SL 189-1996（条文说明） 小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则.pdf

1、中华人民共和国行业标准小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则SL 189-96 条文说明日次1 总则.34 2 坝址选择及枢纽布置.36 2. 1 坝址选择362. 2 枢纽布置373 坝型选择.39 4 筑坝材料及填筑标准.43 4.1 筑坝材料64. 2 填筑标准.50 5 坝基处理.53 5. 1 砂砾石地基处理. 53 5.2 易液化土及软土地基处理.58 5.3 湿陷性黄土地基处理615.4 岩石及岩溶地基处理625.5 坝体与地基和岸坡的连接.63 6 坝体结构.65 6.1 坝顶超高.65 6.2 坝顶构造.666.3 坝坡666.4 防渗体676.5 反滤层及过渡层 68 6.

2、6 坝体排水.69 6.7 护坡696.8 坝面排水707 坝的计算.72 7.1 渗流计算727. 2 稳定计算737.3 沉降计算8 观测设计.76 33 1 总则1. O. 2 (水利水电枢纽工程等级划分及设计标准)(平原、滨海部分)(SD21787)规定，枢纽工程挡水建筑物的高度不大于15m，上下游水头差不大于10m，故条文中对坝高未做规定，该标准中4、5级碾压式土石坝的设计可按本导则的规定使用。山区及丘陵区的坝高超过30m的4、5级碾压式土石坝的设计，可按照碾压式土石坝设计规范)(SD218-84)的有关规定执行。1.0.3 在全国大、中、小型水库垮坝事故中，小型土石坝占绝大多数，主

3、要为漫坝和质量问题。虽然质量事故中包含施工的原因，但不难看出，以往小型土石坝由于缺少调查研究和勘测设计工作不周，造成垮坝或不能发挥效益的工程较多。为此提出小型土石坝的设计，应在尊重科学的基础上，努力提高设计水平，以保证工程质量，发挥工程效益，节省投资。1. O. 4 小型土石坝工程应进行必要的测量(包括查清汇水面积及库容)、地质勘探和试验工作，以避免困地质情况不清楚而造成水库建成后失事、不能蓄水兴利、处理工作量大等问题。对于构造简单的岩基，可以由有经验的地质工程师经查勘并配以一定数量的坑槽探等，取得必要的资料，提出地质报告。对于复杂的岩基和覆盖层，应查明基岩的构造、风化程度、透水性等，覆盖层的

4、分层厚度、级配、掺透、压缩性等。1. O. 5 小型水库由于漫坝而造成的事故，占土石坝垮坝的多数，这表明以往小型水库设计，对于水文、气象这一基本资料的收集和分析不够深入。为此要求进行水文、气象的调查，使水账可靠，做好水利计算，合理确定水库水位和坝高，以发挥水库兴利放益和防洪效益。由于4、5等级工程所在的河流往往缺少实测资料，可利用各地编制的水文图集和水文手册进行分析计算。有34 条件的还应调查库、坝区的历史洪水。1. O. 6 小型水利水电工程碾压式土石坝的设计除遵守本导则的规定外，还应按照棍凝土面板堆石坝设t导则)(DL5016-93)、土石坝沥青混凝土面板和心墙设计准则)(SL01-88)

5、、水工建筑物抗震设计规范)(SD10-78试行)和其他有关的规程、规范执行。由于有些规程、规范已经修订或拟进行修订，因此要注意使用新的版本。35 2 坝址选择及枢纽布置2. 1 坝址选择2.1.1 坝址应选在地形地质条件有利的地方，使库容大，淹没少，有修建世水建筑物的位置，工程量少，附近有适宜的建筑材料，施工方便，投资省。建库后不直接威胁下游村镇的安全。2.1.2 土石坝虽能适应各种地质条件，但基础处理的费用差别很大，选择坝址应重视地质工作，选择地质条件好的地基，以便减少地基处理工作量，缩短工期，节约投资。2.1.3 深厚的强透水砂砾石层地基处理比较复杂。采用垂直防渗效果显著但施工复杂，投资较

