，横缝止水必须与坝基岩石妥善连接。通常在基岩上挖一深30～50cm的方槽，将止水片嵌入，然后用混凝土填实。

（七）重力坝的地基处理

由于受长期地质作用，天然的坝基一般都存在风化、节理、裂隙等缺陷，有时也存在断层、破碎带和软弱夹层等，因此，必须进行地基处理。地基处理的目的有三个方面：渗流控制、强度控制和稳定控制。地基处理的措施包括开挖清理、固结灌浆、破碎带或软弱夹层的专门处理，断层防渗帷幕灌浆，钻孔排水等。

1．地基的加固处理

坝基的加固处理有开挖清理、固结灌浆和破碎带的处理等。

（1）坝基开挖清理。坝基开挖清理的目的是使该坝体坐落在稳定、坚固的地基上，坝基的开挖深度应根据坝基应力情况、岩石强度及其完整性，结合上部结构对基础的要求研究确定。

（2）坝基的固结灌浆。混凝土坝工程中，对岩石的节理裂隙采用浅孔低压灌注水泥浆的方法对坝基进行加固处理，称为固结灌浆，如图2－2－22所示。

固结灌浆的目的是：提高基岩的整体性和弹性模量，减少基岩受力后的变形，提高基岩的抗压、抗剪强度，降低坝基的渗透性、减少渗流量，在防渗帷幕范围内先进行固结灌浆可提高帷幕灌浆的压力。

（3）坝基软弱破碎带的处理。当坝基中存在较大的软弱破碎带时，如断层破碎带、软弱夹层、泥化层、裂隙密集带等，对坝的受力条件和安全及稳定有很大危害，则需要专门的加固处理。

对于侧角较大或与基面接近垂直的断层破碎带，需采用开挖回填混凝土的措施。对于软弱的夹层，如浅埋软弱夹层，要多用明挖换基的方法，将夹层挖除，回填混凝土。对埋藏较深的，应结合工程情况分别采用在坝踵部位做混凝土深齿墙，切断软弱夹层直达完整基岩，如图2－2－23所示，如在夹层内设置混凝土塞［图2－2－23（a）］，在坝趾处建混凝土深齿缝［图2－2－23（b）］，在坝趾下游侧岩体内设钢筋混凝土抗滑桩，或预应力钢索加固，化学灌浆等措施［图2－2－23（c）］，以提高坝体和坝基的抗滑稳定性。

2．坝基的防渗处理

防渗处理的目的是增加渗透途径，防止渗透破坏，降低坝基面的渗透压力，减少坝基的渗漏量。坝基及两岸的防渗措施，可采用水泥帷幕灌浆，经论证坝基也可采用混凝土齿墙、防渗墙或水平防渗铺面；两岸岸坡可采用明挖或洞挖后回填混凝土形成防渗墙。

3．坝基排水

为了进一步降低坝体底面的扬压力，应在防渗帷幕后设置排水孔幕（包括主、副排水孔幕）。主排水孔幕可设一排，副排水孔幕视坝高可设1～3排（中等坝设1～2排，高坝可设2～3排）。对于尾水位较高的坝，可在主排水孔幕下游坝基面上设置由纵、横廊道组成的副排水系统，采取抽排措施，当高尾水位历时较久，尚宜在坝趾增设一道防渗帷幕，如图2－2－24所示。

（八）混凝土重力坝的运用管理

混凝土重力坝在运用过程中，由于设计、施工、运行管理及其他各种原因，所表现出的主要问题包括失稳、风化、磨损、剥蚀、裂缝、渗漏甚至破坏，因此必须加强混凝土重力坝的养护和管理。

1．混凝土重力坝的检查和养护

混凝土重力坝的检查和养护分为运用前、运用中和特殊情况，其主要工作内容如下：

（1）运用前的检查与养护。工程竣工验收期间，应了解工程设计施工情况，特别是水下部分和隐蔽工程的情况，在运用前，要根据设计资料和竣工验收规定，全面进行检查。对于施工中混凝土蜂窝、麻面、孔洞和裂缝、渗漏等缺陷，要根据严重程度分别进行表面处理、堵漏或补强处理。施工中用的模板、排架及机械设备等应全部拆除收存，遗留在表面的螺栓及其他铁件应割除。

（2）运用中的检查与养护。应经常检查坝面完整情况，保持排水系统的畅通，定期检查伸缩缝工作情况。做好安全检查与防护，对各种观测设备要做好保护，如有损坏或失效，应及时进行修复或更换。

（3）特殊情况下的检查与养护。当遇到设计水位运行、低水位运行、地震、台风和寒冷冻害等特殊情况后，应立即对工程进行检查，如有缺陷，应及时养护修理；发现异常现象时，要加强观察，并记录发展情况、研究紧急处理措施。

2．混凝土重力坝裂缝的处理

裂缝的处理方法，主要有表层涂抹、喷浆修补、表面黏补、凿槽嵌补和灌浆处理五种，应当根据裂缝的性质和具体条件进行选择。这里仅介绍后三种方法。

（1）表面黏补。表面黏补就是运用胶黏剂把橡皮及其他材料粘贴在裂缝部位的混凝土面上，达到封闭裂缝的目的。常用的方法有橡皮黏补、玻璃丝布黏补、纯铜片和橡皮联合黏补等。

（2）凿槽嵌补。沿裂缝凿槽，槽内嵌填各种防水材料。嵌补材料主要有沥青砂浆、环氧砂浆、预缩砂浆、聚氯乙烯胶泥等。

（3）灌浆处理。通过钻孔对裂缝内部进行灌浆，以达到防渗堵漏或固结补强的作用。布孔方式分骑缝孔与斜孔两种，骑缝孔用于浅孔或仅需防渗堵漏的情况，斜孔用于深缝及骑缝孔浆液扩散范围不足的情况。常用的灌浆材料有水泥和各种化学材料，可按裂缝的性质、开度及施工条件等情况选定。

3．混凝土重力坝渗漏的处理

渗漏处理的基本原则是“上堵下排”，主要方法有以下几种：

（1）坝体渗漏的处理。通常在迎水面封堵。首先降低上游库水位，使渗漏入口露出水面再考虑混凝土表面损坏和裂缝处理的方法进行修补，对于裂缝宽度随温度变化的渗漏处理，要考虑既能适应裂缝开合，又能保证封堵止水。

