土石坝的基本断面与构造
1.土石坝的基本断面
（1）坝顶高程。为保证水库运用时不发生漫溢，坝顶高程应为正常运用和非常运用的静水位加一定的超高值，见图3-24。坝顶超高值可用下式计算：
式中 Y——坝顶超高，m；
R——波浪在坝坡上的爬高，m；
e——最大风壅水面高度，m；
A——安全加高，m，按表3-2确定。
R、e具体计算参阅《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）。
图3-24 坝顶超高计算示意图
表3-2 安全加高A单位：m
设计时应分别计算下列四种情况，取其最大值：①正常蓄水位+正常情况的坝顶超高；②设计洪水位+正常情况的坝顶超高；③校核洪水位+非常情况的坝顶超高；④正常蓄水位+非常情况的坝顶超高+地震安全加高。
坝顶设防浪墙时，防浪墙顶高程可代替坝顶高程，但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m；在非常运用条件下，坝顶不应低于水库最高静水位。
【例3-2】 某水库位于山区，总库容为1.1亿m3，主坝为均质土坝，高70m，地震烈度为7度，设计洪水位为215.5m，校核洪水位为217.5m，正常蓄水位为215.0m。已知：正常运用条件下波浪爬高为3.50m，非常运用条件下波浪爬高为1.8m。最大风壅水面高度设定为零，地震壅浪高度取1.0m，地震沉降值B=0.5m。试确定该土坝坝顶高程。
解：查规范可知，大坝为2级建筑物，安全加高A设计情况为1.0m，校核情况为0.5m。
1）设计洪水位加正常运用条件下坝顶超高：
坝顶高程为：215.5+4.5=220.0（m）
2）正常蓄水位加正常运用条件下坝顶超高：
坝顶高程为：215.0+4.5=219.5（m）
3）校核洪水位加非常运用条件下坝顶超高为：
坝顶高程为：217.5+2.3=219.8（m）
4）正常蓄水位加非常运用再加地震条件下坝顶超高：
坝顶高程为：215.0+3.8=218.8（m）
取上述计算结果的最大值，则坝顶高程由设计洪水位情况控制，等于220.0m。
（2）坝顶宽度。坝顶宽度应根据运用需要、交通要求、结构构造、施工条件和抗震等因素确定，当坝顶有交通要求时，应按交通规定选取。一般情况下，高坝的顶部宽度可选用10～15m，低坝可选用5～10m。
（3）坝坡坡度。土坝的坝坡坡度取决于坝高、筑坝方法、筑坝材料等，可根据实际工程经验，参照类似工程，初选坝坡，然后通过渗透、稳定分析进行修正。
一般情况下，碾压式土石坝的平均坝坡为1∶2～1∶4。较高的坝可采用分级变坡的方式，每隔10～30m高变坡一次，坝坡向下逐级放缓。变坡处设马道，马道宽1.5～2.0m。此外，上游坝坡比下游坝坡缓；均质坝上游坝坡，较心墙坝缓；黏土斜墙坝上游坝坡比心墙坝缓，而下游坝坡可比心墙坝陡些。
2.土坝的构造
（1）坝顶构造。坝顶一般宜采用砌石、碎石或砾石、混凝土或沥青混凝土等护面。如坝顶有公路交通要求，其结构应满足公路交通路面的有关规定。坝顶上游侧常设置坚固、不透水的防浪墙，墙底应与坝体中的防渗体紧密连接。坝顶下游侧宜设路缘石或栏杆（图3-25）。为排除雨水，坝顶应做成向下游倾斜的横坡，坡度为2%～3%，并设置纵向排水沟，以利及时排除聚集的雨水。(https://www.daowen.com)
（2）坝体防渗设施。为减少坝体的渗流量、降低浸润线以增加下游坝坡的稳定、降低渗透坡降以防止渗透变形，除均质坝外，一般均应设专门的坝体防渗设施。
图3-25 坝顶构造图（单位：m）
1—心墙；2—斜墙；3—回填土；4—路面
对于黏土心墙，其顶部宽度不宜小于3m，两侧边坡1∶0.15～1∶0.3，底部厚度不宜小于作用水头的1/4，顶部高程应高于设计洪水位0.3～0.6m，且不低于校核洪水位；对于黏土斜墙，其厚度以垂直于斜墙方向量取，顶部宽度不宜小于3m，底部厚度不宜小于作用水头的1/5，内坡不陡于1∶2，外坡不陡于1∶2.5。对于设有可靠防浪墙的土坝，心墙或斜墙顶部高程也应不低于正常运用情况下的静水位。心墙或斜墙顶部与坝顶之间应设置厚度不小于1.0m的保护层，且为防止墙体发生渗流破坏及满足变形要求，黏土防渗体两侧均设反滤层和过渡层，见图3-26。