6、大。如采用水平铺盖，当地质条件比较简单，可达到一定的防渗效果，如地基条件复杂，对解决渗流稳定和减少渗流量方面有时效果并不理想。在岩溶发育地区、严重风化破碎的岩层或大的断层带上建坝，易产生严重渗漏，处理工作复杂，投资大。软弱的地基，如粉细砂、软粘土、淤泥等承载力很低，在其上筑坝，坝体易产生较大的不均匀沉陷及变形，甚至滑动。地震区的粉细砂层还可能产生液化。因此宜尽量避免在上述地区筑坝。当不能避开时，应针对地基特点，采取相应的处理措施。2.1.4 选择坝址时应避免水库蓄水后可能导致库区产生大的甥岸、滑坡，以免减少库容，可能产生涌浪威胁大坝安全，堵塞泄洪设施进口引起洪水漫坝事故，或影响库岸附近村镇、设

7、施的安全。尤其是温陷性黄土浸水后，抗剪强度大幅度降低，容易引起库岸拥塌，应尽量设法避开，否则应采取适当的措施。在丘陵或平原地区建坝，应避免水库蓄水后因周围地下水位升高，而引起大面积农田或村镇的浸没。36 2.2 枢纽布置2.2.1 土石坝枢纽建筑物组成应根据水库任务确定。小型水库一般有拦河坝、溢洪道、输水洞及水电站等。是否设置泄洪洞可结合地形地质条件，以及施工导流、放空水库及排砂等使用要求决定。少数水库还有过木或过鱼要求。枢纽布置方案应通过技术经济比较后选定。2.2.2 大坝布置直接影响枢纽其他建筑物的布置，因此必须要紧密结合枢纽的总体布置，使枢纽整体达到经济合理。坝轴线一般宜采用直线。如需转

8、折，在转折处宜布置成曲线，避免突变。坝轴线两端的岸坡应有足够的高度和厚度，坡度较缓没有突变，以利与坝体连接，防止产生不均匀沉降。2.2.3 溢洪道宣布置在高程较低的天然埋口上，以避免深挖方并节省开挖量。如天然埋口地质条件比较复杂，应予查明，并采取相应处理措施，经技术经济比较后确定。当坝址附近无天然哑口，也可将溢洪道布置在坝头。用浆砌石或1昆凝土导墙将溢洪道和土坝隔开。土坝上游坝坡应有可靠的砌护，防止横向水流冲刷坝坡。溢洪道出口应有可靠的消能措施，并应使1肖能后的水流顺畅地泄入下游河道。为避免水流冲刷或回流淘刷坝脚，下泄水流距坝脚应有一定距离。2.2.4 因溢洪道泄槽一般流速较高，轴线宜布置成直

9、线，如受地形限制布置成曲线时，则宜将弯道布置在流速较低的进水引渠和出水渠上。2.2.5 开敞式溢洪道超泄能力大，施工和管理方便，故小型土石坝宜优先采用。为便于运行管理且节约投资，小型土石坝一般不设闸门，堪顶高程与正常蓄水位平。但当下游有防洪要求，或汛后抬高水位利用防洪库容蓄水时，站在洪道也可设置闸门，但必须有可靠的电源，健全的管理，能保证及时启闭闸门。2.2.6 溢洪道宜尽量选择在岩基上，是否要做衬砌以及衬砌的长37 度，主要取决于岩基的完整性、抗冲能力和溢洪道的流速及过水时间的长短。如不做衬砌，对断层破碎带、节理和裂隙密集带等缺陷应进行处理。例如采用开挖回填握凝土塞、水泥砂浆填缝等措施。软基

10、溢洪道应建在密实的土层上，单宽流量不宜过大。陡槽及侧壁可采用棍凝土或浆砌石防护。堪体上游做好防渗，陡槽及消力池底板下应设排水系统。软基溢洪道宜采用底流式消能。岩基溢洪道可用挑流消能。2.2.7 输水洞是灌溉、发电或放空水库的建筑物。为了减少工程量和节约投资，已建工程中有不少采用坝下埋管型式。实践经验表明，坝下埋管病害较多，往往引起坝体破坏，使水库不能正常蓄水，甚至导致大坝失事。坝下埋管一旦破损，处理相当困难。故当坝址区有修建隧洞的地形地质条件及施工条件时，宜优先采用隧洞。但隧洞施工较复杂，一般造价较高，因此，应通过技术经济比较后确定。2.2.8 地基不均匀沉降导致坝下埋管断裂、错位、变形的实例