（2）坝基（或接触）渗漏的处理。主要有以下几种相应的处理方法：

1）加深加厚帷幕。由于帷幕深度不够时应加大原帷幕深度。如孔距过大，还要加密钻孔，进行补强灌浆。

2）接触灌浆处理。钻孔的深度一般钻至基岩以下2m进行灌浆，主要是加强坝与基岩之间的接触。

3）固结灌浆处理。对原有顺河方向的断层破碎带，贯穿坝基造成的渗漏，除在该处加深加厚帷幕外，还需进行固结灌浆。

4）改善排水条件。当查明排水不畅或排水堵塞时，应设法疏通，必要时增设排水孔以改善排水条件。

（3）绕坝渗漏的处理。一般是在上游面封堵，也可以进行灌浆处理。

4．混凝土表面损坏处理

混凝土表面损坏现象主要包括表面蜂窝、麻面、表层裂缝、松软、剥落、钢筋外露或锈蚀等。表面损坏如若不及时处理，将缩短使用寿命，严重时会削弱结构强度，甚至使建筑物失效而破坏。混凝土表面常用的修补处理方法有水泥砂浆修补、预缩砂浆修补、喷浆修补、喷混凝土修补、压浆混凝土修补和环氧材料修补等。

5．混凝土重力坝的安全监测

（1）变形监测。

1）水平位移监测。坝体表面的水平位移可用视准线法或三角网法施测，前者适用于坝轴线为直线、顶长不超过600m的坝，后者可用于任何坝型。较高混凝土坝坝体内部的水平位移可用正垂线法、倒垂线法或引张线法测量。

2）铅直位移（沉降）监测。对混凝土坝坝内的铅直位移，可采用精密水准仪和精密连通管法量测。

（2）裂缝监测。混凝土建筑物的裂缝是随荷载环境的变化而开合的。监测方法是在测点处设金属标点或用测缝计进行。需要监测空间变化时，亦可埋设“三向标点”。

（3）应力及温度监测。在混凝土建筑物内设置应力、应变和温度监测点，能及时了解局部范围内的应力、温度及其变化情况。应力（或应变）的离差比位移要小得多，作为安全监控指标比较容易把握，故常以此作为分级报警指标。

（4）渗流监测。坝基扬压力监测多用测压管，也可采用差动电阻式渗压计，测点沿建筑物与地基接触面布置。坝体内部渗透压力可在分层施工缝上布置差动电阻式渗压计。

二、土石坝与面板堆石坝

（一）土石坝

1．土石坝概述

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。由于结构简单、施工方便、可就地取材和投资低等特点，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。目前世界上最高的水坝为塔吉克斯坦的罗贡土石坝，坝高335m。我国已建的最高土石坝为小浪底土石坝，最大坝高154m。

（1）土石坝的类型。

按坝高分类，根据SL 274—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30m以下的为低坝，高度在30～70m为中坝，高度在70m以上为高坝。

按施工方法分类：

1）碾压式土坝。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。

2）水力冲填坝。是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，泥浆在土坝填筑面经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。

按坝体材料的可分为土坝、土石混合坝和堆石坝三种，如图2－2－25所示。

1）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、黏土心墙坝或斜墙坝、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。黏土心墙坝或斜墙坝是采用防渗能力强的黏土作防渗体，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墙、防渗面板。

（2）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、黏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。一般而言，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、渗流、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黏聚力来维持稳定，没有支撑的边坡是填筑体稳定问题的关键。所以，土石坝失稳的形式，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，通常为1∶1．5～1∶3．5。

2）渗流。渗流也是影响坝体稳定的重要因素。水库蓄水后，坝体挡水时，在上下游水位差的作用下，水流将通过坝身和坝基（包括两岸）向下游渗透。渗透水流在坝体内的自由水面称为浸润面，它与垂直坝轴线的剖面的交线称为浸润线，如图2－2－26所示。浸润线以上有一毛管水上升区，区内的土料处于湿润状态。毛管水层以上的水为自然含水区，浸润线以下为饱和渗流区。被饱和的土体承受上浮力和渗透动水压力，降低了抗剪强度指标，对坝坡稳定不利。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。

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洞一般远离坝区布置，以免冲刷坝体。

2．土石坝剖面基本尺寸

土石坝剖面包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗结构、排水结构及其细部构造。首先计算坝顶高程，根据具体要求和经验拟定剖面，进行渗流计算，最后进行坝坡稳定分析，根据稳定分析的结果判断坝剖面的合理性。一般需要多次重复以上步骤，直至得到合理的剖面。

（1）土石坝的坝顶高程。坝顶高程为水库静水位加相应的超高，取下列中的最大值：①设计洪水位＋正常运用条件的坝顶超高；②正常蓄水位＋正常运用条件的坝顶超高；③校核洪水位＋非常运用条件的坝顶超高；④正常蓄水位＋非常运用条件的坝顶超高＋地震安全加高。当上游设防浪墙时，以上确定的坝顶高程改为防浪墙顶高程。此时，在正常运用情况下，坝顶高程应高于静水位0．5m；在非常运用情况下，坝顶高程应高于静水位。设计的坝顶高程是针对坝体沉降稳定以后情况而言的。因此竣工时的坝顶高程预留足够的沉陷超高，一般施工质量好的土石坝沉陷量为坝高的0．2%～0．4%，常取1～2m。

如图2－2－27所示，坝顶超高的计算公式为

波浪爬高R是波浪沿建筑物坡面爬升的垂直高度（从风壅水面起算），其值以莆田公式计算为宜。采用莆田公式先计算平均爬高Rm，按工程等级选用设计累计频率（%）（对1～3级土石坝取P＝1%；对4、5级土石坝取P＝5%），并由P（%）值查表2－2－7，求得设计爬高值Rp。

对于小型低水头的土石坝，波浪爬高可按下式近似计算：

土石坝安全加高A，根据坝等级和运行情况确定，见表2－2－8。

（2）坝顶宽度。坝顶宽度取决于交通、防汛、施工及其他专门性要求。当坝顶有交通要求时，应按交通部门的有关规定执行；如无特殊要求，对于高坝，100m以上，坝顶宽度可选用10～15m，对于100m以下，B＝H／10，可选用5～10m。

（3）坝坡。坝坡应根据坝型、坝高、坝体材料和坝基情况，还要考虑坝体承受的荷载、施工和运用条件等因素，通过技术经济分析比较确定。一般方法是根据经验初步拟定坝坡，再进行渗流和稳定分析，根据分析计算结果修改坝坡，直至获得合理的坝坡。

较高的土石坝采用变坡方式，一般每隔10～30m高度变坡，由坝顶至坝底越变越缓，变坡处设马道，宽度1．5～2．0m。一般坝坡为1∶2．0～1∶4．0，初拟坝坡时，可参照表2－2－9和表2－2－10　。

3．土石坝渗流分析

（1）渗流分析的目的。土石坝基本剖面确定后，需要通过渗流分析检验坝体及坝基的安全性，并为坝坡稳定分析提供依据。计算内容有坝体浸润线、渗流出逸点的位置、渗透流量和各点的渗透压力或渗透坡降。

（2）计算工况。根据土石坝的运行情况，渗流计算的工况应能涵盖各种不利运行条件及其组合，一般需要计算的工况有：上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；上游设计洪水位与下游相应的水位；上游校核洪水位与下游相应的水位；库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。

