SDJ 218-84编制说明

.前言第一章总则第二章坝轴线和坝型选择第三章筑坝材料的选择与填筑标准的确定第四章坝体结构第五章坝基处理第六章土石坝与坝基、岸坡及其它建筑物的连接第七章坝的计算第八章分期施工与扩建加高第九章原型观测打印刷新碾压式土石坝设计规范SDJ21884编制说明前言一、编写过程1962年在原水利电力部技术委员会、水利水电建设总局主持下，由水利水电科学研究院(主编)、北京勘测设计院、原水利电力部东北勘测设计院、华北水利水电学院共同编写了碾压式土石坝设计技术规范(初稿)，(以下简称原规范)，分发国内有关单位征求意见后，于1964年由原水利电力部技术委员会及水利水电建设总局主持审查通过。以后因故未能正式颁发。1973年由水利电力部基建司将碾压式土石坝设计规范的修订任务下达给原水利电力部第五工程局设计组负责。1977年9月由五局设计组提出编写提纲，原水利电力部规划设计管理局组织讨论修改，并安排有关单位分工编写。1978年11月在山东临朐县召开了合稿协调会，进行碾压式土石坝设计规范正文的核稿。而后由原水利电力部西北勘测设计院白龙江设计队汇总提出规范第一稿，于1980年3月送有关单位征求意见。1980年8月由原水利电力部西北勘测设计院根据各单位意见再次进行修改后提请审查。1981年2月由原水利电力部规划设计管理局主持，在北京召开了审查会议，会议请原水利电力部西北勘测设计院再作修改后提出送审修改稿。在此以前，曾对几个附录分别召开过专题审查会议。1983年初，由原水利电力部主持，组织部内各有关司局及在京单位对送审修改稿进行审查，并责成水利水电规划设计院和水利水电科学研究院对规范正文和附录修改定稿后报部审批。1984年11月原水利电力部正式批准碾压式土石坝设计规范SDJ218-84(以下简称规范)试行。二、参加规范编写的单位及其分工第一章总则原水利电力部第五工程局、西北勘测设计院第二章坝轴线和坝型选择原水利电力部西北勘测设计院第三章筑坝材料的选择与填筑标准的确定原水利电力部第五工程局第四章坝体结构原水利电力部第五工程局、西北勘测设计院、广西壮族自治区水电局第五章坝基处理山东省水利勘测设计院、原水利电力部西北勘测设计院、原水利电力部昆明勘测设计院、陕西省水利水电勘测设计院、浙江大学第六章土石坝与坝基、岸坡及其它建筑物的连接辽宁省水利勘测设计院第七章坝的计算原水利电力部西北勘测设计院、南京水利科学研究院第八章分期施工和扩建加高原水利电力部天津勘测设计院第九章原型观测原水利电力部西北勘测设计院附录一波浪和护坡计算华东水利学院、广西壮族自治区水电局附录二反滤层设计水利水电科学研究院、南京水利科学研究院附录三稳定计算原水利电力部西北勘测设计院附录四沉降计算原水利电力部西北勘测设计院、辽宁省水利勘测设计院附录五本规范用词说明原水利电力部西北勘测设计院还有原水利电力部昆明勘测设计院、成都科技大学、广西大学、黑龙江水利勘测设计院、河北省水利专科学校参加一些专题和试验工作。本规范由原水利电力部西北勘测设计院和水利水电科学研究院担任主编。三、编写本规范的指导思想及对规范内容的总的说明本规范的修订工作是在原规范的基础上进行的，吸收了国内外土石坝设计、施工和运行的经验教训及较为成熟的科研成果，删繁就简，去掉落后和守旧的部分，力求切合实际，技术先进，经济合理，确保安全。本规范包括正文九章，共206条，约34000字，比原规范465条压缩了约56%；附录也由原规范的九篇减为五篇。与原规范相比较，在章节的安排上有以下主要改变：(1)删除了内容与其他规范重复的原规范第二章土坝设计的基本资料；已有专门规范的地震稳定计算一节；内容属施工措施的坝体接缝的处理一节等。(2)将大中型土石坝工程中不常用的易液化土、软粘土、湿陷性黄土坝基处理合并为一节。(3)鉴于原型观测和反滤层的重要性，将有关内容加以增补后单设原型观测一章及反滤过渡层一节。(4)将沉降计算一节内容增补应力变形分析后改为应力和变形计算一节。(5)在原规范附录中删去刚性心墙计算、湿陷性黄土地基处理、排水减压井、渗透计算等篇；将护坡计算扩充为风浪和护坡计算；将地震区土坝稳定计算合并入稳定计算中，新增本规范用词说明。与原规范相比较，在以下几方面有较重要的修改和补充：(1)由于薄层碾压式堆石在国内外都有很大的发展，基本上取代了过去惯用的抛填堆石，而碾压式堆石坝的设计方法与碾压式土坝基本相同，故本规范名称定为碾压式土石坝设计规范SDJ21884，包括了碾压式堆石坝的有关内容。(2)根据近代土石坝发展的趋向和防渗结构的性质，将坝型分为均质坝、分区坝和人工防渗材料坝三种基本类型。分区坝采用土质防渗体，包括心墙、斜墙、斜心墙或较厚的防渗土料区等类型，人工防渗材料坝采用非土质防渗材料，包括钢筋混凝土面板、沥青混凝土面板和心墙等类型。(3)明确规定“一般土石料原则上均可作为筑坝材料”，只是如何合理利用和考虑经济效益的问题。对填筑标准，粘性土用压实度，无粘性土用相对密度，堆石用孔隙率作为控制指标。(4)在坝体排水设施中，增加了用于降低坝内孔隙水压力和改变渗流方向的坝壳水平排水层，以及竖式排水。(5)在土石坝与混凝土建筑物连接形式中，根据近代实践经验，主要采用插入式和侧墙式两种，以简化接头形式，保证结合面填土的质量，并用反滤层控制结合面的渗透变形。(6)由于电子计算机和有限元法的发展，土石坝的数值分析方法有了很大的进展，本规范除了以传统方法作为判别土石坝安全性的主要手段以外，也强调了数值计算方法的重要性，建议对重要工程要进行应力变形和渗流的数值计算。