11、很多，因此，坝下埋管宜尽量建在岩基上。如需建在土基上，土基必须坚实、均一。不能建在两种刚性相差很大的地基上。地震烈度在7度或7度以上的地区，软基上不应建坝下埋涵，以免地震时管道断裂，危及坝的安全。2.2.9 坝下埋管管的轴线宜与河流主流方向一致，使出流与下游河道水流连接平!啊。2.2.10 坝下埋管应优先采用明流，不得在明满流交替状况下工作。为满足检查和维修的要求，埋管的最小断面尺寸建议如下:圆形断面内径1.0 m，城门洞型断面高1.41. 5 m，宽0.8m。2.2.11 因浆砌石容易漏水，坝下埋管不宜采用浆砌石。如采用浆砌石，则必须做好防渗处理，防止埋管内水外渗或坝体外水内渗。以下做法可供

12、参考:采用料石，用坐浆法砌筑;砂浆标号不得低于100号;砌好后应将洞内外砌缝凿除45cm，用水泥砂浆勾缝;在洞内外抹5cm厚水呢砂浆防惨层。38 3 坝型选择3.0.1 在巳建的小型土石坝工程中，以人工材料作防渗体的土石坝数量较少，但是在一些缺少合适防惨土料而又有充足石、砂料的地区，采用这种坝型是合适的。常见的坝型有钢筋混凝土面板坝、拥青混凝土面板坝、沥青混凝土心墙坝和土工膜防渗土石坝。在没有适宜布置岸边溢洪道的地方，如单宽流量不大、消能可靠的条件下，采用过水土石坝解决小型水库工程的泄洪问题是一个较好的办法。国内外的工程实践表明，由于小型碾压式土石坝坝高不大且溢洪量小，故只要慎重对待，修建过水

13、土石坝是可行的。图3.0.1-1图3.O. 1-4为常见小型碾压式土石坝坝型代表断面图。主个飞2图3.0.1-1均质土坝1一均质土，2一坝趾排水体;3一截水槽;4-覆盖层;5一不透水地基3.0.3 统计资料表明，已建小型土石坝工程中，均质土坝的数量占很大比例。这是因为，小型土坝所需土料少，般坝址附近都能提供坝体所需的土料，施工方便，便于质量控制，较适宜于非专业性施工队伍施工。因此宜优先选用该种坝型。3. O. 43. O. 5 近二三十年来，由于采用振动碾碾压堆石，使得混凝土面板堆石坝获得很大发展。这种坝型在小型土石坝工程中也有发展前途。面板堆石坝坝体最好修建在岩基上。坝体也可修建在砂砾石地基

14、上，但应查明砂砾石的性状、厚度及分层情况，要求砂砾石层中不存在软弱土层，但趾板宜修建在基岩上。如砂砾39 二司头38 4 7 (a) 之宝之斗。图3.O. 1-2 土质防渗体土石坝(a)心墙土石坝;(b)斜墙土石坝1一块石护坡;2反滤层I3一坝趾排水体I4一截水槽I5一土质心楠，6一砂砾料或堆石;7一覆盖层;8-不透水地基;9一斜精保护层s10一坝趾排水体;1一土质斜墙4严(a) (b) 图3.O. 1-3 人工防渗体土石坝(a)面板堆石坝;(的心墙土石坝l一人工防渗材料面板I2一趾板I3一垫层及过渡区I4一堆石或砂砾料，5-人工防渗材料心墙I6一垫层石层比较密实，厚度较大，也可将趾板修建在砂