（3）渗流计算的水力学法。用水力学法计算渗流的基本要点是将坝内渗流分成若干段（即所谓分段法），应用达西定律和杜平假定，建立各段的运动方程式，然后根据水流的连续性求解渗透流速、渗透流量和浸润线等。

1）基本假定：①坝体土料是均质的，各向同性，即坝内各点在各个方向的渗透系数相同；②渗流属渐变流，过水断面上各点的坡降和流速相等；③渗流是层流，满足达西定律；④渗流满足连续流方程。

2）基本原理。

a）等效原理。20世纪20年代苏联学者巴甫洛夫斯基提出，以浸润线两端为分界线，将均质土坝分为三段，即上游楔形体、中间段和下游楔形体，分别列出计算公式，再根据水流连续原理求解，称为三段法，如图2－2－28（a）所示。

用一个等效矩形体代替上游楔形体（图2－2－29），把此矩形体与原三段法的中间段合二为一，成为第一段，下游楔形体为第二段。虚拟上游面为铅直的，距原坝坡与设计水位交点A的水平距离为ΔL，根据流体力学和电拟实验可得

根据连续流原理得

b）叠加原理。计算坝体渗流量认为坝基不渗流，计算坝基渗流量认为坝体不渗流。分析计算坝断面总渗流量为

3）基本公式。

单宽渗流量计算公式为

浸润线方程为

注意：上述浸润线方程与所建立的直角坐标系有关，坐标系建立不同则浸润线方程不同。

4）总渗流量的计算。

根据地形及坝体结构，沿坝轴线把坝分成若干段，各段的长度为l1，l2，l3，…分别计算各段的平均渗流量q1，q2，q3，…后，将各段渗流量相加，即可求出全坝的渗流量Q，公式为

各种坝型渗流计算公式总结见表2－2－11。

4．土石坝的渗流变形及其防治措施

土坝及地基中的渗流，由于其机械或化学作用，可能使土体产生局部破坏，称为渗透破坏。严重的渗透破坏可能导致工程失事，因此必须加以控制。

（1）渗透变形的形式（分类）。渗透变形的形式及其发生、发展、变化过程，与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排渗措施等因素有关，一般可归纳为管涌、流土、接触冲刷、接触流土、接触管涌等类型。最主要的是管涌和流土两种类型。

1）管涌。坝体或坝基中的细土壤颗粒被渗流带走，逐渐形成渗流通道的现象称为管涌或机械管涌。管涌一般发生在坝的下游坡或闸坝的下游地基面渗流逸出处。使个别小颗粒土在孔隙内开始移动的水力坡降，称为管涌的临界坡降；使更大的土粒开始移动从而产生渗流通道和较大范围破坏的水力坡降，称为管涌的破坏坡降。单个渗流通道的不断扩大或多个渗流通道的相互连通，最终将导致大面积的塌陷、滑坡等破坏现象。

2）流土。在渗流作用下，成块的土体被掀起浮动的现象称为流土。流土主要发生在黏性土及均匀非黏性土体的渗流出口处。发生流土时的水力坡降，称为流土的破坏坡降。

3）接触冲刷。当渗流沿两种不同土壤的接触面或建筑物与地基的接触面流动时，把其中细颗粒带走的现象称为接触冲刷。

4）接触流土。当渗流垂直作用的两种不同土壤中的一层为黏性土时，渗流可能将黏性土成块地移动，从而导致隆起、断裂或剥蚀等现象称为接触流土。

（2）防止渗透变形的工程措施。一是在渗流的上游或源头采用防渗措施，拦截渗水或延长渗径，从而减小渗透流速和渗透压力，降低渗透比降；二是在渗流的出口段采用排水减压措施和渗透反滤保护措施，提高渗流出口段抵御渗透变形的能力。一般采用的工程措施有：①设置垂直或水平防渗设施（如截水墙、斜墙、心墙和水平铺盖等）；②设置排水设施；③盖重压渗措施；④设置反滤层，反滤层是提高坝体抗渗破坏能力、防止各种渗透变形特别是防止管涌的有效措施。

5．土石坝稳定分析

土石坝由散颗粒体堆筑而成，依靠土体颗粒之间的摩擦力来维持其整体性，为此必须采用比较平缓的边坡，因而形成肥大的断面，以致有足够的强度抵挡上游水压力。所以，土石坝的稳定性主要是指边坡稳定问题，如果土石坝的边坡稳定性能得到保证，则其整体稳定性也就能得到保证。

坝坡土体的破坏，主要是剪切破坏，即一旦土体内任一平面上的剪应力达到或超过了土体的抗剪强度时，土体就发生破坏。土石坝边坡稳定性就是边坡的抗剪强度问题。土石坝结构、土料和地基的性质以及工况条件等因素决定边坡的失稳形式。通常主要有滑坡、塑性流动和液化形式，其中滑坡主要有曲线滑动、直线和折线滑动、复式滑动三种形式。

曲线滑动（图2－2－31）的滑动面是一个顶部稍陡而底部渐缓的曲面，多发生在黏性土坝坡中。在计算分析时，通常简化为一个圆弧面。

如图2－2－32所示，在均质的非黏性土边坡中，滑动面一般为直线；当坝体的一部分淹没在水中时，滑动面可能为折线。在不同土料的分界面，也可能发生直线或折线滑动。

复式滑动面（图2－2－33）是同时具有黏性土和非黏性土的土坝中常出现的滑动面形式。复式滑动面比较复杂，穿过黏性土的局部地段可能为曲线面，穿过非黏性土的局部地段则可能为平面或折线面。在计算分析时，通常根据实际情况对滑动面的形状和位置进行适当简化。

（1）荷载及其组合和稳定安全系数的标准。土石坝的荷载主要包括自重、水压力、渗透力、孔隙压力、浪压力、地震惯性力等，大多数荷载的计算与重力坝相似。其中土石坝主要考虑的荷载有自重、渗透力、空隙压力等，分述如下：

1）自重。土坝坝体自重分三种情况来考虑：在浸润线以上的土体，按湿容重计算；在浸润线以下、下游水面线以上的土体，按饱和容重计算；在下游水位以下的土体，按浮容重计算。

2）渗透力。渗透力是在渗流场内作用于土体的体积力。沿渗流场内各点的渗流方向，单位土体所受的渗透力p＝γJ，其中γ为水的容重，J为该点的渗透坡降。

3）孔隙压力。黏性土在外荷载的作用下产生压缩，由于土体内的空气和水一时来不及排出，外荷载便由土粒和空隙中的空气与水来共同承担。其中，由土粒骨架承担的应力称为有效应力σ′，它在土体产生滑动时能产生摩擦力；由空隙中的水和空气承担的应力称为孔隙压力u，它不能产生摩擦力。因此，孔隙压力是黏性土中经常存在的一种力。