(7)在稳定分析中，除保留原规范的圆弧滑动分析法作为基本方法以外，还建议用考虑条块间作用力的简化毕肖普法进行核算，但后者要采用较大的安全系数。对其他考虑条块作用力的严格方法则可以由设计者自行选择，作校核之用，而不作统一规定。(8)对风浪计算，反滤层设计等坝体构造方面的设计计算作了较大的变动。(9)在原型观测这一章中，增加了坝体应力、坝体内部水平位移、坝体地震反映等观测项目的有关内容。第一章总则第1.0.1条关于本规范适用范围，保留了原规范条文，规定适用于、级土石坝的设计。对重要的小坝可参照使用，要求可以适当降低，设计工作可以适当简化。第1.0.2条关于高、中、低坝的划分，是新增条文。由于土石坝设计中，高坝的技术要求是较高的，问题也较多，在设计中应区别对待。高中坝的界线以坝高为70m划分，是为了和已颁布的混凝土重力坝设计规范、碾压式土石坝施工规范等相一致而规定的，适合于当前我国高土石坝不多的情况，以后随着高土石坝的不断出现，还可作必要的调整。第1.0.4条列举正常与非常工作条件。除常规情况外，还规定了：(1)抽水蓄能电站的水库水位的经常性变化和降落为正常工作条件。(2)将非常工作条件遇地震视为特殊情况，但这种情况非常稀遇，也可以不作校核。第1.0.5条规定了土石坝设计划分为可行性研究、初步设计和施工详图三个阶段。根据现行规定，第三阶段应为技施设计。以后如有统一规定，则应按统一规定执行。第1.0.6条是对土石坝泄水、引水建筑物的基本要求，需要说明以下两点：(1)对泄水建筑物的布置和型式，本规范建议在地形有利时，应以开敞式溢洪道为主要泄洪措施，以有利于提高土石坝枢纽的泄洪超载能力和运行的可靠性。并规定在布置开敞式溢洪道有困难时，也可采用隧道泄洪，最好是采用进口为开敞式，下接陡槽式的无压泄洪隧洞。国内外已建成的土石坝枢纽工程多数采用开敞式溢洪道，但是也不乏以隧洞泄洪为主的高土石坝。例如墨西哥的奇科森心墙堆石坝，坝高263m，就是以3条15m直径的隧洞泄洪17000m3/s。泄洪隧洞失事的实例是不少的，特别是龙抬头形式，但是也有不少成功实例，如碧口水电站的泄洪隧洞经受长期泄洪考验表明能安全运行。现代高速水流的研究成果和实践经验表明，采用良好的体型、控制不平整度、加设通气槽等措施，隧洞泄洪也是可以保证安全的。用导流隧洞改建的龙抬头形式也是如此。所以不要因为难以布置开敞式滥洪道而对土石坝的应用加以限制。(2)对软基上的坝下埋管加以必要的限制，规定只有低坝在经过论证之后，才能采用。对于埋入基岩或置于岩基上的坝下埋管，则未加限制，但需根据本规范第六章6.2.4条要求，做好连接措施和反滤层。第1.0.6条指出了要遵守的相关规范。由于各项相关规范是不同单位在不同时期分别编写和审查的，有些规定难免有矛盾之处，但需具体分析，不能笼统规定遵守或参照某规范。故本规范中在涉及相关规范之处，都具体注明如何执行的办法。第二章坝轴线和坝型选择第2.1.2条关于坝轴线形状，是新增加的条文，规定一般采用直线，除强地震区外有时也可用折线，但转折处应以曲线段连接。国外有些土石坝采用过向上游起拱的曲线形坝轴线，特别是峡谷区的高土石坝，认为这样做可减少防渗体中的拉应力，有利于防止裂缝和与陡岸连接。但实践表明防渗体是否产生裂缝主要取决于工程措施和压实质量，因此近年来已不太采用这种型式。罗贡、努列克、奇科森、买加、契伏、瓜维奥等200m以上高坝坝轴线都是采用直线，其运行状况都很正常。第2.2.1条关于坝型，对原规范有较大修改。原规范主要根据苏联规范，把坝型分为均质坝、土质斜墙坝、土质心墙坝和刚性心墙坝四种类型，这已经不能适应当前情况了。现今流行的土石坝分类方法有好几种。如有的先按主要筑坝材料分为土坝和堆石坝，如石料占坝剖面的50%以上称堆石坝，反之称土坝。但碾压式土坝和碾压式堆石坝的设计和施工方法基本上是一致的，由于近来软岩石、风化料、砾石土等材料的大量使用，有时也难以从主要筑坝材料划分坝型。所以本规范统称为土石坝。有的将土质防渗体的坝称为土石坝，而将人工防渗材料的面板坝称为堆石坝。这样划分也不很确切，因为前者也可能有一定数量的堆石体，而后者也可以用砂砾石填筑坝体。按均质坝，心墙坝，斜墙坝来划分，习用已久，也比较简单明了，但不能包括除心墙，斜墙以外的分区坝、如上游为防渗体，下游为透水料；从内到外由透水性渐增的若干层不同材料组成的分区坝等。同时土质防渗体和混凝土、沥青混凝土等防渗材料，在设计和施工上都有很大差别。为此，本规范采用了均质坝、分区坝和人工防渗材料坝的分类方法。这样分类还可突出近年来广泛采用人工防渗材料的趋势。第2.2.2条第2.2.4条规定坝型选择应综合考虑各有关因素，经技术经济比较确定，并强调了因地制宜。坝高的因素对坝型的技术经济指标影响很大，一般高坝多采用分区坝，低坝多采用均质坝，但由于砾石土和风化料的应用日益广泛，也有用这种粗粒材料筑较高均质坝的实例。当地筑坝材料的性质和数量对坝型选择有决定性的影响，土石坝在很大程度上是“因材设计”的。施工条件对坝型选择也是重要因素。第三章筑坝材料的选择与填筑标准的确定第3.1.1条第3.1.2条强调土石料调查的重要性和应遵循的有关规程，并对筑坝材料性质提出基本要求。本规范将筑坝材料分为防渗料和坝壳料两部分，比之原规范沿用苏联规范分为坝主体、防渗结构和排水设备三部分，似乎更为确切。