15、砾石上，但应做好坝基垂直防渗处理及与趾板的连接。3.0.6 近年，随着人工合成材料的发展，用土工膜防渗的土石坝逐渐兴起。土工膜不仅防惨性能好，而且具有质量轻、柔性好、强40 -_ 立一一一rd15 KgK, 细粒土095(;210m 09od15 KgK, 注:095(090)一-土工织物的等效孔径，表示织物中95%(90%)的孔径低于该值;K g -_土工织物在可能压力下并考虑淤堵后的渗透系数gK，一一被保护土的渗透系数;d85(d15)一-被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的85%(15%)。49 4.2 填筑标准4.2.1 坝体填筑料应采用碾压机具分层压实，达到规定的密实度和均匀性

16、，使之具有足够的抗剪强度，保证坝坡稳定;较小的压缩性减小坝体沉陷量和不均匀沉陷，防止坝体出现裂缝;此外还要满足渗流稳定要求。坝体填筑标准并非越高越好，设计要根据坝型、筑坝材料和施工能力等综合考虑，使确定的填筑标准既技术可靠、又经济合理。4.2.2 粘性土料的填筑控制主要是确定填土的干密度和填筑含水量。填土的干密度和含水量与压实功能之间存在着密切关系。在压实功能一定的情况下，对应于最优含水量，可得到一个最大干密度。一般情况下土的最优含水量接近塑限。根据实践经验，针对小型土石坝的特点，本条文规定填筑含水量与最优含水量的允许偏差为土3%。坝体填筑的密实度一般采用标准击实仪试验的最大干密度乘以压实度(

17、P)来确定，取P=O.950. 97，如无做试验的条件，也可参考己建工程经验确定设计干密度，并在施工过程中校核与修正。4.2.3 砾石土的干密度与其粗料(d5mm)含量有一定的关系;如含量小于40%时，细料为主体，砾石充填其中。当砾石含量大于40%时，则砾石起骨架作用，细料充填其中，细料不能压到最大干密度。对于砾石土，最好采用大型击实仪进行全样击实试验，求得相应于不同粗料含量的全样最大干密度和最优含水量。将最大干密度乘以压实度o.950. 97确定填筑标准。如无进行大型击实试验条件，可区别以下两种不同情况;通过公式计算，确定填筑标准z(1)粗料含量小于40%时，可取其细料部分进行击实试验，确定

18、细料最大干密度和最优含水量，再用公式(4.2.3-1)、公式(4.2.3-2)计算相应于不同粗料含量的砾石土全样最大干密度和50 最优含水量，乘以压实度O.950. 97，得控制填筑干密度。(2)粗料含量大于40%时:先采用与以上相同办法求出相应于不同粗料含量的全样最大干密度和最优含水量;但考虑到此时砾石已起骨架作用，细料数量又逐渐减少，故孔隙中的细料难以压到相应于小型击实试验得出的最大干密度，全样最大干密度也低于用式(4.2.3-1)算出的数值，应进行修正后乘以压实度O.95 O. 97作为填筑控制干密度。修正办法可参照能源部、水利部水利水电规划设计总院(1989年版)编制的碾压式土石坝设计

19、手册第六章第一节或其他有关参考资料。也可以不用上法修正而适当降低压实度。如粗料为风化料，压实后，粗料易破碎变细，可采用碾压后的粗料含量查出相应的干密度，再降低压实度。根据工程实践经验，用作防渗体的砾石土，根据不同粗料含量，干密度为1.82. 2 g/cm3o 4.2.4 相对密度是反映非粘性土密实度的指标，相对密度大，则材料密实、强度高、压缩性小;否则相反。一般认为相对密度大于0.67时，能满足工程要求.(碾压式土石坝设计规范中规定为O.700. 75.考虑到小型土石坝特点，本条文规定不小于0.70。根据砂或砂砾石的最大和最小干密度试验成果和设计要求的相对密度，可以用公式计算出对应的干密度值。

20、砂砾料的最大干密度值往往取决于粗粒含量，表4.2.4-1给出了不同砾石(粗粒)含量的干密度参考值，砾石含量最大为70%，超过70%时会产生架空现象，干密度降低。设计时可结合工程特点参考使用。寝4.2.4-1不同砾石含量砂砾料设计干密度砾石含量(%) 40 45 50 55 60 70 设计干密度2.03-2.05 2.05-乙072.08-2.10 (g/crn3) 2.11-2.13 2.13-2.15 2.15-2.17 水工建筑物抗震设计规范对地震区土石坝的压实标准做51 了规定，设计时除按本条文执行外，尚应参照该规范规定执行。由于堆石料的块径大且有棱角，在振动容器里容易分离，所以即使在