孔隙压力的大小与土料性质、土料含水量、填筑速度、坝内各点荷载、排水条件等因素有关，且随时间而变化。因此，孔隙压力的计算一般比较复杂，且多为近似估计。

4）土石坝坝坡稳定安全系数标准。SL 274－2001《碾压式土石坝设计规范》第8．3．9条规定：对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，宜采用计算条间作用的简化毕肖普法；对于有软弱夹层、薄斜墙坝的坝坡稳定分析及其他任何坝型，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿－普赖斯等滑楔法。

SL 274－2001《碾压式土石坝设计规范》第8．3．11条规定：采用不计条间作用力的瑞典圆弧法计算坝坡抗滑稳定安全系数时，对1级坝正常运用条间最小安全系数应不小于1．30，对其他情况应比表2－2－12规定值减小8%。

（2）土石坝边坡稳定计算。目前所采用的土石坝坝坡稳定分析方法的理论基础是极限平衡理论，即将土看作理想的塑性材料，当土体超过极限平衡状态时，土体将沿着某一破裂面产生剪切破坏，出现滑动失稳现象。

所谓极限平衡状态，是指土体某一面上导致土体滑动的滑动力，刚好等于抵抗土体滑动的抗滑力。计算的关键是滑动面形式的选定，一般有圆弧、直线、折线和复合滑动面等。对黏性土填筑的均质坝或非均质坝，多为圆弧；对非黏性土填筑的坝或以心墙、斜墙为防渗体的砂砾石坝体，一般采用直线法或折线法；对黏性土与非黏性土填筑的坝，则为复合滑动面。这里不再赘述相关的计算过程，有软件可以完成计算。

6．土石坝的细部构造与坝体材料

土石坝的构造主要包括防渗体、排水设施、护坡、坝顶等部位的构造。

（1）防渗体。

1）土质心墙位于土石坝坝体断面的中心部位，并略为偏向上游，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。

在正常运用情况下，心墙顶部的高程应不低于上游设计水位0．3～0．6m；在非常运用情况下，心墙顶部的高程应不低于非常运用情况下的静水位；对设有可靠的防浪墙的土坝，心墙顶部的高程也应不低于正常运用情况下的静水位。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。墙顶部最小厚度按构造要求不小于1．0～1．5m，如为机械化施工，应不小于3．0m；厚度自上而下逐渐加大，保持1∶0．15～1∶0．3的坡度，以便与坝壳紧密结合；心墙底部厚度一般按允许渗透坡降决定，即不小于H／［J］，且不小于3m，其中H为作用水头，［J］为心墙土料的允许渗透坡降，采用轻壤土为3～4，壤土为4～6，黏土为6～8。心墙与坝壳之间应设置过渡层（图2－2－34），心墙与坝基及两岸必须有可靠的连接（图2－2－35）。对土基，一般采用黏性土截水墙；对岩基，一般采用混凝土垫座或混凝土齿墙。

2）土质斜墙位于土石坝坝体上游面（图2－2－36）。它是土石坝中常见的又一种防渗结构，填筑材料与土质心墙材料相近。在正常运用情况下，斜墙顶部的高程应不低于上游设计水位0．6～0．8m；在非常运用情况下，斜墙顶部的高程应不低于非常运用情况下的静水位；对设有可靠的防浪墙的土坝，斜墙顶部的高程也应不低于正常运用情况下的静水位。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。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。

3）非土料防渗体也称人工材料防渗体。主要包括沥青混凝土或钢筋混凝土做成的防渗体。

a）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。沥青混凝土可以作成心墙，也可以作成斜墙。

沥青混凝土心墙不受气候和日照的影响，可减低沥青的老化速度，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，且不小于0．4m；顶部厚度不小于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。

b）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，顶部厚度不小于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。

c）复合土工膜。利用土工膜作为坝体防渗体材料，可以降低工程造价，而且施工方便快捷，不受气候影响。对2级及以下的低坝，经论证可采用土工膜代替黏土、混凝土或沥青等，作为坝体的防渗体材料。如云南楚雄州塘房庙水库堆石坝，坝高50m，采用复合土工膜作为防渗材料，布置在坝体断面中间，现已竣工运行。

（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防止坝坡受冰冻破坏；③有时也起降低孔隙水压力的作用。

1）堆石棱体排水是在坝趾处用块石堆筑而成的棱体，也称排水棱体或滤水坝趾。堆石棱体排水能降低坝体浸润线，防止坝坡冰冻和渗透变形。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情况，如图2－2－37（a）所示。

棱体排水顶部高程应超出下游最高水位，对1、2级坝，不应小于1．0m；对3、4、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的冻结深度；顶部宽度应根据施工条件和检查观测需要确定，且不宜小于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，如图2－2－37（b）所示。

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、2级坝，不应小于2．0m；对3、4、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。

贴坡排水一般由1～2层足够均匀的块石组成，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。

3）褥垫排水是设在坝体基部、从坝址部位沿坝底向上游方向伸展的水平排水设施，如图2－2－37（c）所示。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，因此在工程中应用得不多。

4）组合式排水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形式组合而成的排水设施，如图2－2－38所示。

（3）坝顶及护坡。

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，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。坝顶下游侧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，如图2－2－39所示。

护坡主要是保护坝坡免受波浪和降雨的冲刷，防止坝体的黏性土发生冰结、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。

上游护坡主要有堆石（抛石）、干砌石、浆砌石、预制或现浇的混凝土或钢筋混凝土板（或块）、沥青混凝土等。上游面护坡的覆盖范围上部自坝顶起（如设防浪墙时，应与防浪墙连接），下部至死水位以下。死水位以下的距离，对1、2、3级坝，不宜小于2．50m；对4、5级坝，不宜小于1．50m。当上游最低水位不确定时，上游护坡应护至坝脚。

下游护坡主要有干砌石、草皮、钢筋混凝土框格填石等。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，如图2－2－40所示。

干砌石、浆砌石、碎石或砾石护坡的厚度，一般为0．3m；当波浪作用较大时，干砌石护坡可能遭受破坏，宜采用水泥砂浆或细骨料混凝土灌缝或勾缝；草皮护坡草皮厚度一般为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。

（4）反滤层。设置反滤层的主要目的是提高土体抗渗破坏能力，防止各类渗透变形，如管涌、流土、接触冲刷等。反滤层一般由2～3层不同粒径、级配均匀、耐风化的砂、砾石、卵石或碎石构成。层的排列应尽量与渗流的方向垂直，各层的粒径按渗流方向逐层增大，如图2－2－41所示。

人工施工时，水平反滤层的最小厚度一般为0．15～0．30m，垂直或倾斜反滤层的最小厚度为0．50m；采用机械化施工时，反滤层的最小厚度根据施工方法确定。

当选择多层反滤料时，选择第二层反滤料时，将第一层反滤料作为被保护土；选择第三层反滤料时，将第二层反滤料作为被保护土。依此类推。

7．坝体各部分对土料的要求

（1）均质坝。要求渗透系数不大于1×10－4 cm／s；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。坝壳填料应使坝体具有足够的稳定性、较高的强度，并具有良好的排水性。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。均匀的中砂、细砂及粉砂，不均匀系数η＝1．5～2．6时，极易发生液化破坏，因此只可用于中、低坝坝壳的干燥区，但不宜用于地震区域的坝。

