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发布时间: 2020-12-15来源:水利水电资料库作者:访问次数: 452

水工建筑物——土石坝

水工建筑物——土石坝的特点和分类

土石坝是指由当地土料、石料或混合料,经过抛填、碾压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾石为主时,称土坝;以石渣、卵石、爆破石料为主时,称堆石坝;当两类材料均占相当比例时,称土石混合坝。由于筑坝材料主要来自坝区,因而也称当地材料坝。土石坝历史悠久,是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。土石坝得以广泛应用和发展的主要原因包括以下几个方面:

  1. 可以就地取材,节约大量水泥、木材和钢材,减少工地的外线运输量。由于土石坝设计和施工技术的发展,放宽了对筑坝材料的要求,几乎任何土石料均可筑坝

  2. 能适应各种不同的地形、地质和气候条件。任何不良的坝址地基,经处理后均可筑坝。特别是在气候恶劣、工程地质条件复杂和高烈度地震区的情况下,土石坝实际上是唯一可取的坝型

  3. 大功率、多功能、高效率施工机械的发展提高了土石坝的施工质量,加快了进度,降低了造价,促进了高土石坝建设的发展

  4. 岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展提高了大坝分析计算的水平,加快了设计进度,进一步保障了大坝设计的安全可靠性

  5. 高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技术的综合发展,对加速土石坝的建设和推广也起了重要的促进作用。

 

世界上已建的高土石坝如苏联的努克列水库大坝,坝高达317m。塔吉克斯坦的罗贡水库大坝,坝高达335m。据统计,世界上在20世纪80年代末期兴建的百米以上的高坝中,土石坝的比例已达到75%以上。由于多方面的原因,我国高土石坝的发展比较缓慢,我国坝高超过100m的土石坝有石头河水库大坝,坝高105m;碧口水库大坝,坝高101m;鲁布革水库大坝,坝高101m;小浪底水库大坝,坝高154m等。随着我国能源和水利建设事业的发展,大型水利水电工程将日益增多,而水力资源丰富的黄河上游、长江中上游干支流、红水河等建坝地点,大都处于交通不便、地质条件复杂的地区,自然条件相对恶劣,施工困难,修建土石坝具有更强的适用性。因此,我国十分重视因地制宜,积极推广和发展高土石坝的建设。

一、土石坝的特点和设计要求

土石坝是由散粒体土石料经过填筑而成的挡水建筑物,因此,土石坝与其他坝型相比,在稳定、渗流、冲刷、沉陷等方面具有不同的特点和设计要求。1)稳定方面土石坝的基本剖面形状为梯形或复式梯形。由于填筑坝体的土石料为松散体,抗剪强度低,上、下游坝坡平缓,坝体体积和重量都较大,所以不会产生水平整体滑动。土石坝失稳的型式主要是坝坡的滑动或坝坡连同部分坝基一起滑动。坝坡滑动会影响土坝的正常工作,严重的将导致工程失事。为了保证土石坝在各种工作条件下能保持稳定,应合理设计坝坡和防渗排水设施,施工中还要认真做好地基处理,并严格控制施工质量。

 

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浸润线

 

2)渗流方面土石坝挡水后,在坝体内形成由上游向下游的渗流。渗流不仅使水库损失水量,还易引起管涌、流土等渗透变形。坝体内渗流的水面线叫做浸润线(图41)。浸润线以下的土料承受着渗透动水压力,并使土的内摩擦角和黏聚力减小,对坝坡稳定不利。坝体与坝基、两岸以及其他非土质建筑物的结合面,易产生集中渗流,因此设计土石坝时必须采取防渗措施以减少渗漏,保证坝体的渗透稳定性,并做好各种结合面的处理,避免产生集中渗流,以保证工程安全。

 

3冲刷方面土石坝为散粒体结构,抗冲能力很低。坝体上、下游水的波浪将在水位变化范围内冲刷坝坡;大风引起的波浪可能沿坝坡爬升很高甚至翻过坝顶,造成严重事故;降落在坝面的雨水沿坝坡下流,也将冲刷坝坡;靠近土石坝的泄水建筑物在泄水时激起水面波动,对土石坝坝坡也有淘刷作用;季节气温变化也可能使坝坡受到冻结膨胀和干裂的影响。为避免上述不良影响,应采取以下工程措施:

