第4讲：土石坝设计与施工

同学们好，第4讲讲土石坝设计与施工，这是水利水电实务考试中每年必考的重点内容，对应大纲编号SL0102和SL0103。历年案例分值大约在15到20分之间，题型覆盖选择题、案例分析题，尤其喜欢在坝体分区、填筑标准、碾压参数这些细节上设置陷阱。本讲大家要重点掌握五个方面：一是土石坝的分类与工作原理，二是坝体各分区的功能和材料要求，三是填筑施工的关键参数和控制标准，四是面板堆石坝的特殊要求，五是接缝处理与质量控制要点。好，下面进入正题。

第一块：土石坝的分类与工作原理

先说第一块，土石坝的分类与工作原理。

土石坝，顾名思义就是用土、石料 local 填筑而成的坝，它是水利工程中历史最悠久、应用最广泛的坝型之一。为什么这么说呢？因为土石坝的构造原理非常简单——它就是靠自身巨大的重量来维持稳定的，不像重力坝那样需要混凝土的强度和地基的紧密结合，而是利用填筑体自重和填筑材料的抗剪强度来抵抗上游水压力、维持坝体整体稳定。

土石坝的分类，按坝体材料和结构形式，主要分为三大类：

第一类，均质坝。 整个坝体基本上用同一种土料填筑而成，既起到防渗作用，又维持坝体稳定。这种坝型施工简单，但对土料要求比较高，而且坝体断面通常比较大，工程量也大。均质坝适用于高度不大的中小型工程。

第二类，分区坝。 这是实际工程中最常见的类型，又细分为两种： - 心墙坝：在坝体中部设置一道防渗心墙，用黏土或黏壤土填筑，两侧是透水性较好的坝壳料，用砂砾石或堆石填筑。心墙就像坝体里的"防水板"，把水拦住不让它渗过去。 - 斜墙坝：防渗体设置在坝体上游面，呈倾斜状，像给坝体穿了一件"防水外套"。斜墙坝的施工相对方便，但上游面 slope 较大，施工时要注意防滑。

第三类，面板堆石坝。 这是近几十年来发展非常快的坝型。坝体全部用堆石料填筑，在上游面浇筑一层钢筋混凝土面板作为防渗体。面板堆石坝的优点是充分利用当地石料，造价低，施工速度快，对地基条件的适应性也比较强。

工作原理这块，大家要记住一个核心：土石坝是靠自身重量维持稳定的重力式结构，它不需要像拱坝那样依靠两岸山体的支撑，也不像重力坝那样依赖混凝土的抗拉强度。土石坝的坝体材料是散粒体，它的抗剪强度决定了坝坡的稳定。所以说，土石坝的坝坡通常比较缓，一般在1:2到1:3之间，甚至更缓。

考试常见题型：分类的选择题经常出，比如"以下属于分区坝的是？"给你四个选项让你选。另外，工作原理经常以判断题形式出现，比如"土石坝依靠坝体材料的抗拉强度维持稳定"——这是错的，应该依靠抗剪强度。

第二块：坝体分区与各分区功能

第二块，坝体分区与各分区的功能，这是考试的高频考点。

以最常见的分区坝为例，一个完整的土石坝坝体从上游到下游，一般包括以下几个分区：

（1）防渗体。 这是坝体的核心防渗屏障。心墙坝的防渗体在中间，斜墙坝的防渗体在上游面。防渗体的材料要求非常严格： - 防渗料一般选用黏土或黏壤土，要求渗透系数不大于1×10⁻⁵cm/s。 - 黏粒含量一般要求在30%~50%之间。 - 塑性指数一般在17~20之间。 - 含水率要控制在最优含水率的±2%范围内。

（2）过渡层。 设置在防渗体和坝壳之间，作用是防止粗细颗粒之间的渗透变形。过渡料的颗粒级配必须满足反滤要求，最大粒径一般不超过300mm。

（3）反滤层。 反滤层的作用非常关键——它允许水自由通过，但能阻止土颗粒被水流带走，防止管涌和渗透破坏。反滤层的材料要求： - 必须满足级配要求，粒径从小到大分层设置。 - 每层的厚度一般不小于20cm，常用30cm。 - 相邻两层之间要满足"滤土排水"准则，即D₁₅/d₈₅ ≤ 4~5（保护细颗粒不被带走），D₁₅/d₁₅ ≥ 5（保证透水性）。