由于防渗料的功能主要是防渗，而坝壳料主要起支撑作用，所以对这两种材料的性质提出了不同要求，前者要求有较好的防渗性能，后者要求有较高的强度。对高土石坝，如心墙沉降大而坝壳沉降小，可因水力劈裂作用而产生水平裂缝，故提出了低压缩性的要求。第3.1.3条提出了一般土石料原则上均可作为碾压式土坝的筑坝材料，或经处理后用于坝的不同部位(但沼泽土、斑脱土和表土则不宜采用)，这就更加拓宽了选用筑坝材料的范围，有利于充分发挥土石坝就地取材、就近取材的优势，这是土力学理论和施工技术发展的结果，符合国际上土石坝建设的发展趋向。对防渗体材料，主要是较广泛地采用砾石土和风化料，对特殊土料的应用也积累了较多经验。对坝壳料，主要是堆石料有很大的发展，而且对软岩石，风化料和开挖碴料的利用越来越多。对坝料的处理技术也有很大的发展。可对不完全满足要求的土石料，作调整级配和调整含水量的处理后上坝。如巴基斯坦的塔尔贝拉坝、填筑土石料1.2亿m3，都是经过9个大的处理系统筛分拌和后分别填筑于坝的不同部位的。世界上已建成的最高土石坝苏联努列克坝(高317m)心墙材料，由于料场土料含砾量极不均匀(从080%)是经过堆料场堆料混合，使砾石含量都在20%50%之间才上坝的。加拿大还用烘干炉对过湿土料作降低含水量处理，以克服不利的自然条件的影响。采用人工掺合材料作防渗体也很普遍。所以在防渗体和坝壳材料的有关规定中，尽量吸取和反映了这些新的经验和研究成果。第3.1.4条第3.1.9条关于防渗材料，包括一般要求和几种特殊土料。(1)渗透系数。原规范规定防渗体材料的渗透系数不大于10-5cm/s。由于防渗体和均质坝材料对渗透系数的要求有所不同，如国内已建成的心墙和斜墙坝的渗透系数都不大于10-6cm/s，均质坝都不大于10-5cm/s。所以作了一般防渗体不大于10-5cm/s，而均质坝不大于10-4cm/s的规定。(2)水溶盐含量。土中的水溶盐一般分为易溶、中溶和难溶三类。易溶盐包括各种氯盐、重碳酸盐、碳酸钠、硫酸钠等；中溶盐主要是石膏，难溶盐包括碳酸钙、碳酸镁等。由于常用的筑坝土料中易溶盐一般含量不大，难溶盐在非浸蚀性水中淋洗速度很慢，因此这些盐类淋洗引起的填土性质变化一般可以不计。但石膏在长期渗透作用下的淋洗使土料性质变坏，会产生附加沉降，这是实践中必须考虑的主要问题。水溶盐的允许含量，国内外没有统一规定。苏联CH2.06.05.84的规定是氯盐含量不超过5%，硫酸盐含量或硫酸盐和氯盐总含量不超过10%。其他国家的规范没有定量规定。全苏水文地质、工程地质、给水、排水和水工建筑研究院进行的盐渍土工程性质的研究成果，认为易溶盐2%5%，石膏10%15%还是可以的。由于我国对含大量石膏的土用作筑坝材料缺乏经验，研究得也不多，所以规定含量不超过3%。石膏的淋洗速度与土的密度、渗透系数、水力比降、渗透水质等因素有关。根据国内外经验可以采取适当的结构措施，防止其不良影响，如加一定的超高以考虑淋洗过程中的附加变形，在上游用强盐渍土填筑铺盖或斜墙，使渗透水有一定含盐量而延迟地基和坝体土的淋洗速度；采用较高压实密度，降低渗透系数，辅以较好的截渗措施，减小水力比降和渗透流量等，这些措施可供参考。（3）有机质含量。土中有机质有两种，一种是未完全分解的植物残渣、树皮草根等，这些有机质继续分解时可以在土中形成孔洞，其化学变化也可以改变土的性质，所以要对未完全分解的有机质予以限制。这在施工规范中已有规定，要将地表耕土层剥离后才能取土。本节第3.1.3条也有相应规定。另一类是已经完全分解的有机质，已看不出植物残骸的原来形态，这种有机质对土的性质的影响与其处于分散或凝聚状态有关。苏联CH2.06.05.84规定不完全分解有机质不大于5%，完全分解的不大于8%；日本坝工设计规范只说含有机物多的土料不好。为郑重计，本规范作了偏严的规定，均质坝不大于5%，防渗体不大于2%，经论证后可以适当放宽。(4)第3.1.5条列举了不宜采用的几种粘性土料，规定在必须采用时，应有专门论证，并采取相应措施，但这并不意味着这些土料不能使用。1)肥粘土、高胀缩性土和干硬粘土，主要是施工不便，也不易保证填筑质量。它们对含水量比较敏感，干硬土块不易压散，调整含水量时也不易均匀，高胀缩性土遇水易于膨胀分层，失水又易于裂缝和形成干硬土块，因此建议避免使用。2)分散性粘性土在70年代以后才引起工程界的重视。这种土在遇水后即分散成原级颗粒，悬浮于水中并随渗透水流失，而迅速发展成管状通道，甚至完全溃决。粘土的分散性来源于钠蒙脱石的不稳定结构，形成分散性必须具有一定数量的蒙脱石等不稳定结构的粘土矿物和没有能抑制分散性的胶结物质以及碱性的介质环境。分散性粘土的鉴别方法很多。以针孔试验鉴定其抗冲蚀能力，双比重计法鉴定其分散度的直接方法较为可靠。分散性粘性土的防渗体裂缝后将导致严重后果，因此最好不用。如果不可避免时，就要采取措施，如加石灰改良土料性质以抑制其分散性，选用合适的反滤料以防止土粒的流失等，才能保证其安全运行。3)冻土。冻土块强度较高，不易压碎，填筑土体往往不够密实，含水量一般偏高。在融化后强度显著降低，易形成软弱夹层，对稳定性很不利。融化时还将有融沉问题，使坝体有不均匀和较大的附加变形，易于引起坝体开裂等缺陷，影响坝的安全和正常使用。故在筑坝时应避免采用冻土。(5)第3.1.6条对南方红土的适用性作了一些规定。我国南方广泛分布的残坡积红土和红土状土，由于其粘粒含量高，容重低和含水量高，曾认为不适宜作筑坝材料。