图3-26 塑性防渗墙示意图（单位：m）
（a）塑性心墙；（b）塑性斜墙
非土质防渗体主要有：钢筋混凝土（顶部厚度不小于0.3m，底部厚度一般为坝高的1/20～1/40）和沥青混凝土（顶部厚度不小于0.3m，底部厚度一般为坝高的1/40～1/60，且不小于0.4m）防渗体等。
（3）坝体排水设施。排水设施的作用是及时排除坝体及坝基的渗水，降低浸润线，增加坝体及坝基的稳定性，防止发生渗透破坏。坝体排水常用的形式有以下几种。
图3-27 贴坡排水
1—浸润线；2—护坡；3—反滤层；4—排水体；5—排水沟
1）贴坡排水。贴坡排水又称表层排水（图3-27），布置在下游坝坡底部，用1～2层堆石或干砌石筑成，在石块与坝坡之间设置反滤层。贴坡排水顶部应高于浸润线的逸出点1.5～2.0m，并应超出下游波浪爬高。当坝体为黏土料时，排水体厚度应大于本地的冻深。贴坡排水底部应设排水沟，其深度要满足结冰后仍有足够的排水断面。
贴坡排水构造简单，便于维修，用石料少，可防止渗流出逸处的渗透破坏，保护下游免受尾水冲刷，但不能降低浸润线，且易因冰冻而失效。一般用于中小型工程。
图3-28 堆石棱体排水
1—下游坝坡；2—浸润线；3—棱体排水；4—反滤层
2）棱体排水。棱体排水是在下游坝脚处堆成棱体状块石体（图3-28），其顶部高程应超出下游最高水位0.5～1.0m，并高于下游波浪的爬高。排水体顶宽视施工、检查观测需要确定，但不小于1.0m。堆石棱体内坡一般为1∶1.25～1∶1.5，外坡为1∶1.5～1∶2.0。
棱体排水能有效降低浸润线，防止坝体受渗透变形和冻胀破坏，保护坝坡不受尾水冲刷，并可支撑坝体，增加下游坝坡稳定。缺点是用石料较多、造价较高，与坝体施工有些干扰，且维修不便。多用在较高的坝和石料较丰富的地区。
3）褥垫式排水。用厚度约40cm块石、砾石平铺在靠下游侧的坝基上，排水体伸入坝内的长度一般不大于1/4～1/3坝底宽，倾向下游的纵向坡度约为0.005～0.01，并在其周围布置反滤层而构成的水平排水体（图3-29），以利渗水排出。
褥垫式排水能显著降低浸润线，有助于地基的排水固结，可避免冰冻。但石料、反滤料需要量大；且对不均匀沉降的适应性差，检修、维护困难。适用于下游无水、坝体和坝基为含水量大、透水性小的软土。
图3-29 褥垫式排水
1—浸润线；2—中细砂反滤层厚0.2m；3—砂砾层厚0.5～1.0m；4—砌块石；5—碎石
4）综合型排水。为充分发挥各种排水的优点，实际工程中，常将两种排水组合在一起应用，称综合式排水，如棱柱排水与贴坡排水结合，褥垫排水与棱柱排水结合等。
（4）护坡。为防止波浪淘刷、雨水冲刷、冰层冻胀、漂浮物撞击、干裂、动物洞穴对土石坝的破坏，则应对坡面进行保护。对护坡的要求是坚固耐久，尽可能就地取材，施工简单和检修方便。
上游护坡有砌石、堆石、干砌石、混凝土板、沥青混凝土等型式。上游护坡范围应由坝顶护至最低库水位以下1.5～2.5m。
下游护坡有砌石、堆石、卵石、混凝土框格填石或草皮护坡等。气候温和湿润地区的黏性土均质坝，可用草皮护坡，草皮的厚度一般为0.05～0.1m；若坝坡为砂性土，可先在坝坡上铺一层0.2～0.3m厚的腐殖土，再铺植草皮。当坝址附近石料丰富时，可采用单层干砌石护坡。下游护坡范围，应从坝顶护至下游排水设施。
单层干砌石的石块直径不小于0.2～0.35m，下面垫0.15～0.25m厚的碎石或砾石层，见图3-30。若采用双层干砌石，其上层采用大于0.25～0.35m的块石，下层块石直径为0.15～0.25m。干砌石护坡适用于浪高小于2m的情况。当浪高较大时，可采用水泥砂浆砌石或用混凝土勾缝，提高抗风浪能力，但要设置排水管。
图3-30 砌石护坡（单位：cm）
1—护坡；2—垫层；3—坝体
各种护坡均应在马道及护坡最下端设置基脚，以增强护坡的稳定性，为了防止雨水漫流而造成坝坡表面冲刷，在下游坝坡上需设置纵横连通的排水沟。