1.  在土石坝上、下游坝坡设置护坡,坝顶及下游坝面布置排水措施,以免风浪、雨水及气温变化带来有害影响

2.  坝顶在最高库水位以上要留一定的超高,以防止洪水漫过坝顶造成事故

3.  布置泄水建筑物时,注意进出口离坝坡要有一定距离,以免泄水时对坝坡产生淘刷。


4)沉陷方面由于土石料存在较大的孔隙,且易产生相对的移动,在自重及水压力作用下,会有较大的沉陷。沉陷使坝的高度不足,不均匀沉陷还将导致土石坝裂缝,横缝对坝的防渗极为不利。为防止坝顶低于设计高程和产生裂缝,施工时应严格控制碾压标准并预留沉陷量,使竣工时坝顶高程高于设计高程。对于重要工程,沉陷值应通过沉陷计算确定。对于一般的中、小型土石坝,如坝基没有压缩性很大的土层,可按坝高的1%2%预留沉陷值。根据土石坝的特点,认真分析研究基本资料,在枢纽布置时,应特别重视并尽量避免或减少土石坝与刚性建筑物的连接。对有条件的坝址,尽量选用开敞式溢洪道,以提高泄洪的超泄能力,使土石坝满足稳定、渗流、变形、冲刷以及不漫顶的要求。

 

二、土石坝的分类

土石坝常按坝高、施工方法或筑坝材料及防渗体位置进行分类。按坝高分类

土石坝按坝高可分为低坝、中坝和高坝。我国SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定:高度在30m以下的为低坝,高度在3070m之间的为中坝,高度超过70m的为高坝。土石坝的坝高均从清基后的地面算起。按施工方法分类1)碾压式土石坝它是用适当的土料分层堆筑,并逐层加以压实(碾压)而成的坝。这种方法在土坝中用得较多。近年来用振动碾压修建堆石坝得到了迅速的发展,本章主要阐述这种类型的土石坝。2)水力冲填坝它是以水力为动力完成土料的开采、运输和填筑全部工序而建成的坝。其施工方法是用机械抽水到高出坝顶的土场,以水冲击土料形成泥浆,然后通过泥浆泵将泥浆送到坝址,再经过沉淀和排水固结而筑成坝体。这种方法因填筑质量难以完全保证,目前在国内外很少采用。水力冲填坝的造泥及冲填布置见图。

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水力冲填坝施工示意图

 

3)定向爆破堆石坝它是按预定要求埋设炸药,使爆出的大部分岩石抛向预期地点而形成的坝。这种坝增筑防渗部分比较困难。除苏联外,其他国家采用极少。我国已建有40多座,最高的为陕西石砭峪水库大坝,坝高82.5m

 

三)按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类土坝土坝是指坝体的绝大部分都由土料筑成的坝。根据土料的分布情况又可分为以下四种。1)均质坝均质坝的坝体基本上是由均一的壤土筑成,整个坝体用以防渗并保持自身的稳定[图43a)]。由于黏性土抗剪强度较低,故多用于低坝。2)黏土心墙坝和黏土斜墙坝用透水性较大的土料做坝的主体,用透水性极小的黏土做防渗体的坝。防渗体设在坝体中央的或稍向上游的称为黏土心墙坝或黏土斜心墙坝[图43b)、图43c)];防渗体设在上游面的称为黏土斜墙坝[图43d)]。3)人工材料心墙和斜墙坝防渗体由沥青混凝土、钢筋混凝土或其他人工材料建成的坝。按其位置也可分为心墙或斜墙两种。[图43e)]为钢筋混凝土(或称刚性)心墙坝的示意图。4)多种土质坝坝的主体(不包括防渗体、排水体和护坡等)由几种不同的土料建成的坝[图43f)]
土石混合坝上述多种土质坝中,粗粒土改用砂砾石料筑成的坝,或用土石混合在一起的材料筑成的坝,称为土石混合坝。根据防渗体的位置和材料的不同,也可分为心墙坝、斜墙坝和人工材料防渗坝,如[图43g)~(j)]所示。堆石坝除防渗体外,坝体的绝大部分或全部由石料堆筑起来的称为堆石坝。按防渗体的布置,同样也有斜墙坝、心墙坝两种[图43k)、图43l)]。钢筋混凝土刚性斜墙堆石坝也称为钢筋混凝土面板堆石坝。

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土石坝类型

 

有防渗体的土石坝,为避免因渗透系数和材料级配的突变而引起渗透变形,都要向上、下游方向分别设置23层逐层加粗的材料作为过渡层或反滤层。在以上这些坝型中,用得最多的是斜墙或斜心墙土石坝,特别是斜心墙的土石混合坝,在改善坝身应力状态和避免裂缝方面具有良好的效果,高土石坝中应用得更多。

 

水工建筑物—土石坝的构造

 

