[拼音]：tuba

[外文]：earth dam

利用當(dāng)?shù)赝亮虾蜕?、砂礫、卵礫、石碴、石料等筑成的壩。它是一種古老而至今還不斷發(fā)展并得到廣泛使用的擋水建筑物，有時(shí)也稱(chēng)土石壩。土壩優(yōu)點(diǎn)是：

（1）筑壩材料取自當(dāng)?shù)兀晒?jié)省水泥、鋼材和木材；

（2）對(duì)壩基工程地質(zhì)條件要求比其他壩型低；

（3）抗震性能較好等。其缺點(diǎn)是：

（1）一般需在壩外另行修建昂貴的泄水建筑物，如溢洪道、隧洞等；

（2）如庫(kù)水漫頂，將垮壩失事，故抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水能力較差。

沿革

公元前2200多年，巴比倫人已在幼發(fā)拉底河修建土壩。公元前印度和埃及也建了一些土壩。為了防御黃河洪水，早在春秋（公元前770～前476）以前中國(guó)人民就沿黃河兩岸修建土堤，經(jīng)歷代擴(kuò)充加固，至今總長(zhǎng)已達(dá)1498km。就結(jié)構(gòu)而言土堤也是土壩。公元前598～591年在安徽省壽縣修建堤堰，形成安豐塘水庫(kù)。17和18世紀(jì)俄國(guó)在烏拉爾等地修了 200多座土壩。19世紀(jì)末美國(guó)修建一些水力沖填壩，到1900年，美國(guó)土壩總數(shù)超過(guò)100座。

土力學(xué)于20世紀(jì)成為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科，其理論實(shí)踐和測(cè)試手段日臻完善。近年來(lái)大功率高工效的大型土方機(jī)械相繼出現(xiàn)，加之土壩本身所具有的上述優(yōu)點(diǎn)，遂使土壩得到迅速發(fā)展，在世界壩工中所占比例日益增加。在1961～1968年世界修建的100m以上高壩中，土壩僅占38％，而1975～1977年迅速提高到62％。蘇聯(lián)羅貢壩高335m，為世界最高的壩。自1949～1980年底，在中國(guó)已建約2600座大中型水庫(kù)大壩中，土壩約占90％。

筑壩材料

依其在壩內(nèi)功用可分為三類(lèi)。

防滲料

用以填筑土壩防滲體，減少庫(kù)水滲漏。防滲土料應(yīng)有較小的滲透系數(shù)、較好的滲透穩(wěn)定性和一定的塑性。粘性土一般都可用作防滲料，但沼澤土、班脫土、地表土及含有未完全分解有機(jī)質(zhì)的土料不宜采用。防滲料鹽類(lèi)含量不得超過(guò)規(guī)范的允許值。上壩土料的含水量(水和干土的重量比)應(yīng)控制在最優(yōu)含水量附近，使施加相同的壓實(shí)功能可獲得最大干容重（單位體積干土重）。如料場(chǎng)的天然含水量過(guò)干或過(guò)濕應(yīng)進(jìn)行處理。近年來(lái)世界上廣泛采用礫石土作為高土壩的防滲料。這種土同時(shí)含有粒徑大于5mm的粗粒和小于5mm的細(xì)粒，但粗粒含量一般不要超過(guò)50％，以滿(mǎn)足防滲要求。礫石土同時(shí)具備粗粒土和細(xì)粒土的特點(diǎn)，強(qiáng)度高，壓縮性低，透水性小，為理想的防滲料。缺點(diǎn)是抗裂性能差一些。由于礫石土的采用，使防滲土料級(jí)配范圍大為擴(kuò)大（圖1）。除土料外，混凝土、鋼筋混凝土、瀝青混凝土亦可用作防滲料。