（3）防渗体。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；水溶盐含量应小于3%，有机质含量应小于1%。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。

（4）排水体。采用具有较高抗压强度，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）不应大于0．8；块石料饱和抗压强度不应小于30MPa，软化系数不应大于0．75～0．85。

8．填筑标准

填筑标准主要由填筑密度控制。

（1）对不含砾石或砾石含量很少的黏性土料，以压实干容重作为设计标准，等于击实试验的最大干重度乘以压实度。对于Ⅰ级坝和高坝压实度为0．98～1．00；对于Ⅱ、Ⅲ级及中坝压实度为0．96～0．98。

（2）对含砾石的黏性土料，以最大干密度和最优含水量作为设计标准。

砂砾石和砂的填筑标准以相对密度为设计控制指标，其中：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。堆石的填筑标准，宜以孔隙率为设计控制标准，其中土质防渗体分区坝的堆石料，其孔隙率宜为20%～28%。

9．土石坝的坝基处理

土石坝对地基的要求比混凝土坝低，一般不必挖除地表透水土壤和砂砾石等。但是，为了满足渗透稳定、静力和动力稳定、容许沉降量和不均匀沉降等方面的要求，保证坝的安全经济运行，也必须根据需要对地基进行处理。对所有土石坝的坝基，首先应完全清除表面的腐殖土，可能形成集中渗流和可能发生滑动的表层土石，然后根据不同的地基情况采用不同的处理措施。

（1）岩基处理。

1）岩基上的覆盖层。对中、低土石坝，只需将防渗体坐落在基岩上，形成截水槽以隔断渗流即可。对高土石坝，最好挖除全部覆盖层，使防渗体和坝壳均建在基岩上。

2）防渗体与基岩的连接。防渗体与基岩的接触面应紧密结合。以前多要求在防渗体的基岩面上浇筑混凝土垫层或混凝土齿墙。但是，研究表明，混凝土垫层和齿墙的作用并不明显，受力条件不佳，易产生裂缝，因此，现在的发展趋势是将防渗体直接建在基岩上。

3）基岩内部防渗处理。主要是防渗帷幕。

4）对不良地质构造的处理。对断层、破碎带等不良地基构造，主要考虑渗透稳定性和抗溶蚀性能，而不太看重其承载力和不均匀沉降。处理方法主要有水泥灌浆或化学灌浆、混凝土塞、混凝土防渗墙、设置防渗铺盖等。

（2）砂砾石地基处理。

砂砾石具有足够的承载能力，压缩性不大，干湿变化对体积的影响也不大。但砂砾石地基的透水性很大，渗漏现象严重，而且可能发生管涌、流土等渗透变形。因此，砂砾石地基的处理主要是对地基的防渗处理。

1）垂直防渗设施。垂直防渗是解决坝基渗流问题效果最好的措施。垂直防渗的效果，相当于水平防渗效果的三倍。因此，在土石坝的防渗措施中，应优先选择垂直防渗措施。

垂直防渗措施主要有黏性土截水墙、混凝土防渗墙、灌浆帷幕、板桩等。

a）黏性土截水墙。当砂砾石透水地基的深度不大时，可将截水墙直接伸入岩基，并与岩基紧密相连。这种情况下的截水墙结构简单，工作可靠，防渗效果好；当砂砾石透水地基的深度较大时，可将截水墙深入坝基一定深度，不与岩基相连，称为悬挂式截水墙，但防渗效果较差，如图2－2－42所示。

截水墙的厚度L应满足容许渗透坡降的要求，L≥且一般不小于3m。式中，ΔH为运行期最大水头，［Jc］为回填土料的容许渗透坡降。对轻壤土，［Jc］＝3～4；对壤土，［Jc］＝4～6；对黏土，［Jc］＝5～10。截水槽的开挖边坡应缓于1∶1，以保持边坡的稳定。截水墙一般位于心墙或斜墙的底部，截水墙的土料应与心墙或斜墙一致。

b）混凝土防渗墙。对深厚砂砾石地基，采用混凝土防渗墙是比较有效和经济的防渗设施，如图2－2－43所示。

c）灌浆帷幕。当砂砾石透水地基的深度很大时，可采用灌浆帷幕进行防渗，如图2－2－44所示。

d）板桩。当砂砾石透水地基的深度较大时，可采用钢板桩防渗。木板桩一般只用于临时工程。由于钢板桩在打入砂砾石地基中时可能产生弯曲、脱缝等现象，影响防渗效果，且造价较高，因此目前已较少采用。

2）水平防渗设施。土石坝中，水平防渗措施主要是设置防渗铺盖，如图2－2－45所示。防渗铺盖是位于上游坝脚、渗透系数很小的黏性土做成的水平防渗设施。水平铺盖的防渗效果远不如垂直防渗措施，但它结构简单、施工方便、造价较低，因此，当设置垂直防渗措施困难时，也是一种合适的防渗措施。

铺盖的渗透系数一般应小于1×10－5cm／s，铺盖的长度一般为4～6倍水头，铺盖的厚度应满足铺盖材料的容许渗透坡降的要求，一般不小于0．5～1．0m。防渗铺盖很少单独作为土石坝的防渗措施，一般与其他措施相结合。

（3）细砂、淤泥层、软黏土和湿陷性黄土地基处理。

1）细砂地基处理。细砂地基，特别是饱和的细砂地基，在动力作用下容易产生液化现象，因此应加以处理。对厚度不大的细砂地基，一般采用挖除的办法。对于厚度较大的细砂地基，以前采用板桩加以封闭的办法，但很不经济；现在主要采用人工加密的办法，即在细砂地基中人工掺入粗砂。近年来，我国采用振冲法加密细砂地基，从而提高细砂地基的相对密度，取得了较好的效果。

2）淤泥层地基处理。淤泥夹层的天然含水量较大，容重小，抗剪强度低，承载能力差。当淤泥层埋藏较浅时，一般将其全部挖除；当淤泥层埋藏较厚时，一般采用压重法或设置砂井加速固结的方法。

3）软黏土和湿陷性黄土地基处理。当软黏土层较薄时，一般全部挖除；当软黏土层较厚时，一般采用换砂法或排水砂井法。对黄土地基，一般的处理方法有预先浸水，使其湿陷加固；将表层土挖除，换土压实；夯实表层土，破坏黄土的天然结构，使其密实等。