但是实践证明这种土料具有中低压缩性，较高的抗剪强度和抗冲刷能力。用红土建成的土坝有的已运行多年，情况良好。如1969年建成的毛家村土坝，坝高80.5m，用红土作为心墙材料，开始要求较高填筑标准，造成坝面土极不均匀、层面有干松土层、剪切破坏、雨后分层等质量问题；料场要求用翻晒方法降低土料含水量，造成施工困难。经过系统试验研究，将填筑干容重降低为1.51g/cm3，填筑含水量提高到24%28%，解决了施工困难，保证了填筑质量，现已正常运行近20年。1961年建成的云南庄寨水库土坝，高27m，其填筑干容重0.941.30g/cm3，填筑含水量38%68.7%，下游坝坡坡度11.7，坝下埋管出口处常年漏水，但坝体土料未遭冲刷。墨西哥的英菲尔尼罗坝(高147m)也是用红土作防渗心墙材料的。红土是在湿热气候条件下的风化产物，在成土过程中，二氧化硅、碱和碱土金属不断淋洗，使铁铝相对富集，形成以高岭石为主，含有大量铁铝氧化物的红色或棕色粘土。在酸性介质条件下，可以形成稳固的团粒结构。其特征是：1)矿物成份，以高岭石为主。2)化学成份，土悬液的pH值小于7，二氧化硅和三二氧化物的当量比小于12；游离氧化铁含量高。3)物理性指标，比重高达2.82.9或更高；流塑限都高而塑性指数不大，塑性图上的位置在A线以下；加和不加化学分散剂所得的粘粒或胶粒含量有极大的差别，其比值一般大于20。4)渗透性，团粒间的大空隙使红土具有较大的渗透性，如庄寨红土k=9.510-71.710-7cm/s，毛家村红土k=1.610-67.010-7cm/s，比一般粘土大12个量级。5)压缩性，由于粒间结合力强而耐水，其容重虽低，但具有中低压缩性。不过在高压力下压缩变形并未停止，但没有因粒结构崩溃而突然下沉的现象。6)抗剪强度，比同样密度的一般粘土为高，并带有某些粒状土的性质。7)应力应变关系，与一般粘土形式相似，没有突变点，在周围高压力下呈塑性破坏。对于这种红土，可以直接用试验所得的物理力学指标进行设计计算，填筑标准也应以满足力学性质指标为准则，而不能追求高密度。由于红土在高压力下的变形特性，使得高坝的总沉降量往往偏大，不利于裂缝控制，应慎重对待，而对中低坝则可以使用。(6)第3.1.7条黄土。黄土广泛分布于我国西北华北地区，其主要特征是：1)粉土颗粒含量大，可达60%70%，粘粒含量约15%25%，砂粒很少，塑性指数一般为8%14%。2)碳酸钙含量，一般达10%15%或更高，在粒间起胶结作用，形成干燥时结构稳定，浸水后因粒间胶结软化而使结构崩溃的亚稳结构。3)原状黄土有大孔隙，垂直节理发育，一般干容重1.201.47g/cm3，孔隙率33%64%，因结构强度而使土层处于欠压密状态；4)天然含水量低，一般只有10%15%，甚至小于10%。5)有湿陷性，即在浸水后会因结构崩溃而发生附加变形。黄土是以细砂和粉粒为骨架，细粉粒和粘粒为充填料组成，因毛管力和盐类胶结而形成松散的凝聚结构，维持其低密度和大孔性，使天然土体处于欠压密状态，是其湿陷潜势的主要内因。浸水后结构软化和崩溃，又使湿陷潜势变为现实可能的主要条件。对于筑坝土料，其天然结构已受到破坏，在适宜的填筑含水量下可以压实到较高密度，如1.651.70g/cm3，或更高，这时湿陷性就大大减小了，可以填筑均质坝或分区坝的防渗体。但一般黄土不耐冲蚀，要防止裂缝开展并选好下游反滤料。(7)第3.1.8条砾石土1)。过去往往从防渗要求出发，选用纯粘性土料填筑土石坝的防渗体。如国内已建成的一些土石坝就是这样的，防渗体材料的粘粒含量(小于0.005mm)在20%55%之间，最大粒径为25mm，分类多属CI、CH、MH等。但是高土石坝的建设经验表明，砾石土沉降量小，有利于避免因坝壳的拱作用而引起的水力劈裂裂缝；裂缝渗水冲刷时，砾石土中的粗颗粒起固定缝壁的作用，有利于控制裂缝发展和具有自愈作用；可减少含水量处理的困难；因承载力较高而有利于重型机具施工等，表现出比纯粘性土料更好的性状。许多国家在使用风化岩和砾石土作防渗材料这一点有所突破以后，促进了土石坝的发展。世界上一些最高的土石坝，如苏联的罗贡(高325m)和努列克(高317m)、墨西哥的奇科森(高263m)、印度的特里(高261m)、加拿大的买加(高245m)、美国的奥洛维尔(高235m)，都是用砾石土或粘土掺砂卵石建成其防渗心墙的，其中大于5mm的砾石含量一般在18%50%之间。有人对国外1970年以前建成的40多座坝高100m以上的高土石坝防渗材料进行统计，用粗粒土的占70%。对美国垦务局修建的40座坝的54个防渗材料进行统计，使用粗粒土的占62.9%。美国陆军工程师团对各种土料适用性的建议中，认为心墙材料最好是GC(粘土质砾石)，其次是SC(粘土质砂)。可见国外防渗体系用砾石土已是一种改善施工和运行性能的趋向。注：1)此处将含砾量在20%以上的含砾土、粘土质砾、风化料及碾压后可破碎成砾石土的风化岩石统称为砾石土。有不少坝，在天然材料不能满足要求时，常采用筛分、掺合等调整级配的措施改良填土的性质。人工掺合料主要有以下几种方法：1)堆料。将粘性土和粒状材料按比例分层铺填。到一定高度，然后用挖土机立面开挖，混合均匀后上坝。如日本的御母衣坝(高131m)、阿尔巴尼亚的费尔泽坝(高165m)等。堆料的另一种用途是在料场含砾量很不均匀时，用堆料后立即采用混合的方法使其均匀化，达到所需的含砾量范围。如苏联的努列克坝，高317m，料场含砾量变化在080%之间，而要求控制在20%50%之间，就是用堆料混合的方法解决的。