（4）排水体。 包括棱体排水、贴坡排水、褥垫排水等形式。排水体的作用是汇集和排出渗入坝体的水，降低坝体内的浸润线，保证坝体稳定。 - 棱体排水设置在下游坝趾处，排水效果好，但施工复杂。 - 贴坡排水贴在下游坝坡面上，施工简便，但排水效果不如棱体。 - 褥垫排水铺设在下游坝基面上，适用于下游水位较低的情况。

（5）坝壳。 坝壳是坝体的主体支撑结构，用透水性较好的砂砾石或堆石料填筑。坝壳料的要求： - 最大粒径不超过层厚的2/3。 - 压实后的渗透系数一般要求大于1×10⁻³cm/s，保证排水通畅。 - 内摩擦角一般要求大于30°。

考试常见题型：这一块的题型非常灵活。选择题常考各分区的位置和作用，案例题经常让你判断某个设计是否合理。比如给你一个坝体剖面图，让你指出各分区的名称和材料要求。

第三块：土石料选择与填筑标准

防渗料选择： - 首选黏土和黏壤土，渗透系数不大于1×10⁻⁵cm/s。 - 有机质含量不超过5%。 - 水溶盐含量不超过3%。 - 天然含水率宜接近最优含水率，否则需要翻晒或洒水调节。

坝壳料选择： - 优先选用砂砾石、砾质土、堆石等透水性材料。 - 砂砾石的渗透系数宜大于1×10⁻³cm/s。 - 最大粒径：砂砾石不超过100mm，堆石不超过层厚的2/3（一般不超过600~800mm）。

反滤料选择： - 应选用干净、坚硬、耐风化的砂石料。 - 级配要严格控制，不均匀系数不大于5。 - 含泥量不大于5%。

填筑标准是考试的重中之重，必须记牢： - 均质坝：压实度不小于0.96。 - 心墙坝和斜墙坝的防渗体：压实度不小于0.98（注意，这是最高标准，因为防渗体最关键）。 - 坝壳：压实度不小于0.95。

什么是压实度？压实度就是现场填筑达到干密度与室内标准击实试验得到的最大干密度的比值。压实度越接近1，说明填筑越密实。

碾压参数： - 铺土厚度：一般25~35cm（松铺厚度），经过碾压后达到设计厚度。 - 碾压遍数：一般6~8遍，具体通过碾压试验确定。 - 含水率控制：必须控制在最优含水率的±2%范围内。含水率过高会出现"弹簧土"，过低则压不实。 - 碾压机具选择： - 黏性土：宜选用羊脚碾（凸块碾），羊脚的"揉搓"作用能有效压实黏性土。 - 砂性土和砂砾石：宜选用振动碾。 - 堆石料：宜选用重型振动碾，吨位一般不小于18t。

考试常见题型：数据类选择题和案例题。比如直接问你"心墙坝防渗体的压实度不应小于多少？"或者给你一个施工现场的情况，让你判断含水率是否合格、铺土厚度是否合理。

第四块：接缝处理与面板堆石坝

第四块，讲接缝处理和面板堆石坝的特殊要求。

（1）坝体与岸坡、建筑物的结合面处理： - 结合面必须清理干净，去除浮土、松动岩石。 - 岩石面应涂刷浓泥浆或水泥浆，厚度2~3mm。 - 混凝土面应凿毛、湿润、涂刷水泥浆。 - 靠近结合面处的填筑，应采用小型机具薄层碾压，厚度不超过15cm。

（2）新老填筑面的搭接： - 新老填筑面之间必须做削坡处理，削坡坡度一般为1:3~1:5。 - 搭接面应洒水湿润，确保结合良好。 - 上下层的接缝应错开，错距不小于1.0m。 - 纵向接缝（平行坝轴线方向）应采用斜坡搭接，横向接缝应采用台阶搭接。