（二）土石坝的维护与管理

1．土石坝病险水库存在的主要问题

病险水库一般是指工程实际洪水标准未达到规定要求的标准，或虽达到规定洪水的标准，但工程存在较严重的质量问题，影响大坝安全，不能正常运行的水库。土石坝病险水库存在的主要问题有：防洪标准低，工程质量存在严重问题，自然灾害（地震震害）以及其他土石坝病害与破坏（包括波浪对护坡的破坏、掘穴动物破坏等方面）。

2．土石坝运行中的维护措施

土石坝在运行过程中的病险具体表现为渗漏、滑坡和裂缝。

（1）土石坝滑坡的处理措施。

1）土石坝上游坡由于库水位骤降而引起的滑坡处理。迅速停止放水，使库内保持一定水位，有利于避免滑坡体继续下滑；将滑坡体上部松软土体挖除，修整成比较平缓的坡度，裂缝上侧的陡坝也应适当进行削坡，以防因坡度过大而继续坍滑，其下部应做成缓坡倾斜面，以利排水；潜水或用其他方法摸清水下滑坡体的前缘位置，据以采用抛石或沙袋等临时性的压重固脚。

2）土石坝下游坡由于水库蓄水渗漏而引起的滑坡处理。对较大的坡度，宜尽可能适当降低库水位，以免下游坝体的浸润线继续抬高，扩大浸润区，增加滑动力，减低抗滑力；在坝体质量很差、渗漏严重、又不能降低水位的情况下，可在迎水坡抛土，以减少通过坝体的渗漏量；在滑坡体的坡面开沟导渗，使滑坡体中的积水能很快排除；在滑坡体上部挖除松软土体，并对裂缝上侧陡坎部分进行削坡；如滑坡体底部前缘达到或超过坝趾，应采取抛石压重固脚措施。

当滑坡稳定后，为确保水库安全，应对土石坝提出彻底的处理措施。

（2）土石坝裂缝的防治措施。土石坝发生破坏大多是由裂缝引起的。为了防止破坏事故，应尽力避免裂缝的产生。实践表明，只要设计正确，施工质量有保证，即使是高土石坝，也可以减少甚至避免裂缝。因此，应合理设计土石坝的剖面和细部结构，选择适宜的筑坝材料并采用合理的设计参数，严格控制施工质量，精心施工。

土石坝的开裂渗漏事故，有许多与水库操作方式有关。水库水位的突升、突降，易导致坝的开裂。故初次蓄水时，要求水位上升速率不能过快，使坝体内应力和应变状态借助于土体本身的蠕变性能逐步缓慢地重新分布，不致因突然加荷和湿陷而开裂。同样，水库水位突降也会改变坝内的应力状态，使坝身发生不均匀变形，也应尽量避免。

无论在施工期还是运行期，必须定期观测坝体变形和内部的应力应变状态，以及渗透力、渗流量和渗水的性质和状态，监视任何可能的破坏以及裂缝的开展。对观测到的资料应及时进行分析，以便进一步指导运行管理工作。对已发现的裂缝，应加强监测，分析原因并及时进行处理。

（3）土石坝裂缝的处理。土石坝一旦出现裂缝，应及时查明性状，进行处理。一般表面干缩缝可用砂土填塞，表面再以低塑黏土封填、夯实，以防雨水渗入冲蚀。深度不大的裂缝，可按表面干缩缝处理，也可开挖重填。挖除裂缝部位的土体，重填稍高于最优含水量的土料，严格分层夯实，并采取洒水刨毛等措施保证新老土体的良好结合。

裂缝位于深部或延伸至深部时，可采取灌浆处理。灌浆材料常用粉沙含量多，甚至含少量中、细砂，塑性指数在10左右的粉质壤土或黄土作为浆材，以减少缝的固结收缩。浅层缝可采用低压灌浆，并应注意不引起水力劈裂。

在裂缝严重不能用其他方法处理时，可采用混凝土或黏土防渗墙，从坝顶开始，穿过坝身直达基岩。这种防渗墙与基础处理中的防渗墙类似。

（三）面板堆石坝

1．概述

以堆石体为支承结构，在其上的表面浇筑混凝土面板作为防渗结构的堆石坝简称面板堆石坝或面板坝。

面板堆石坝与其他坝型相比有如下主要特点：就地取材；施工度汛问题比土坝较为容易解决；对地形地质和自然条件适应性较混凝土坝强；方便机械化施工，有利于加快施工工期和减少沉降；坝身不能泄洪，一般需另设泄洪和导流设施。

钢筋混凝土面板堆石坝的坝顶宽度一般不宜小于5m；防浪墙高可采用4～6m，背水面一般高于坝顶1．0～1．2m；坝坡一般采用1∶1．3～1∶1．4。对于地质条件较差或堆石体填料抗剪强度较低以及地震区的面板堆石坝，其坝坡应适当放缓。

2．坝体的构造

（1）堆石体。堆石体是面板堆石坝的主体部分，根据其受力情况和在坝体所发挥的功能，又可划分为：垫层区（2区）、过渡区（3A区）、主堆石区（3B区）和次堆石区（3C区），如图2－2－46所示。

垫层区应选用质地新鲜、坚硬且耐久性较好的石料，可采用经筛选加工的砂砾石、人工石料或者由两者的混合掺配物。高坝垫层料应具有连续级配，一般最大粒径为80～100mm，粒径小于5mm的颗粒含量为30%～50%，小于0．075mm的颗粒含量应少于8%。

过渡区介于垫层区与主堆石区之间，起过渡作用，石料的粒径级配和密实度应介于垫层区与主堆石区之间。

主堆石区为面板坝堆石的主体，是承受水压力的主要部分，它将面板承受的水压力传递到地基和下游次堆石区，该区既应具有足够的强度和较小的沉降量，同时也应具有一定的透水性和耐久性。

下游次堆石区承受水压力较小，其沉降和变形对面板变形影响一般也不大，因而对填筑要求可酌情放宽。石料最大粒径可达1500mm，填筑层厚1．5～2．0m，用10t振动碾碾压4遍。

（2）防渗面板的构造。

1）钢筋混凝土面板。钢筋混凝土面板防渗体主要由防渗面板和趾板组成。面板是防渗的主体，对质量有较高的要求，即要求面板具有符合设计要求的强度、不透水性和耐久性。面板底部厚度宜采用最大工作水头的1%，考虑施工要求，顶部最小厚度不宜小于30cm。

2）趾板（底座）。趾板是面板的底座，其作用是保证面板与河床及岸坡之间的不透水连接，同时也作为坝基帷幕灌浆的盖板和滑模施工的起始工作面。

面板接缝设计（包括面板与趾板的周边接缝和趾板之间接缝）主要是止水布置，周边缝止水布置最为关键。面板中间部位的伸缩缝，一般设1～2道止水，底部用止水铜片，上部用聚氯乙烯止水带。周边缝受力较复杂，一般采用2～3道止水，在上述止水布置的中部再加PVC止水。如布置止水困难，可将周边缝面板局部加厚。