2)拌合。将不同粒径材料按一定比例拌合而成，如瑞土郭兴能坝，高155m，用当地砂砾石掺入11%当地粘土，3%膨润土，拌合成心墙防渗材料。3)用格筛去除超径颗粒。本规范还规定开挖碾压后能破碎成砾石土的风化岩石，只要满足防渗材料的品质要求，也可采用。这也是根据国内外经验而在本规范中补充的新内容。如美国新美浓坝(高190.5m)、我国的鲁布革坝(高103m)，就是用风化砂页岩作心墙材料的。在使用中要经详细的勘探试验，调查储量要有较多富裕，施工中避免粗料集中形成架空，或细粒集中的成为高压缩区。采用重型压实机具，使能破碎的颗粒尽量压碎，达到较高密度。在与坝基和坝头结合处，用塑性较好的纯粘土或含砾量较少的粘土填筑，以利结合。由于压实前后风化料的级配完全不同，要用压实后的级配作为设计依据。这样就能避免使用风化料中所曾发生的问题。(8)第3.1.9条膨胀土。广义地说，任何粘性土都有吸水膨胀和脱水收缩的特性，但有的粘性土含有亲水性强的矿物(如蒙脱石、蛭石等)，加上一价阳离子，使土体中因水份变化而引起的膨胀和收缩达到较大数量，可能对工程有明显危害。国内外将这一类粘性土称为膨胀土。我国膨胀土分布范围也是很广的。判别膨胀土的方法都是以土粒与水相互作用的程度为依据的，大致可以分为定性和定量两大类：1)定性方法。用以测定其膨胀势，作为判别其膨胀性的准则，但不能说明在具体工程条件下可能发生的膨胀和收缩的数量，这些指标并不能用于工程的设计计算。常用的间接方法是自由膨胀率Fs40%，流限wl40%，缩限ws12%，其它方法还很多，常需要几种方法作综合判断。常用的直接方法是在固结仪内作膨胀试验，测定不允许膨胀情况下的膨胀力，自由膨胀情况下的膨胀量，作为判别其膨胀势的定性指标。2)定量方法。用给定密度和含水量的试件，测定不同垂直压力下的变形量，绘制压力和变形的关系曲线，作为计算其沉降或膨胀量之用，并据以判断对工程的危害性。必要时还可测定膨胀力和膨胀量的等值线图，作为确定填土压实标准的依据之一。粘土膨胀性的强弱除矿物的亲水性这一内在因素之外，还与一系列因素有关，如高密度、低含水量的土膨胀性就强，反之就弱。它还与土体的约束条件有关，只要稍加约束应力，膨胀量就可以减少很多。试验还表明土在自由膨胀条件下浸水，可以使抗剪强度降低很多，而在有约束条件下浸水，其强度变化就不大。因此在用膨胀土筑坝时，应尽量采用心墙坝型，使填土处于一定约束应力之下，在斜墙部位，则必须加足够的盖重，在坝顶部位，则需换用非膨胀土或掺合料，避免膨胀软化的危害作用。此外，膨胀土和分散土是属于同一范畴的土类，只是程度不同而已，强烈膨胀的土就可能具有分散性，此时应作分散性鉴定以确定相应的对策。第3.1.10条第3.1.15条关于坝壳料(1)第3.1.12条规定均匀中细砂及粉砂一般只能用于坝壳干燥区，否则应对渗透变形和振动液化进行专门论证，并采取必要的工程措施。同时规定高坝应避免采用。这是根据中细砂和粉砂不易压实，饱和后又易于产生渗透变形和振动液化的性质而作出的规定。1976年唐山地震时，密云水库白河主坝斜墙上游保护层的砂砾石就发生液化，造成险情，其原因就是选料不当和压实不良。白河主坝上游保护层砂砾料中细料含量都大于40%，同时细料相当均匀，又缺乏15mm的粒组。其填筑密度也低，当时测定的相对密度只0.6左右，后用振动台振密方法求取最大干容量，则细料相对密度只有0.36。砂砾料的渗透系数10-310-4cm/s。因而具备了地震时发生液化破坏的条件。这一经验教训值得借鉴。关于地震区的土石坝，材料的适用性和液化破坏的评价方法已有具体规定，见水工建筑物抗震设计规范(SDJ1078)第38条及附录一，应按照该规范执行。(2)对风化料，本规范规定可以用作坝壳材料，一般宜用在坝壳的干燥区，以免浸水软化带来的不利影响。同时这种风化料颗粒强度不高极易压碎，应该用碾压后的级配作为设计依据。(3)第3.1.14条增加了对坝壳堆石料的要求。这是因为碾压堆石的广泛采用而增加的新内容。在第3.1.11条中规定了料场开采的石料和由枢纽建筑物中开挖的石碴料，均可作为坝壳材料。第3.1.14条则对这些堆石料提出具体要求。这是由于振动碾的发展，可以使堆石料得到有效的压实，改变了过去对厚层抛填堆石提出的要求。主要有两个方面：1)关于级配。厚层抛填堆石坝要求石块最小尺寸为10cm，大石块则取决于运输工具的容量，有时可达10t以上，不允许含有多量细粒，以免有细粒集中的高压缩带。但是薄层碾压堆石要求有一定的级配，只要保持其自由排水的特性，对碎石含量可不加限制。其最大块径取决于压实层厚度，一般不大于层厚的0.80.9。料场爆破开采的石料，可以用控制爆破的方法取得相应的级配，如最大块径5060cm，不均匀系数10左右，小于0.1mm的颗粒不超过5%等。这样料场开采的堆石料可不经筛选而全部上坝，开挖石碴料也可以合理利用了。2)可合理利用软岩石材料。厚层抛填要求选用新鲜坚硬岩石，抗压强度在600105800105Pa以上，一些低强度的软岩石(包括岩性软弱和风化的岩石)被视为劣质岩石而摈弃不用。薄层碾压则可将后者加以利用，甚至用于高堆石坝。开挖碴料也可充分利用，而有可能尽量考虑挖填平衡，取得较好的经济效果。如哥伦比亚的契伏坝，高237m，就用溢洪道开挖的石英岩、泥质板岩、千枚岩等建成。日本用砂页岩、粘板岩、片岩等建成的高坝也不少。