壩殼料

用來(lái)填筑壩殼，支撐防滲體，保持壩坡穩(wěn)定，將通過(guò)防滲體和壩基的滲水排往下游。砂、砂礫、卵礫石、碎石、石料以及從基坑挖出來(lái)的石碴均可用作壩殼料。均勻粉細(xì)砂不易壓實(shí)，遇地震易液化，應(yīng)慎用。20世紀(jì)60年代以后采用大型震動(dòng)平碾分薄層壓實(shí)壩殼料，使開(kāi)挖出來(lái)的風(fēng)化巖和軟巖都可上壩，擴(kuò)大了壩殼料的使用范圍。

反濾料

設(shè)在壩內(nèi)粗細(xì)料之間，要求質(zhì)地致密堅(jiān)硬，含泥量不超過(guò) 5％。反濾料應(yīng)既能排水通暢又不讓被保護(hù)材料流失。材料級(jí)配和層數(shù)由計(jì)算或試驗(yàn)確定。反濾料可來(lái)自篩分天然砂礫料或人工軋碎的骨料，也可直接采用天然砂礫料。為防止剛度突變而在壩體設(shè)置的過(guò)渡料，兼具反濾作用，且一般較厚，有利于施工。

分類(lèi)

按施工方法土壩可分為三類(lèi)。

（1）碾壓壩：利用碾壓機(jī)具分層壓實(shí)筑壩材料。碾壓壩比較密實(shí)，完工后沉陷量較小，一般不超過(guò)壩高的1％，抗剪強(qiáng)度較高，壩坡較陡，節(jié)省工程量。這種壩歷史悠久，使用最廣。世界上絕大部分土壩都是碾壓壩。以干容重作為控制碾壓的標(biāo)準(zhǔn)，上壩土料的含水量應(yīng)控制在最優(yōu)含水量附近。碾壓壩所用的碾壓機(jī)具多種多樣，從人工硪夯到各種不同功率的機(jī)械夯碾，可根據(jù)筑壩材料和氣象條件選用，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)確定最優(yōu)碾壓參數(shù)，如碾壓層厚度和碾壓遍數(shù)等。

（2）水中填土壩：分層將土填入靜水中，土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被水崩解，在運(yùn)土及填土自重作用下得到壓實(shí)。所用土料要求遇水容易崩解濕化。水中填土壩塑性大適應(yīng)變形能力強(qiáng)，基本不用碾壓機(jī)具，填筑受氣候影響小，對(duì)料場(chǎng)含水量要求不嚴(yán)格；但施工工序較復(fù)雜，填土干容重低、含水量高，其強(qiáng)度低、壓縮性高，壩坡比碾壓壩緩，完工后沉陷量較大。施工期壩坡穩(wěn)定為控制大壩安全的關(guān)鍵，應(yīng)嚴(yán)格控制填土含水量和壩體上升速度并需設(shè)壩內(nèi)排水。水中填土壩先在蘇聯(lián)得到發(fā)展，中國(guó)已建成700多座。壩高達(dá)61.4m的山西汾河水庫(kù)水中填土壩建于1960年，為當(dāng)時(shí)世界上最高的水中填土壩。

（3）水力沖填壩:利用水槍、挖泥船等水力機(jī)械挖掘土料，和水混合一起，用泥漿泵通過(guò)輸泥管送到壩面由土埝圍成的地塊中，水經(jīng)由排水管排到壩外，土粒沉淀下來(lái)，在自重及排水產(chǎn)生的滲透壓力作用下得到壓實(shí)。如地形適宜，泥漿可經(jīng)由渠道自流進(jìn)入壩面，這在中國(guó)被稱(chēng)為水墜壩。水力沖填壩適用于透水性較強(qiáng)的砂性土，可連續(xù)作業(yè)，工效高，不用運(yùn)輸及碾壓機(jī)具。這種壩施工期間填土完全被水飽和，干容重和強(qiáng)度均低，壓縮性高，并在壩體上部形成“流態(tài)區(qū)”，對(duì)上下游壩坡施加泥水推力，易招致滑坡和裂縫，需放緩壩坡，設(shè)壩內(nèi)排水，并限制大壩上升速度。第二次世界大戰(zhàn)后蘇聯(lián)曾在齊姆良、古比雪夫等一些大型水利樞紐上修建規(guī)模巨大的水力沖填壩。中國(guó)建造了很多水墜壩，其中以廣東省68m的高坪壩為最高。