3）面板与岩坡的连接。为保证趾板与岸坡紧密结合和加大灌浆压重，趾板与岸坡之间应插锚筋固定。锚筋直径一般为25～35mm，间距1．0～1．5m，长3～5m。趾板范围内的岸坡应满足自身稳定和防渗要求，为此，应认真做好该处岸坡的固结灌浆和帷幕灌浆设计。固结灌浆可布置两排，深3～5m。帷幕灌浆宜布置在两排固结灌浆之间，一般为一排，深度按相应水头的1／3～1／2确定。灌浆孔的间距视岸坡地质条件而定，一般取2～4m，重要工程应根据现场灌浆试验确定。为了保证岸坡的稳定，防止岸坡坍塌而砸坏趾板和面板，趾板高程以上的上游坡应按永久性边坡设计。

三、拱坝

（一）概述

1．拱坝的特点

拱坝是一空间壳体结构，坝体结构可近似看作由一系列凸向上游的水平拱圈和一系列竖向悬臂梁所组成，如图2－2－47所示。坝体结构既有拱作用，又有梁作用。其所承受的水平荷载一部分由拱的作用传至两岸岩体，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩，如图2－2－48所示。拱坝两岸的岩体部分称为拱座或坝肩；位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁称为拱冠梁，一般位于河谷的最深处。拱坝的稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用。拱坝是一高次超静定结构，当坝体某一部位产生局部裂缝时，坝体的梁作用和拱作用将自行调整，坝体应力将重新分配。所以，只要拱座稳定可靠，拱坝的超载能力是很高的。混凝土拱坝的超载能力可达设计荷载的5～11倍。

拱坝坝体轻韧，弹性较好，整体性好，故抗震性能也是很高的。拱坝是一种安全性能较高的坝型。拱坝坝身不设永久伸缩缝，其周边通常固接于基岩上，因而温度变化和基岩变化对坝体应力的影响较显著，必须考虑基岩变形，并将温度荷载作为一项主要荷载。在泄洪方面，拱坝不仅可以在坝顶安全溢流，而且可以在坝身开设大孔口泄水。目前坝顶溢流或坝身孔口泄水的单宽流量已超过200m3／（s·m）。拱坝坝身单薄，体形复杂，设计和施工的难度较大，因而对筑坝材料强度、施工质量、施工技术以及施工进度等方面要求较高。

2．拱坝对地形和地质条件的要求

（1）对地形的要求。左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。坝端下游侧要有足够的岩体支承，以保证坝体的稳定。以厚高比L／H来区分拱坝的厚薄程度。当L／H＜0．2时，为薄拱坝；当L／H＝0．2～0．35时，为中厚拱坝；当L／H＞0．35时，为厚拱坝或重力拱坝。

L／H值小，说明河谷窄深，拱的刚度大，梁的刚度小，坝体所承受的荷载大部分是通过拱的作用传给两岸，因而坝体可较薄；反之，当L／H值很大时，河谷宽浅，拱作用较小，荷载大部分通过梁的作用传给地基，坝断面较厚。

在L／H＜2的窄深河谷中可修建薄拱坝；在L／H＝2～3的中等宽度河谷中可修建中厚拱坝；在L／H＝3～4．5的宽河谷中多修建重力拱坝；在L／H＞4．5的宽浅河谷中，一般只宜修建重力坝或拱形重力坝。

左右对称的V形河谷最适宜发挥拱的作用，靠近底部水压强度最大，但拱跨短，因而底拱厚度仍可较薄；U形河谷靠近底部拱的作用显著降低，大部分荷载由梁的作用来承担，故厚度较大；梯形河谷的情况则介于这两者之间，如图2－2－49所示。

（2）对地质的要求。基岩均匀单一、完整稳定、强度高、刚度大、透水性小和耐风化等。两岸坝肩的基岩必须能承受由拱端传来的巨大推力，保持稳定并不产生较大的变形。

3．拱坝的形式

按拱坝的曲率分，有单曲拱和双曲拱，如图2－2－50所示；按水平拱圈形式分，有圆弧拱坝、多心拱坝、变曲率拱坝（椭圆拱坝和抛物线拱坝等），如图2－2－51所示。

（二）拱坝的荷载及组合

1．水平径向荷载

水平径向荷载有静水压力、泥沙压力、浪压力及冰压力等。

（1）静水压力是坝体上的最主要荷载，应由拱、梁系统共同承担，可通过拱梁分载法来确定拱系和梁系上的荷载分配。

（2）自重。坝体全部自重应由悬臂梁承担。

（3）扬压力。拱坝坝体一般较薄，坝体内部扬压力对应力影响不大，对薄拱坝通常可忽略不计。

2．温度荷载

拱坝为一超静定结构，在上下游水温、气温周期性变化的影响下，坝体温度将随之变化，并引起坝体的伸缩变形，在坝体内将产生较大的温度应力。温度荷载是拱坝设计的主要荷载。拱坝系分块浇筑，经充分冷却，当坝体温度逐渐降至相对稳定值时，进行封拱灌浆，形成整体。拱坝封拱一般选在气温为年平均气温或略低于年平均气温时进行。封拱时温度越低，建成后越有利于降低坝体拉应力。封拱时的坝体温度称为封拱温度。温度荷载是指拱坝形成整体后，坝体温度相对于封拱温度的变化值。在一般情况下，温降对坝体应力不利；温升将使拱端推力加大，对坝肩稳定不利。

3．地震荷载

由于拱坝的结构特性和对地震的反应与重力坝不同，拱坝应分别对顺流向和垂直流向的水平地震进行计算，一般不考虑竖向地震作用。

4．拱坝的荷载组合

拱坝的荷载组合分为基本组合和特殊组合两类。重力坝的基本荷载和特殊荷载划分也适用于拱坝，只是在基本荷载中还应列入温度荷载。拱坝的荷载组合应根据荷载同时作用的可能性，选择最不利情况。

（三）拱坝坝肩稳定

坝肩岩体失稳的最常见形式是坝肩岩体受荷载后发生滑动破坏。这种情况一般发生在岩体中存在明显的滑裂面，如断层、节理、裂隙、软弱夹层等。另一种情况是当坝的下游岩体中存在较大的软弱带或断层时，即使坝肩岩体抗滑稳定性能够满足要求，但过大的变形仍会在坝体内产生不利的应力，同样也会给工程带来危害。