土石坝的构造主要包括坝顶防渗体、护坡和排水设施等部分。

一、坝顶

坝顶一般都做护面,护面的材料可采用碎石、单层砌石、沥青或混凝土,Ⅳ级以下的坝也可以采用草皮护面。如有公路交通要求,还应满足公路路面的有关规定。坝顶上游侧常设防浪墙,防浪墙应坚固而不透水,下游侧宜设缘石。为了排除雨水,坝顶应做成向一侧或两侧倾斜的横向坡度,坡度宜采用2%3%。对于有防浪墙的坝顶,则宜采用单向向下游倾斜的横坡。在坝顶下游侧设纵向排水沟,将汇集的雨水经坝面排水沟排至下游。防浪墙可用混凝土或浆砌石修建。墙的基础应牢固地埋入坝内,当土石坝有防渗体时,防浪墙墙基要与防渗体可靠地连接起来,以防高水位时漏水。防浪墙的高度一般为1.01.2m坝面布置与坝顶结构应力求经济实用,在建筑艺术处理方面要美观大方。

二、防渗体

防渗体主要是心墙、斜墙、铺盖、截水墙等,它所要求的材料及布置上的一些特点,前面已叙述过,它的结构和尺寸应能满足防渗、构造、施工和管理方面的要求。

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坝顶构造(单位:m1—心墙;2—斜墙;3—回填土;4—碎石路面

 

(一)黏性土心墙

如图425所示,这种心墙一般布置在坝体中部,有时稍偏上游并稍为倾斜,以便于和坝顶的防浪墙相连接,并可使心墙后的坝壳先期施工,得到充分的先期沉降,以避免或减少裂缝。

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毛家村黏土心墙土坝(单位:m1—黏土心墙;2—半透水料;3—砂卵石;4—施工时挡土黏土斜墙;5—盖层;6—混凝土防渗墙;7—灌浆帷幕;8—玄武岩

 

心墙坝顶部厚度一般不小于3m,以便于机械化施工。由于心墙多为黏性土,材料的抗剪强度低,施工质量受气候的影响大,合适的黏土数量也难就近得到满足,所以,一般不宜做肥厚的心墙。心墙厚度常根据土壤的允许渗透坡降而定,有时也应考虑降低下游浸润线的需要。SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定心墙底部厚度不宜小于作用水头的1/4。黏土心墙两侧边坡多在10.1510.3之间,有些肥大心墙在10.410.5之间。心墙的顶部应高出设计洪水位0.30.6m,且不低于校核水位,当有可靠的防浪墙时,心墙顶部高程也不应低于设计洪水位。心墙顶与坝顶之间应设有保护层,厚度不小于该地区的冰结或干燥深度,同时按结构要求不宜小于1m。心墙与坝壳之间应设置过渡层,过渡层的结构虽比反滤层的要求低一些,但也应采用级配良好的、抗风化的细粒石料和砂砾石料,以使整个坝体内应力传递均匀,并保证坝壳的排水效果良好。心墙与地基和两岸必须有可靠的连接。岩石地基上的心墙(图426)一般还要设混凝土垫座,或修建13道混凝土齿墙。齿墙的高度约为1.52.0m,切入岩基的深度常为0.20.5m,有时还要在下部进行帷幕灌浆。

 

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黏土心墙与岩基的连接型式1—黏土截水墙;2—混凝土垫座;3—混凝土齿墙;4—灌浆孔

 

当坝下有涵管穿过时,除涵管必须加设截水环外,还要把涵管放在坚固的地基上或垫座上,有时需将心墙适当加厚,并认真填筑密实以确保安全。

 

(二)黏土斜墙

黏土斜墙的构造除外形外,其他均与心墙类似。顶厚(指与斜墙上游坡面垂直的厚度)也不宜小于3m。为保证抗渗稳定,底厚不宜小于作用水头的1/5。墙顶应高出设计洪水位0.60.8m,且不低于校核水位。同样,如有可靠的防浪墙,斜墙顶部也不应低于设计洪水位。为防止斜墙因弯曲、沉降而断裂,其厚度应比仅按渗透稳定条件确定的数值为大。斜墙顶部和上游坡都必须设保护层,以防冲刷、冰冻和干裂。保护层常用砂、砾石、卵石或碎石等砌成,厚度不得小于冰冻和干燥深度,一般用23m。斜墙及保护层的坡度取决于土坝稳定计算的结果,一般内坡不宜陡于12.0,外坡常在12.5以上。斜墙与保护层以及下游坝体之间,应根据需要分别设置过渡层。上游的过渡层可简单一些,保护层的材料合适时,可只设一层,有时甚至不设;与坝体连接的过渡层,与心墙后的过渡层极似,但为了使应力均匀并适应变形,要求还应高一些,常需设置两层,斜墙与铺盖或截水墙的连接都应牢靠。下图为汤河黏土斜墙土坝。