软岩石和风化岩在重型振动碾作用下，颗粒已尽量破碎，可压实到很高密度，其工程性质可以满足一般要求。压实堆石料中细粒含量较多，增加了石块间接触点的数目，减少因应力集中使石块压碎而引起的附加变形。英国结合里恩拜恩、斯喀门达等坝进行的试验研究表明，在一般围压作用下，其压缩性和抗剪强度与硬岩石相差无几。据英国五座劣质石料建成的堆石坝统计，除一个用石炭纪页岩建成的坝，其坝坡较缓外，其余四座均在一般范围以内(下游坡11.411.8)。这类软岩石和风化岩在失水后极易崩解成碎块，如保持天然含水量则可保持完整，故要随挖随填，不要在大气中暴露太久。在坝内最好置于浸润线以上或靠近心墙的部位，表面用好岩石覆盖，使它与外界风化因子隔绝。同时，与风化岩用作防渗材料时一样，要用压实后的级配作为设计依据。(4)第3.1.15条关于任意料区的设置。强调了用料性质可以有较大幅度的变化，填筑标准也可适当降低，但仍应按规定碾压密实，保证填筑质量，而不能随意填筑。同时规定任意料区周边要做好反滤层，与相邻材料分隔开。第3.1.16条关于反滤料。本条明确规定在缺乏天然砂砾料的地区，可以用人工砂石料作为反滤料。与浑圆状的砂砾料相比较，人工砂石料是棱角状的，形状系数与前者不同，相似级配时平均孔隙直径比前者小，其他方面并无明显差别。但需注意施工压实时颗粒破碎对级配的影响。近来土工合成物作为反滤材料已有不少研究成果和应用实例，也有国产材料可供选用。但考虑到在永久性建筑物中使用尚缺乏经验，故规范中并未列入。在有条件的不太重要的坝中，经论证可以试用，以积累经验。第3.2.3条关于粘性土填筑密度。本条规定粘性土的填筑密度以压实干容重为设计标准，并按压实度确定之。压实度P定义为式中，为设计填筑干容重，为标准击实试验最大干容重。击实试验按土工试验规程(SDS0187)中标准击实法进行。这与原来采用的施工系数的概念是相仿的，但是明确了标准击实方法，使它与我国其他现行规范和国际上通用的标准相一致。对压实密度的取值，规定、级坝和各级的高坝，不低于0.960.99；对级以下的中低坝，不低于0.930.96。这是一般施工中能达到而又能满足质量要求的标准。国外用普氏标准击实，功能为594kJ/m3，美国垦务局要求压实度下限为93%98%，美国陆军工程师团要求压实度为95%100%。国内一些土石坝的压实度范围一般也是93%99%，但没有采用统一的击实方法和功能。因此，用标准击实的压实度0.930.99是符合已有经验的。应该说明的是水工建筑物抗震设计规范(SDJ1078)中，对有抗震要求的土石坝，规定的压实标准反比本规范规定为低，这是不够合理的。所以本规范规定了：对地震区的土石坝还应满足水工建筑物抗震规范(SDJ1078)第34条的有关规定，但与本规范有矛盾处，应以本规范为准。采用湿填法时，其填筑标准应经论证后个别确定。对砾质土，本规范规定以全料的击实试验结果选定不同粗料含量下的填筑干容重，其压实度也按本条规定执行。对粗料含量在30%以下时，也可用细料填筑干容重换算。但应注意不论哪种情况，砾质土中细料的压实度都应达到本条要求，即避免因粗料存在而影响细料的有效压实。对特别高的坝，例如坝高大于200m的坝，有时要求达到更高的压实标准，以适应承受高荷载的情况。这时国外有采用修正普氏标准的击实试验，其击实功能为2669kJ/m3，可得到更高的压实密度，可供参考。第3.2.4条对砂和砂砾料都以相对密度控制。但应注意对粗料含量较大的砂砾料，用以往常用的试验方法得出最大干容重往往偏低，由此换算出的相对密度就偏高，容易引起振动液化和大量变形。如密云水库的白河主坝上游砂砾石保护层在唐山地震期间发生液化而流滑，根据以往常用的试验方法，其相对密度约为0.6，而用振动台作最大干容重试验，得出的相对密度仅为0.36。土工试验规程(SDS0187)中已补充了用振动台作相对密度试验的方法。第3.2.5条堆石料的填筑密度。对于堆石料，用相对密度确定填筑标准虽有可取之处，但现在尚无确定其相对密度的方法，所以本规范仍按一般经验以孔隙率作为填筑标准。由于压实后的孔隙率(或干容重)与堆石料的级配和细料含量有关，不均匀系数大，细粒含量多，压实密度就高。参照已有经验，规定孔隙率不大于20%30%，但并不是说可以在这范围内任意选择，而需根据坝高、坝型、坝体内不同部位作出不同规定，并由碾压试验确定压实参数及可以达到的标准。根据48个堆石料统计，土质防渗体堆石坝坝壳料16个，压实干容重在1.802.35t/m3之间，垫层料9个，在2.002.39t/m3之间，其中大于2.30t/m3的，主堆石占8%，垫层料占22%。可见其密度以垫层料最高，面板坝主堆石其次，土质防渗体坝壳最小，这是与其工作条件和对变形适应性的要求有关的。面板坝主堆石区在坝轴线前后也可以有不同要求。用重型振动碾压实的堆石料，其孔隙率都应小于25%26%，最好达到20%23%。第3.2.6条本条指出了粘性土填筑含水量上下限的确定方法，并规定一般对最优含水量的偏离不超过2%3%。大量的研究成果表明，在最优含水量的干测和湿测压实的土，具有不同的结构和不同的力学性质。在湿测压实的填土偏向于颗粒定向排列的分散性结构，而干测压实的填土偏向于颗粒任意排列的凝聚性结构。两者相对比，前者渗透性小，固结较慢，在低应力下压缩大而高应力下压缩小，孔隙压力高，在压实状态下不排水强度小得多，而饱和后的排水强度大体相等或略低一些，饱和后的不排水程度则取决于饱和时是否允许膨胀，如允许膨胀，则略高，反之则略低，抗拉强度略低但极限拉应变较大，应力应变关系近于塑性，而模量较低，对不均匀沉降的适应性较好，膨胀小而收缩大，浸水饱和后各项性质变化较小。