21、强力振动台上也不易测定最大干密度。有些试验结果，振动容器测得的最大干密度比用振动碾在现场压实的堆石干密度要小得多。因此，堆石的设计干密度不能用相对密度指标来确定，只有用孔隙率(n)控制。碾压式土石坝设计规范要求孔隙率小于20%30%川水工设计手册建议在25%30%左右，(土石坝)(潘家铮主编)则建议根据细粒含量(d20管涌1035% 流土P.20级配连续的非粘性土，由试验或类比已建工程确定，也可采用J允许=0.1。7.2 稳定计算7.2.1 土石坝应核算几种控制条件的坝体稳定性，每种计算条件的安全系数不应小于规定的数值，条文列出四种计算条件，包括了坝的各种不利运用情况。计算时可根据分析先计算较

22、不利的条件，确定坝的断面，如软土地基的坝，可先核算施工期的稳定，初拟好断面后再补充其他条件的计算。7.2.2 坝坡稳定计算。可按照不同的坝型和坝基扭质条件，选择不同的计算方法。并根据不同的运用条件，确定安全系数。7.2.3 坝的稳定计算分为有效应力法和总应力法。有效应力法的抗剪强度指标采用排水剪试验成果，最好用三铀仪测定，如无三轴仪，也百用直剪仪测定。7.2.4 碾压式土石坝防渗体，渗透系数较小，一般可假定施工期孔隙压力不消散。小型土石坝可制备相应于填筑的设计干密度和含水量的土样，进行直接快剪(或三轴不排水剪试验)，取其强度C. , .进行稳定计算。考虑到上坝含水量会有变帽，可制备几种含水量试

23、样进行试验，取其平均值作为设计采用值。作用在滑弧上的应力，采取填土自重产生的总应力，具体计算方法可参考碾压式土石坝设计规范附录三公式(附3.5)。7.2.5 位于湿陷性黄土地基上的坝，如施工中对地基未做处理，当水库第一次蓄水时，地基由于湿陷变形产生孔隙压力，使强度降低，对坝的安全不利，设计时应考虑这一情况，采用适宜的抗73 剪强度指标进行计算。7.2.6 软土地基上的坝，由于地基土的密度低，含水量高，应核算施工期的稳定。如地基没有排水固结措施，采用总应力法计算时，可用相应天然状态下的干密度和含水量进行直接快剪(或三轴不排水剪试验)试验的强度指标Cu、仇，也可采用十字板剪力试验或无侧限抗压强度试

24、验的强度指标。如地基设有排水固结措施，如砂井、砂垫层等，根据排水的边界条件、井径、井距、荷载大小及填筑速率，施工中地基会有不同程度的固结，孔隙压力有所消散，应计算施工期孔隙压力，用有效应力法计算。7.2.7 在正常运行期，坝体沉降固结业已完成，土体的孔隙不再变化，稳定渗流业己形成，坝体荷载主要为填土的自身重量，地震力，孔隙压力(或浮力+渗透力)，上下游水压力等。通过流网等势线可求出作用在滑动面上的孔隙压力及有效应力，此时应按有效应力法计算，土的强度可取直接慢剪(或三袖排水剪试验所测定的强度指标(计算方法可参见碾压式土石坝设计规范附录三公式(附3.6)。为了使试验工作简化，抗剪强度也可采用固结不

25、排水剪强度指标。7.2.8 水位降落时，对于石料和砂砾料等无粘性土的坝壳因渗透性较大，可认为坝体漫润线随库水位而降落，不会形成对坝体的附加渗透压力，可不计其孔隙压力。7.2.9 对于碾压土坝体，由于填土的密实度较大，土体在水位降落时，可认为坝体不会产生附加压密，可通过流网求库水位降落时的孔隙压力。坝体流网与坝的断面型式和地基渗透条件有关，计算时宜根据边界条件绘制坝体流网图，按照等势线计算滑动面上的孔隙压力，采用有效应力法计算。具体方法参见碾压式土石坝设计规范附录三公式(附3.6)。对于小型土石坝，也可采用以下简化的方法计算:即假定对于防惨土料部分，由于透水性小，库水位降落前后的漫润线保持74