面板堆石坝： 面板堆石坝是近年来应用越来越广泛的坝型，考试也越来越重视。核心要点：

• 面板混凝土：强度等级不低于C25，抗渗等级不低于W8，面板厚度一般为0.3~0.6m。
• 垫层料：面板下方的垫层料最大粒径不超过40mm，压实后渗透系数应在1×10⁻³~1×10⁻⁴cm/s之间。垫层料的作用是为面板提供均匀支撑。
• 过渡料：垫层料和主堆石区之间的过渡料，最大粒径不超过300mm，级配要连续。
• 主堆石区：最大粒径不超过层厚的2/3，一般不超过800mm。
• 面板浇筑：一般采用滑模施工，连续浇筑，面板纵缝需要设置止水。

考试常见题型：案例题常考面板堆石坝的施工工序和参数，比如让你说明面板混凝土的技术要求，或者判断垫层料的粒径是否合格。

案例实战

某水利枢纽工程采用心墙坝，坝高65m。施工单位在施工过程中发生以下事件：

事件一： 心墙防渗体填筑时，施工单位选用的土料天然含水率为25%，经试验确定该土料的最优含水率为20%。施工员认为含水率偏高，直接进行了摊铺碾压。碾压采用振动平碾，铺土厚度40cm，碾压4遍。

事件二： 在坝体与左岸岩石边坡结合部位，施工人员将结合面的浮土和松动岩石清除后，直接填筑坝料，采用大型振动碾碾压密实。

事件三： 施工单位对心墙防渗体的填筑质量进行检测，检测结果显示压实度为0.96。监理工程师认为不合格，要求整改。施工单位认为0.96已经满足均质坝的压实度标准，不存在问题。

问题1： 指出事件一中施工做法的不妥之处，并说明正确做法。

标准答案： 事件一存在以下不妥之处： （1）含水率控制不当。土料天然含水率25%，最优含水率20%，偏差为+5%，超出了最优含水率±2%的控制范围。正确做法：应先将土料翻晒降低含水率至18%~22%范围内再填筑。 （2）碾压机具选择错误。心墙防渗体为黏性土，应采用羊脚碾（凸块碾）碾压，不应采用振动平碾。 （3）铺土厚度过大。心墙防渗体铺土厚度一般为25~30cm，40cm过厚，不利于压实。 （4）碾压遍数不足。一般应碾压6~8遍，4遍不够。

问题2： 指出事件二中施工做法的不妥之处，并说明正确做法。

问题3： 事件三中施工单位的说法是否正确？说明理由。

标准答案： 不正确。本工程为心墙坝，心墙防渗体的压实度标准应不小于0.98，而不是均质坝的0.96。检测值0.96未达到心墙坝防渗体0.98的标准，必须整改。施工单位错误地套用了均质坝的压实度标准。

总结串联

同学们，这一讲我们系统讲了土石坝设计与施工的五大核心内容：

第一，分类与原理——土石坝靠自重和抗剪强度维持稳定，分均质坝、心墙坝、斜墙坝、面板堆石坝四大类。这是基础概念，选择题常考。

第二，坝体分区——防渗体、过渡层、反滤层、排水体、坝壳，五道防线各司其职。防渗体的材料要求（渗透系数≤10⁻⁵cm/s）、反滤层的功能（滤土排水）是高频考点。

第三，土石料与填筑标准——三个压实度数字必须记住：防渗体0.98、均质坝0.96、坝壳0.95。碾压参数：铺土25~35cm，碾压6~8遍，含水率±2%。这些是案例题的"硬菜"。

第四，接缝处理——结合面清理、削坡1:3~1:5、错距≥1.0m、小型机具压实。案例题经常在这个薄弱环节上设题。

第五，面板堆石坝——面板C25/W8，垫层料≤40mm，过渡料≤300mm。近年来考频上升，要特别重视。

下期预告

好，水利实务案例20讲第4讲就讲到这里。下一讲讲第5讲——水闸设计与施工，这是水工建筑物里另一个非常重要的考点。水闸的组成三段结构、消能防冲设计、地基处理、止水施工，这些都是案例题的热门出题点。大家课后复习本讲内容，重点背熟那几个压实度数字和碾压参数，下一讲见！祝同学们学习顺利！