因此应根据土料性质、填筑部位、施工工艺、气象条件等因素选定。但有特殊用途的填土，如与基岩或混凝土建筑物的接触面，混凝土防渗墙顶部的高塑性填土等，其填筑含水量可以另行规定。填筑含水量还与施工压实机具有关，一般羊足碾压实时要低些，而气压碾压实时要高些。第四章坝体结构第4.1.2条关于坝坡设置马道的规定，由原规范第46条合并修改而成。目前，因为采用的护坡形式的发展，如混凝土护坡、抛石护坡等，设置马道对施工很不方便，面板坝用滑动模板浇筑，也不好设马道，所以上游坡已趋于不设马道。下游坡也趋向于不设或少设马道。为了便于坝体施工，本节增加了结合施工道路设置斜马道的规定。从我国碧口、石头河两座高土石坝的经验看来，设置斜马道的效果很好，对坝面交通布置极为有利。国外狭窄河谷中的高土石坝一般都在下游坡布置“之”字形上坝道路，以避免在岸坡开挖道路的困难。第4.2.3条关于土质防渗体的厚度。土石坝防渗体形式，由于刚性心墙现已基本不用，而钢筋混凝土面板、沥青混凝土面板和心墙却越来越普遍，故本规范中删掉了前者，而增加了后者的内容。土质防渗体顶部厚度取决于构造和施工上的要求。过去用人力施工，心墙顶部厚度有小到0.4m的，但一般都在2.0m以上，机械化施工的坝，心墙顶部厚度一般都在3.0m以上。所以本条规定考虑机械化施工的要求，不分心墙和斜墙，顶宽都不应小于3m。土质防渗体的厚度取决于土料的容许水力比降，它与反滤层的质量直接相关。从工程实践来看，只要料源足够，没有必要把防渗体按容许水力比降值设计得很薄，而且薄心墙或斜墙对抗震防裂也不利。原规范规定底厚对粘土和重壤土不小于水头的1/10，对中轻壤土不小于水头的1/5，似嫌太薄，这次修订为斜墙不宜小于水头的1/5，心墙不宜小于水头的1/4，底部的最小厚度未加规定，因为顶部最小厚度已有规定，断面又是向下逐渐加厚的，其底部厚度就自然满足了。对人力施工的小型工程的低坝，可参照本条按施工条件确定。一些工程实例见表4.1。表4.1一些土石坝防渗体厚度实例坝名国名坝高H(m)坝型防渗体底宽B(m)防渗体材料库加尔斯伐提文布朗尼梯克维牧尾卡里门采肯尼窄口拜肯陆诨横山柴河美国挪威美国南斯拉夫日本南斯拉夫加拿大中国美国中国中国中国158125122113.5106928577665548.642斜心墙心墙斜墙斜心墙心墙斜心墙斜墙心墙斜墙斜墙心墙心墙36.625121)232720161219.381254.35.012.25.03.94.95.36.45.46.94.18.4风化料冰碛土粘土壤土火山灰夹角砾壤土粘土壤土红土壤土注：按垂直厚度计。第4.2.4条关于防渗体的超高。不分工程等级，对斜墙和心墙分别给出规定，在有足以挡水的坚固防浪墙时，超高可以不受本条限制。这些是完全按水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区丘陵区部分)(SDJ1278)的有关规定修订的。第4.2.6条第4.2.8条关于钢筋混凝土面板和沥青混凝土面板和心墙。混凝土面板坝在30年代就有发展，最大高度已达到100m，如美国的盐泉坝。但是早期都用厚层抛填堆石，辅以高压水冲的方法填筑，其压实度不高，变形量大，面板及接缝常开裂漏水，因此在40和50年代就用得较少了。由于振动碾用于薄层碾压堆石的施工，压实后的堆石体密实而较少沉降，使混凝土面板坝有了新的发展，并逐渐用高土石坝，如已建成的巴西阿里亚坝，高160m，还有更高的坝正在设计中。国内已有少量这种坝型，1988年以前开始施工的有七座，最高的一座是西北口水库大坝，高95m，参见表4.2。表4.2混凝土面板坝实例(碾压堆石)序号坝名国家建成年份坝高(m)坝顶长(m)坝坡m值1)双向含钢率(%)坝体材料12345678910111213141516171819202122阿里亚亚肯布萨尔瓦兴娜塞格雷多安奇卡亚高兰谢罗罗格里拉斯希拉塔下比曼尼维里马拉塞沙那福蒂纳天生桥一级西北口成屏一级株树桥沟后龙溪关门山小干沟巴西委内瑞拉哥伦比亚巴西哥伦比亚泰国尼日利亚哥伦比亚印尼澳大利亚委内瑞拉南斯拉夫澳大利亚巴拿马中国中国中国中国中国中国中国中国198019821985施工中1974198419841978198719861981196719711987施工准备施工中施工中施工中施工中施工中1988施工中160150148145140130130127125122115110110105180957574706058.5608301073608252809205601104533602131178222279140183.612011.411.511.511.311.41.211.411.411.311.611.411.311.511.311.411.511.311.311.511.311.411.411.311.71.411.611.311.411.30.0030.0030.003480.0030.0030.0030.00370.0030.0010.00350.0020.41+0.003H0.003340.00350.00270.00310.0040.4米等厚0.0030.40.40.40.360.4410.50.50.40.40.40.650.650.50.50.50.40.50.40.40.50.4玄武岩砾石砂砾石、砂岩玄武岩角闪岩石灰岩花岗岩砾石角砾岩、安山岩辉绿岩石灰岩石英岩安山岩石灰岩、沙泥岩白云质灰岩凝灰岩、熔岩石灰岩、硅质板岩砂砾岩熔结凝灰岩安山岩注：面板厚度计算式：d=0.3+mH，0.3m为顶部厚度。