(三)非土料防渗体

非土料防渗体有钢筋混凝土、沥青混凝土、木板、钢板、浆砌块石和塑料薄膜等,较常用的是沥青混凝土和钢筋混凝土,由于这些非土料的防渗体多用在堆石坝中,所以将在堆石坝一节中介绍。

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汤河黏土斜墙土坝1—黏土斜墙;2—黏土铺盖;3—砂砾半透水层;4—砂砾石土基;5—混凝土盖板齿墙


 

三、排水设施

土石坝虽有防渗体,但仍有一定水量渗入坝体内。设置坝体排水设施,可以将渗入坝体内的水有计划地排出坝外,以达到降低坝体浸润线及孔隙水压力,防止渗透变形,增加坝坡的稳定性,防止冻胀破坏的目的。排水设施应具有充分的排水能力,不致被泥沙堵塞,以保证在任何情况下都能自由地排出全部渗水。在排水设施与坝体、土基接合处,都应设置反滤层,以保证坝体和地基土不产生渗透变形,并应便于观测和检修。常用的坝体排水有以下几种型式。1)贴坡排水紧贴下游坝坡的表面设置,它由12层堆石或砌石筑成,在石块与坝坡之间设置反滤层,如下图所示。贴坡排水顶部应高于坝体浸润线的逸出点,对Ⅰ级、Ⅱ级坝不小于2.0m,Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级坝不小于1.5m,并保证坝体浸润线位于冻结深度以下。贴坡排水底部必须设排水沟,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、节省材料、便于维修,但不能降低浸润线。多用于浸润线很低和下游无水的情况,当下游有水时还应满足波浪爬高的要求。
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贴坡排水1—浸润线;2—护坡;3—反滤层;4—排水;5—排水沟
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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)棱体排水在下游坝脚处用块石堆成棱体,顶部高程应超出下游最高水位,超出高度应大于波浪沿坡面的爬高,且对Ⅰ级、Ⅱ级坝不小于1.0m,对Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级坝不小于0.5m,并使坝体浸润线距坝坡的距离大于冰冻深度。堆石棱体内坡一般为11.2511.5,外坡为11.512.0或更缓。顶宽应根据施工条件及检查观测需要确定,但不得小于1.0m,如上图所示。棱体排水可降低浸润线,防止坝坡冻胀和渗透变形,保护下游坝脚不受尾水淘刷,且有支撑坝体增加稳定的作用,是效果较好的一种排水型式。多用于河床部分的下游坝脚处。但石料用量较大、费用较高,与坝体施工有干扰,检修也较困难。3)褥垫排水它是伸展到坝体内的一种排水设施,在坝基面上平铺一层厚约0.40.5m的块石,并用反滤层包裹。褥垫伸入坝体内的长度应根据渗流计算确定,对黏性土均质坝不大于坝底宽的1/2,对砂性土均质坝不大于坝底宽的1/3,其构造如下图所示。褥垫排水向下游方向设有0.0050.01的纵坡。排水层的厚度应根据排水量计算确定,并应满足反滤层最小厚度的要求。当下游水位低于排水设施时,降低浸润线的效果显著,还有助于坝基排水固结。但当坝基产生不均匀沉陷时,褥垫排水层易遭断裂,而且检修困难,施工时有干扰。


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褥垫式排水1—护坡;2—浸润线;3—排水;4—反滤层

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管式排水1—坝体;2—集水管;3—横向排水管

 

4)管式排水管式排水的构造如图所示,埋入坝体的暗管可以是带孔的陶瓦管、混凝土管或钢筋混凝土管,还可以是由碎石堆筑而成。平行于坝轴线的集水管收集渗水,经由垂直于坝轴线的横向排水管排向下游。横向排水管的间距为1520m。管式排水的优缺点与褥垫式排水相似。排水效果不如褥垫式好,但用料少。一般用于土石坝岸坡及台地地段,因为这里坝体下游经常无水,排水效果好。5)综合式排水为发挥各种排水型式的优点,在实际工程中常根据具体情况采用几种排水型式组合在一起的综合式排水,如若下游高水位持续时间不长,为节省石料可考虑在下游正常高水位以上采用贴坡排水,以下采用棱体排水;还可以采用褥垫式与棱体排水组合,贴坡棱体与褥垫式排水组合等综合式排水。

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综合式排水

a)贴坡与棱体排水结合;(b)褥垫与棱体排水结合

 

 