按照筑壩材料在壩內(nèi)的配置可將土壩分為：

（1）均質(zhì)土壩:壩體主要由一種筑壩材料筑成。

（2）多種土質(zhì)壩:壩體由幾種筑壩材料筑成；防滲料位于壩體中間或上游。

（3）心墻土壩：防滲料位于壩體中間，上下游壩殼為單一的透水料。

（4）斜墻土壩：防滲料位于壩體上游，下游為單一的透水壩殼。

壩體構(gòu)造

根據(jù)自然條件、運(yùn)用要求和工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)決定。

護(hù)坡

為了防止風(fēng)浪和雨水沖刷，以及凍脹干裂等有害作用，應(yīng)設(shè)上下游護(hù)坡。上游護(hù)坡材料可用：拋石、干砌石、漿砌石、混凝土、鋼筋混凝土、瀝青混凝土等。下游護(hù)坡材料可用：干砌石、碎石、卵石、草皮等。

壩面排水

為了排除壩面雨水，應(yīng)在下游壩坡設(shè)縱橫向排水溝，用以攔截匯集雨水，排到壩下游。

壩頂構(gòu)造

土壩一般不允許壩頂過(guò)水，故壩頂應(yīng)超出庫(kù)水位一定高度，具體超高由計(jì)算確定。通常在壩頂上游側(cè)用漿砌石、混凝土或鋼筋混凝土等修建堅(jiān)固不透水的防浪墻。壩頂寬度由施工、運(yùn)行和交通等要求確定。壩頂蓋面材料常用碎石、單層砌石或預(yù)制混凝土塊。

與岸坡及混凝土建筑物的連接

與土壩連接的岸坡應(yīng)處理成上下均勻平順，不得過(guò)陡，不出現(xiàn)突變、臺(tái)階或倒坡，以免土壩因不均勻沉陷而產(chǎn)生裂縫。在岸坡接頭處常將心墻或斜墻局部擴(kuò)大，以延長(zhǎng)接觸面滲徑。對(duì)于巖石岸坡通常沿土壩防滲體與基巖接觸面設(shè)混凝土齒墻，并在墻底設(shè)灌漿帷幕向岸內(nèi)延伸一定距離，以增加繞壩滲徑。與土壩連接處的附近岸坡，蓄水后應(yīng)保持穩(wěn)定，否則應(yīng)挖成穩(wěn)定坡或填筑壓坡棱體。

土壩與混凝土建筑物連接多采用重力墻。按其平面形狀通常分為L(zhǎng)型、側(cè)墻式和插入式 (圖2)。插入式多用于高壩，其余多用于中低壩。對(duì)于側(cè)墻式及插入式常設(shè)深入土壩防滲體的刺墻。沿重力墻與土壩防滲體接觸面一定寬度范圍內(nèi)，最好填筑粘性高的土料，以提高抗接觸沖刷能力。為避免不均勻沉陷，重力墻與防滲體接觸不采取垂直坡。

壩基防滲和排水

目的是為蓄水后，保證壩基滲透穩(wěn)定，控制滲流量。

壩基防滲

（1）土基：清除腐植土層，然后將表土壓實(shí)，沿土壩防滲體與土基接觸面設(shè)置若干小齒槽回填防滲料，以延長(zhǎng)滲徑加強(qiáng)連接。

（2）巖基：清除表面松動(dòng)巖石，用水泥砂漿或噴漿封堵表面裂隙；對(duì)防滲體下面巖石進(jìn)行帷幕灌漿。

（3）砂礫地基：如砂礫層不厚，一般開(kāi)挖截水槽（圖3a<），用防滲料回填并壓實(shí)，將砂礫層截?cái)?。截水槽上下分別與防滲體及基巖連接，必要時(shí)在基巖中設(shè)置灌漿帷幕。如砂礫層比較厚，可用防滲料填筑上游水平鋪蓋與土壩防滲體連接（圖3b），以延長(zhǎng)壩基滲徑，保證滲透穩(wěn)定，但一般對(duì)減少壩基滲流量的作用不如垂直防滲。

