土石坝是由土料、石料或土石混合料经抛填、碾压而成的坝体。这是一种最古老的也是世界各国广泛采用的一种坝型。截至1986年,全世界坝高超过15m的坝有36 235座,其中29 974座为土石坝,中国有17 475座,占58.3%。全世界250m以上的大坝9座,土石坝5座,占55.6%。土石坝溃坝失事也最多,占总溃坝的70%。截至1980年,中国土石坝溃坝2976起,其溃坝原因如表1-5所示。
土石坝具有如下优点:
(2)对地形、地质条件的要求相对较低。
(3)构造简单,施工技术易于掌握,工序少,便于组织机械化快速施工。
(4)工作可靠,管理简便,便于维修和加高、扩建。
土石坝的主要缺点是坝顶不能溢流(溢流量小的低坝采取专门措施者除外),必须另开溢洪道;施工导流不如混凝土坝便利;黏性土料的填筑受气候条件的影响较大。
表1-5 土石坝失事原因一览表
由于土石坝采用土石料修筑而成,为了维持稳定,其断面有较缓的边坡,比重力坝断面宽大得多,因此它不致发生如重力坝那样整体被水推跑的“稳定性破坏”,而可能发生坝坡塌滑,导致土石坝失稳破坏,这是土石坝失稳的独特形式。土石坝如设计不当或施工未达到设计要求,都可能造成坝坡或坝坡连同一部分地基的坍滑破坏。统计国内外土石坝破坏事故,其中约1/4是由此造成的。
另外,对于土石坝,绝不允许水流漫顶,否则有导致溃坝的危险。例如,1975年8月5~7日河南驻马店地区3天降雨达1600mm,8日0:30石漫滩水库漫溢决口溃坝,决口宽446m,至6:00水库泄空,下泄水量1.67×108m3。几乎同时,在8日1:00板桥水库漫溢决口,1:30溃坝,决口宽372m,至9:00水库泄空,下泄水量7.1×108m3。两处水流汇合形成南北宽150km、东西长300km的淹没区,水深都在2m以上,导致驻马店、南阳、许昌、周口、平舞等5个地区26个县(市)遭受严重水灾,受灾人口1029.5万人,450万人处在洪水围困之中,倒塌房屋524万间,106万人一贫如洗,一无所有。仅驻马店地区灾民就有540.6万人,伤亡120 626人,其中淹死22 564人。京广铁路102km受淹,有31km线路和40座桥梁被毁,中断运行18天,影响运输47天。据世界银行评估,整个灾害直接经济损失达30亿美元,全部经济损失达100亿美元。
根据筑坝施工方法的不同,土石坝主要可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水中倒土坝、水力冲填坝和水坠坝等。其中应用最广的是碾压式土石坝。按土料在坝体内的配置和防渗体的位置,碾压式土石坝又可分为以下几个主要类型(图1-14):
(1)单种土质坝(均质坝)。坝体剖面的全部或绝大部分由一种土料填筑,如图1-14(a)所示。其优点是材料单一、施工简单。但如果坝身材料黏性较大,雨季或冬季施工较为不便。当坝址附近有适宜土料时,是较常采用的坝型之一,特别是中小型水库采用得较多。
(2)塑性心墙坝。用透水性较好的砂或砂砾料作坝壳,以防渗性较好的黏性土作防渗体,设在坝剖面的中间部位,如图1-14(b)所示。这种型式比均质坝剖面小,工程量少。由于心墙土方量在总方量中所占比重不大,施工受季节影响也相对小些。缺点是施工时要求心墙与坝壳大体上同时填筑,容易互相干扰。(www.daowen.com)
(3)塑性斜墙坝。如图1-14(c)所示,由于外墙和坝壳两者施工干扰相对较小,在调配劳动力和缩短工期方面比心墙坝有利。当地基防渗采用水平铺盖时,便于斜墙和铺盖的连接。斜墙坝下游坡的稳定性也比心墙坝好,但它的上游坡较缓,黏土和总工程量可能较心墙坝大些,其抗震性和对不均匀沉陷的适应性也都不如心墙坝。
图1-14 碾压式土石坝的类型
(4)多种土质坝。这类坝是由几种性质不同的土料筑成的。当坝址附近有多种土料且各自数量又有限时,可采用多种土质坝。按坝体材料透水性分布规律不同,可分为斜墙多种土质坝[图1-14(d)]和心墙多种土质坝[图1-14(e)]。
(5)土石混合坝。如坝址附近砂和砂砾不足,而石料(包括挖方石料)较多,上述多种土质坝的一些部位以石料代替砂料,即成为土石混合坝。当前国内外高土石混合坝日益增多,图1-14(f)、(g)分别是心墙、斜墙土石混合坝。为改善坝体应力状态,近代修建的高土石坝常做成图1-14(h)式的斜墙土石混合坝。
由于土石坝是塑性坝,允许变形较大,基础面积大,地基承担的应力较小,因此各类坝型中土石坝对坝基的要求最低,对坝基的适应性较强。但由于土石坝大部分是建在不太坚硬的地基上,因此,绝不能忽视对地质问题的研究和处理。土石坝对坝基有以下几方面的要求:
(1)要有足够的承载力,使坝基不致产生过大的沉陷和不均匀沉陷。
(2)要有足够的抗剪强度,使土石坝保持稳定。坝基中不应有可以引起滑动的软弱面。
(3)坝基透水性要小,要有足够的抗渗透变形能力,不致产生显著的渗漏和渗透变形。
(4)就近要有足够的合乎质量的建筑材料。
(5)要有修建溢洪道等建筑物的地形、地质条件。因为土石坝坝身不能溢流,必须应有适宜修建溢洪道等建筑物的地形、地质条件。
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