沥青混凝土斜墙堆石坝也是30年代开始建造的，如阿尔及利亚在1936年建成的格利布坝，高72m，成功地运行迄今。到70年代，这种坝有很大发展，在+50和-50气温下都有应用，并出现了一些高坝。沥青混凝土心墙坝近年来采用也较多，香港的高岛坝，坝高已大于100m。我国自70年代以后，修建了不少沥青混凝土斜墙坝(如高85m的石砭峪，高79m的南谷洞)和心墙坝(如高46m的党河)，取得了初步经验，已建成的某些沥青混凝土防渗体的坝参见表4.3及表4.4。表4.3沥青混凝土面板坝实例序号坝名国家建成年份坝高(m)库容(106m3)面板厚度(cm)上游坝坡总厚防渗层12345678910111213141516171819石砭峪南谷洞深山依里埃姆达内格拉丁格利布埃尔西伯里奥霍姆斯塔克格兰车坝一级左科洛阿尔萨尼多多木良维涅莫奥歇尼克奥别纳皮杜明特里维双叶中国中国日本阿尔及利亚西班牙阿尔及利亚西班牙美国西德中国意大利法国日本挪威奥地利西德马来西亚意大利日本1977198119711954在建1936在建19671969198219641969197319631976197119691970197785797675757270696766.266656564616060606026.47022160546283.84.3554566.633.111.3194.42025.114.988010.52742323930323517.52016202233261534151512121211.312.2512.2513.011.911.611.711.610.671.111.7511.611.7512.2512.51212.511.711.611.911.711.511.9311.712011.85表4.4沥青混凝土心墙坝实例序号坝名国家或地区建成年份坝高(m)库容(106m3)厚度(cm)12345678910111213高岛东坝芬斯特塔尔高岛西坝小肯赤哥魏尔汉涅麦盖特毕格党河瓦勒多盖奥九里坑阿格碧流河香港奥地利香港西德西德西德英国西德中国葡萄牙中国西德中国1978198019771981197019541980196219741949197719661985105961)9570605856554645444038.327.36027.31332396714017632.22093060120507060120507040601006070506080150100110305040注：1)坝高为149m，但心墙高96m。混凝土面板坝的优点是断面最小，施工受气候的影响小，便于机械化快速施工和分期施工，相应的水工建筑物长度也小，可能是最经济的坝型。沥青混凝土面板取决于沥青的品质和当地的气候条件，其上游边坡一般都在11.7左右，比混凝土面板的坡度(一般11.311.4)为缓，施工也比后者麻烦，故使用不如后者广泛。沥青混凝土心墙施工简单，与岸坡结合部较易处理，耐久性较好，防渗体工程量小，上游坡可比沥青混凝土斜墙小，近年来采用较多，特别是浇筑式沥青混凝土心墙，在中小型工程中很受欢迎，但也有不易检修，施工接缝较多等问题。我国对人工防渗材料坝经验不多，在大型工程中还较少采用，因此本规范只是参照已建和正建的坝的经验，作了一般规定，待积累经验后，再逐步完善。(1)第4.2.6条强调了面板坝成功的关键是坝体应尽量密实和减少沉降，防止接缝张开和面板开裂。为此要采取相应措施，如用重型振动碾对坝体材料充分压实，在坝体沉降大体完成后或坝体达到一定高度后再铺筑面板等。但是在坝体不同部位的料物可以有不同的要求，根据实际观测资料，在面板上承受库水压力时，仅上游到的坝体受到影响而变形，特别是直接支承面板的垫层所受影响更大。为此，一般对坝轴线以前的部分施工要求高些，常采用层厚8090cm，有一定级配的堆石料，用重型振动碾碾压46遍，而对轴线以后部分要求可低些，层厚可以适当加厚，压实标准也可略低。具体填筑标准应通过碾压试验确定。坝体材料一般用堆石料，也可用砂砾料，但坝坡要比堆石略缓。(2)第4.2.7条规定面板与坝体应设置垫层。面板下的垫层是保证面板安全的关键之一。对混凝土面板坝，现在趋向于用透水性较小的或半透水的材料组成，在万一面板裂缝渗水时，可以限制通过面板漏入坝体的水量，并使裂缝自愈，这将有助于堆石坝体的安全。但是细粒太多又会使它的透水性降低，施工时要受到含水量的影响。特别在严寒地区，细料的持水作用会产生冻胀等问题。现在多采用含有一定数量细料的砂砾石或碎石填筑，其最大粒径810cm，小于5mm，含量30%40%，连续级配，渗透系数在10-3cm/s左右，小于0.1mm的细料不大于5%，级配以施工时不发生分离和不受含水量影响为度。每层填筑厚度4050cm，水平分层用振动碾压实。由于靠近斜坡处不能压实，而又是面板的直接支承层，故必须用振动碾在斜坡面上行走碾压密实。在浇筑面板以前，要将压实后的上游坡面用喷混凝土、喷沥青或铺砂浆等措施保护，避免施工期坡面被暴雨山洪冲刷或施工人员破坏，并在汛期万一挡水时起防护作用。(3)第4.2.8条关于沥青混凝土防渗体。1)沥青混凝土面板的一般结构。大致可分为复式断面和简式断面两种，两者的