深厚砂礫壩基常采用垂直防滲，建造混凝土防滲墻截?cái)嗌暗[層（圖3c）。防滲墻上部插入土壩防滲體，下部與基巖連接，必要時(shí)在基巖中設(shè)灌漿帷幕。加拿大馬尼克三級(jí)壩防滲墻深達(dá)131m，為世界最深者。如砂礫級(jí)配合適，具備適宜吸漿能力，可對(duì)砂礫層進(jìn)行灌漿，形成防滲灌漿帷幕截?cái)嗌暗[層（圖3d）。

壩基排水

匯集壩基和壩體滲水排出壩外。排水設(shè)施的透水性應(yīng)遠(yuǎn)大于周?chē)牧喜M(mǎn)足過(guò)渡要求。常用的排水形式有：

（1）棱體排水：設(shè)于下游壩址，降低壩體浸潤(rùn)線(xiàn)，排除壩體和壩基滲水，增加下游壩坡穩(wěn)定（圖4a）。

（2）貼坡排水：沿下游壩坡鋪設(shè)（圖4b），施工和維修均方便但不能降低壩體浸潤(rùn)線(xiàn)。

（3）壩內(nèi)排水：常用的有褥墊排水，從下游壩址伸入壩內(nèi)一定距離（圖4c），常用于弱透水基上的均勻土質(zhì)壩，降低壩體浸潤(rùn)線(xiàn)的作用顯著。如排水料不足，可改用網(wǎng)狀排水，由縱向連續(xù)排水帶及橫向間隔排水組成（圖4d）?？v向排水帶降低壩體浸潤(rùn)線(xiàn)并匯集滲水，經(jīng)橫向間隔排水導(dǎo)出壩外。

（4）減壓井：常設(shè)于上下層分別為弱透水層和強(qiáng)透水層，且弱透水層較厚，或強(qiáng)、弱透水層互為夾層的透水基礎(chǔ)中。減壓井一般伸入強(qiáng)透水層一定深度，或?qū)⑵浯┩钢钡只鶐r面，以對(duì)壩基排水減壓。滲水經(jīng)井中濾管和出水管導(dǎo)至地面。如基巖存在幾個(gè)強(qiáng)透水層，應(yīng)分別設(shè)置減壓井。

（5）排水溝：如表層弱透水層較薄，常將其挖穿直抵下面強(qiáng)透水層，形成排水溝，以排除壩基強(qiáng)透水層中的滲水。

土壩計(jì)算

一般包括以下四個(gè)方面。

滲流計(jì)算

確定壩體浸潤(rùn)線(xiàn)、壩體及壩基流網(wǎng)、滲流量及出逸比降、庫(kù)水位下降時(shí)上游壩體自由水面位置及孔隙壓力(土孔隙中超出大氣壓力的相對(duì)壓力值)，以供壩坡穩(wěn)定分析使用，及了解滲漏量并確保滲透穩(wěn)定。根據(jù)壩體和壩基的滲透系數(shù)、邊界條件及上下游各種水位組合，通過(guò)手繪流網(wǎng)、數(shù)值計(jì)算和模擬試驗(yàn)求解。解算時(shí)，一般簡(jiǎn)化為二向問(wèn)題，對(duì)于三向滲流場(chǎng)如岸邊繞流，可用數(shù)值分析或模擬試驗(yàn)求解。