改善坝肩稳定性的工程措施如下：

（1）通过挖除某些不利的软弱部位和加强固结灌浆等坝基处理措施来提高基岩的抗剪强度。

（2）深开挖。将拱端嵌入坝肩深处，可避开不利的结构面及增大下游抗滑体的重量。

（3）加强坝肩帷幕灌浆及排水措施，减小岩体内的渗透压力。

（4）调整水平拱圈形态，采用三心圆拱或抛物线等扁平的变曲率拱圈，使拱推力偏向坝肩岩体内部。

（5）如坝基承载力较差，可采用局部扩大拱端厚度、推力墩或人工扩大基础等措施。

（四）拱坝的泄流和消能

1．拱坝的泄流

拱坝坝身的泄水方式有自由跌落式、鼻坎挑流式、滑雪道式、坝身泄水孔式等。

（1）自由跌流式。泄流时，水流经坝顶自由跌入下游河床，如图2－2－52所示。自由跌落式适用于基岩良好、单宽泄洪量较小的小型拱坝。由于落水点距坝趾较近，坝下必须有防护设施。

（2）鼻坎挑流式。为了使泄水跌落点远离坝脚，常在溢流堰顶曲线末端以反弧段连接成为挑流鼻坎，堰顶至鼻坎之间的高差一般不大于6～8m，大致为设计水头的1．5倍，反弧半径约等于堰上设计水头，鼻坎挑射角一般为15°～25°。由于落水点距坝趾较远，可适用于泄流量较大的轻薄拱坝，如图2－2－53所示。

（3）滑雪道式。滑雪道泄洪是拱坝特有的一种泄洪方式，其溢流面曲线由溢流坝顶和紧接其后的泄槽组成，泄槽与坝体彼此独立，如图2－2－54所示。水流流经泄槽，由槽末端的挑流鼻坎挑出，使水流在空中扩散，下落到距坝较远的地点。由于挑流坎一般都比堰顶低很多，落差较大，因而挑距较远，适用于泄洪量较大、较薄的拱坝。

（4）坝身泄水孔式。在水面以下一定深度处，拱坝坝身可开设孔口。位于拱坝1／2坝高处或坝体上半部的泄水孔称为中孔；位于坝体下半部的泄水孔称为底孔。拱坝泄流孔口在平面上多居中或对称于河床中线布置，孔口泄流一般是压力流，比堰顶溢流流速大，挑射距离远。

2．拱坝的消能和防冲

拱坝水流过坝后具有向心集中现象，造成集中冲刷；拱坝河谷一般比较狭窄，当泄流量集中在河床中部时，两侧形成强力回流，冲刷岸坡。拱坝消能形式有水垫消能、挑流消能、空中冲击消能、底流消能。

（五）拱坝的构造及地基处理

1．拱坝对材料的要求

拱坝常用材料主要是混凝土，中小型工程常就地取材，使用浆砌块石。拱坝对材料有抗渗性、抗冻性和低热等方面的要求。

浆砌石拱坝对砌体强度和整体性的要求也比浆砌石重力坝高。因而，胶结材料强度等级一般采用M10左右。

2．拱坝的构造

（1）坝体分缝。拱坝是整体结构，不设置永久性横缝，为便于施工期间混凝土散热和降低收缩应力，需要分段浇筑，各段之间设有收缩缝，在坝体混凝土冷却到年平均气温左右，混凝土充分收缩后再用水泥浆封堵，以保证坝的整体性。收缩缝有横缝和纵缝两类。拱坝横缝一般沿径向或接近径向布置。拱坝较薄，一般可不设纵缝。对厚度大于40m的拱坝，经分析论证，可考虑设置纵缝。

（2）坝顶。坝顶宽度应根据交通要求确定。当无交通要求时，非溢流坝的顶宽一般不小于3m。溢流坝段坝顶布置应满足泄洪、闸门启闭、设备安装、交通、检修等的要求。

（3）坝体防渗和排水。拱坝上游面应采用抗渗混凝土，其厚度为（1／15～1／10）H，H为坝面该处在水面以下的深度。坝身内一般应设置竖向排水管，排水管与上游坝面的距离为（1／15～1／10）H，一般不少于3m。排水管应与纵向廊道分层连接。排水管间距一般为2．5～3．5m，内径一般为15～20cm，多用无砂混凝土管。

（4）廊道。为满足检查、观测、灌浆、排水和坝内交通等要求，需要在坝体内设置廊道与竖井。廊道的断面尺寸、布置和配筋基本上和重力坝相同。

（5）坝体管道及孔口。坝体管道及孔口用于引水发电、供水、灌溉、排沙及泄水。管道及孔口的尺寸、数目、位置、形状应根据其运用要求和坝体应力情况确定。

（6）垫座与周边缝。对于地形不规则的河谷或局部有深槽时，可在基岩与坝体之间设置垫座，在垫座与坝体间设置永久性的周边缝。

（7）重力墩。重力墩是拱坝坝端的人工支座。对形状复杂的河谷断面，通过设重力墩可改善支承坝体的河谷断面形状。

3．拱坝的地基处理

（1）坝基开挖。坝基开挖对于高拱坝应尽量开挖到新鲜或微风化的基岩，中坝应尽量开挖到微风化或弱风化中、下部的基岩。

（2）固结灌浆和接触灌浆。拱坝坝基的固结灌浆孔一般按全坝段布置。孔距一般为3～6m，呈梅花形布置，孔深一般为5～15m。固结灌浆压力，在保证不掀动岩石的情况下，宜采用较大值，一般为0．2～0．4MPa，有混凝土盖重时，可取0．3～0．7MPa。

为了提高坝底与基岩接触面上的抗剪强度和抗压强度，减少接触面的渗漏，要进行接触灌浆。接触灌浆的主要部位为坝与地基接触面的靠上游部分。

（3）防渗帷幕。拱坝防渗帷幕的要求比重力坝的要求更为严格。防渗帷幕一般采用水泥灌浆，当水泥灌浆达不到防渗要求时，可采用化学灌浆，但应防止浆液污染环境。

帷幕灌浆孔深度，应伸入相对不透水层。如果相对不透水层埋藏较深，帷幕孔深可采用0．3～0．7倍坝高。帷幕灌浆孔一般用1～3排，其中1排孔应钻灌至设计深度，其余各排孔深可取主孔深的0．5～0．7倍。孔距是逐步加密的，开始约为6m，最终为1．5～3．0m，排距宜略小于孔距。灌浆压力应通过灌浆试验确定，在保证不破坏岩体的条件下取较大值，通常顶部段不宜小于1．5倍、底部不宜小于2～3倍坝前静水头。

（4）坝基排水。排水孔与防渗帷幕下游侧的距离应不小于帷幕孔中心距离的1～2倍，且不得小于2～4m。主排水孔间距一般在3m左右，孔径不宜小于15cm。主排水孔深度在两岸坝肩部位可采用帷幕孔深的0．4～0．75倍，河床部位孔深不大于帷幕孔深的0．6倍，但不应小于固结灌浆孔的深度。

（5）断层破碎带或软弱夹层的处理。对于坝基范围内的断层破碎带或软弱夹层，应根据其产状、宽度、充填物性质、所在部位和有关的试验资料，分别研究其对坝体和地基的应力、变形、稳定与渗漏的影响，并结合施工条件，采用适当的方法进行处理。