26、不变;对于降落后库水位以下部分计算滑动力和抗滑丸时，条块重都采用浮容重;对于降落后水位与漫润线之间条块重，计算滑动力用饱和重，抗滑力用浮容重;漫润线以上部分条块重都采用实重;抗剪强度采用直接固结快剪(或三轴固结不排水剪)试验强度指标。简化方法的实质是假定坝体位于相对不透水或与坝体防渗土料具有相同透水性的坝基上，水位降落后坝体流线向上游方向，渗透力与滑弧方向接近一致，对抗滑力影响略而不计。7.2.10 在7度及7度以上地震区，应核算坝的抗震稳定性。7.3 沉降计算7.3.1 土石坝主要在自重作用下，使坝体和坝基产生沉降变形，要计算坝体和地基的总沉降量和施工过程中的沉降量，以确定竣工后的预留超高。

27、同时预测坝体各部位的不均匀沉降量，以判别坝体产生裂缝的可能性，并研究防止措施。7.3.2 坝体和坝基的总沉降量可采用固结仪测定的压缩曲线，分层计算，将各分层的沉降量相加，即为总沉降量。75 8 观测设计8.0.1 根据调查，目前我国小(一)、小(二)型水库一般只有水位观测及外表检查，大部分没有其他观测设备。为保证工程施工和运行的安全，4、5级土石坝还应设置必要的观测设备。8.0.2 沉降及水平位移标点是观测坝体变形的主要手段，简单易行，因此应该埋设观测设备，以了解坝体总的变形趋势及各测点的变形差。为量测方便、准确，应在坝头岩基或坚实土基上设水准、水平位移观测基点。位移观测断面应选择有代表性的断

28、面或地质、地形、坝体填筑等方面有特点的断面。例如最大坝高断面，地基可压缩性土层最厚的断面，地形突变或坝下埋管填土高度变化处，坝体与混凝土建筑物连接处。各断面相同位置的标点，应尽可能布置在一条直线上。8.0.3 为了解土石坝渗透流量变化的规律和是否有不正常的渗流现象，据以分析防渗和排水设备的工作情况，必须进行渗流量的观测。根据渗流量大小和汇集条件，渗流量观测一般可采用容积法或量水堪法。对坝脚排水沟渗水应注意观测其含沙(泥)量，如发现浑水或涌沙，应及时处理。8.0.4 砂砾石地基上的土石坝宜对地基做渗水压力观测，包括水位、水力坡降，以了解坝基的渗流情况和防渗、排水的效果。测压管宜进入砂砾石层地下水

29、位以下2m。8.0.5 为了解软土地基上的坝在施工期的变形，保证坝的安全，随着填土的升高应进行坝体及上下游坡脚以外坝基的位移观测。当位移超过一定数值时要控制填筑速率或暂停填筑。必要时可设置孔隙压力测管，测管宜布置在最大断面上，测点布置应能控制整个断面的孔隙压力值。76 8.0.6 湿陷性黄土地基遇水和增荷后，将发生较大的沉降，地基的抗剪强度显著下降，因此要设置地面沉降测点，同时对坝坡及坝脚进行沉降及水平位移观测，以了解坝体变形。8.0.7 岩溶地区地基情况复杂，地基处理措施包括截、堵、围、铺、隔等措施，故应针对工程特点，专门研究应设的观测设施。8.0.8 除设置必要的观测设备外，更主要的是应经常和定期的对土石坝及其附属建筑物的表观进行巡视检查，了解建筑物有无异常情况。8.0.9 观测资料及巡视检查结果应及时记录、整理和分析，出现异常，应及时地采取措施并上报。77 目-兀 A也-句，-1品。nu由OMOO-m49 32 号一价书一定现lSFJ