穩(wěn)定計(jì)算

土壩體積很大，在水壓力作用下整個(gè)壩體產(chǎn)生水平滑動(dòng)的可能性通常不存在，故僅需核算上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定。一般分施工期、穩(wěn)定滲流期和庫(kù)水位降落期三種類(lèi)型。土體抗剪強(qiáng)度由下式確定：

式中τ為土體抗剪強(qiáng)度；σ為垂直于滑動(dòng)面的法向總應(yīng)力；μ為孔隙水壓力；σ′為法向有效應(yīng)力；σ′、φ′為土料有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，分別代表凝聚力和內(nèi)摩擦角，由試驗(yàn)確定。

均質(zhì)土壩、厚心墻和厚斜墻壩常用滑動(dòng)圓弧法計(jì)算壩坡穩(wěn)定（圖5a）。假定滑動(dòng)面為圓弧，分成若干土條，不計(jì)條塊間作用力，計(jì)算公式：

式中K為抗滑安全系數(shù)，不低于規(guī)定值;N、T分別為作用在土條底部的法向和切向應(yīng)力；W為任一土條重；U為作用在土條底部的孔隙壓力;α為土條重力線(xiàn)與通過(guò)土條底面中點(diǎn)的圓弧半徑之間夾角;L為滑弧穿過(guò)的有凝聚力部分的弧長(zhǎng)。試算若干滑弧，求得最小安全系數(shù)K。20世紀(jì)50年代A.W.畢肖甫等人還提出計(jì)入條塊間作用力的計(jì)算方法。

對(duì)于壩基有軟弱夾層或薄心墻、薄斜墻壩，宜用滑楔法（圖5b）：假定滑動(dòng)面為折線(xiàn)，滑楔間作用力假定平行于坡面或?yàn)樗较颉Ｑ卣劬€(xiàn)將各種材料的抗剪強(qiáng)度除以K后，滑楔處于極限平衡狀態(tài)，此K值即所求安全系數(shù)。最小的安全系數(shù)由假設(shè)不同滑動(dòng)面試算求得。如在地震區(qū)，應(yīng)將地震力作為外力加入計(jì)算。

沉降計(jì)算

確定壩體和壩基在自重作用下的總沉降量、沉降量與時(shí)間的關(guān)系及完工后的沉降量。據(jù)此計(jì)算竣工后為抵消沉降而預(yù)留的壩頂超填，預(yù)測(cè)不均勻沉降量，判斷壩體產(chǎn)生裂縫的可能性和預(yù)防措施。計(jì)算方法是根據(jù)壩體和壩基土的壓縮曲線(xiàn)，及時(shí)刻t壩體和壩基的豎向總應(yīng)力和孔隙壓力分布，用分層總和法計(jì)算。即把壩體壩基分為若干層，計(jì)算時(shí)刻t各層中心所受豎向有效應(yīng)力（等于豎向總應(yīng)力減孔隙壓力）及相應(yīng)沉降量，將各層沉降量迭加，得時(shí)刻t及完工后壩體和壩基的沉降量。

應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算

用有限單元法計(jì)算壩體壩基及岸坡接頭在填土自重及其他荷載作用下的填土應(yīng)力應(yīng)變，以判斷是否發(fā)生剪切破壞、有無(wú)過(guò)量變形、是否存在拉力區(qū)和裂縫、防滲土體是否發(fā)生水力劈裂，以及為壩體穩(wěn)定分析和與土壩銜接建筑物的設(shè)計(jì)提供依據(jù)等。

參考書(shū)目

1. 水利電力部第五工程局、水利電力部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院：《土壩設(shè)計(jì)》，上冊(cè)、下冊(cè)，水利電力出版社，北京，1978。
2. J.L.Sherard，et al.，Earth and Earth-Rock dams，John Wiley & Sons，New York，1963.

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標(biāo)簽：土壩

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文章名稱(chēng)：《土壩》

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