四、护坡与坝坡排水

土石坝的上游面,为防止波浪淘刷、冰层和漂浮物的损害、顺坝水流的冲刷等对坝坡的危害,必须设置护坡。土石坝下游面,为防止雨水、大风、水下部位的风浪、冰层和水流作用、动物穴居、冻胀干裂等对坝坡的破坏,也需设置护坡。在严寒和平原地区,护坡工程量很大,维修费用可达相当大的数字,因此合理选择护坡型式,使其能抵抗各种因素对护坡的破坏作用,施工维修方便、节省投资,具有重要意义。
1.上游护坡上游护坡的型式有抛石、干砌石、浆砌石、混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土或水泥土等。护坡覆盖的范围,应由坝顶起护至水库最低水位以下一定距离,一般最低水位以下2.5m。对最低水位不确定的坝应护至坝底。1)抛石(堆石)护坡——将适当级配的石块倾倒在坝面垫层上的一种护坡。优点是施工进度快、节省人力,但工程量比砌石护坡大。堆石护坡的厚度一般认为至少要包括23层块石,这样便于在波浪作用下自动调整,不致因垫层暴露而遭到破坏。当坝壳为黏性小的细粒土时,往往需要两层垫层,靠近坝壳的一层垫层最小厚度为15cm2)砌石护坡——用人工将块石铺砌在碎石或砾石垫层上,有干砌石和浆砌石两种。要求石料比较坚硬并耐风化。

干砌石应力求嵌紧,通常厚度为2060cm。有时根据需要用23层垫层,它也起反滤作用。砌石护坡构造见图433

 


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干砌石护坡(单位:m1—干砌石;2—垫层;3—坝体

 

浆砌石块石护坡能承受较大的风浪,也有较好的抗冰层推力的性能。但水泥用量大,造价较高。若坝体为黏性土,则要有足够厚度的非黏性土防冻垫层,同时要留有一定缝隙以便排水通畅。3)混凝土和钢筋混凝土板护坡——当筑坝地区缺乏石料时可考虑采用此种型式。预制板的尺寸一般采用:方形板为1.5m×2.5m2m×2m3m×3m,厚为0.150.20m。预制板底部设砾石或碎石垫层。现场浇筑的尺寸可大一些,可采用5m×5m10m×10m甚至20m×20m。严寒地区冰推力对护坡危害很大,因此也有用混凝土板做护坡的,但其垫层厚度要超过冻深,见下图

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混凝土板护坡(单位:cm)(a)矩形板;(b)六角形板1—矩形混凝土板;2—六角形混凝土板;3—碎石或砾石;4—木挡柱;5—结合缝

 

4)渣油混凝土护坡——在坝面上先铺一层3cm的渣油混凝土(夯实后的厚度),上铺10cm的卵石做排水(不夯),第三层铺810cm的渣油混凝土,夯实后在第三层表面倾倒温度为130140°C的渣油砂浆,并立即将0.5m×1.0m×0.15m的混凝土板平铺其上,板缝间用渣油砂浆灌满。这种护坡在冰冻区试用成功,见图435

 


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渣油混凝土护坡(单位:cm

 

5)水泥土护坡——将粗砂、中砂、细砂掺上7%12%的水泥(质量比),分层填筑于坝面作为护坡,叫水泥土护坡。它是随着土石坝的填筑逐层填筑压实的,每层压实的厚度不超过15cm。这种护坡厚度为0.60.8m,相应水平宽度为23m,见图:

 


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水泥土护坡(单位:m1—土壤水泥土护坡;2—潮湿土壤保护层;3—压实的透水土料

 

这种护坡经过几个坝的实际运用,在最大浪高1.8m并经数十年的冻融情况下,只有少量裂缝,护坡没有破坏。寒冷地区护坡在水库冰冻范围内,水泥含量应增加一些,常用8%14%以上各种护坡的垫层按反滤层要求确定。垫层厚度一般对砂土可用1530cm以上,卵砾石或碎石可用3060cm以上。

2.下游护坡

下游护坡主要是为防止被水冲蚀和人为破坏,一般宜采用简化型式。适用于下游护坡的型式有堆石、卵石和碎石、草皮等。其护坡范围由坝顶护至排水棱体,无排水棱体时护至坝脚。气候温和地区的黏性土均质坝,草皮护坡是常用的型式。若坝坡为无黏性土时,则应在草皮下铺一层厚0.20.3m的腐殖土,护坡效果良好。碎石或卵砾石护坡,一般直接铺在坝坡上,厚约1015cm。下游坝面需要全部护砌。

3.坝坡排水

为了防止雨水的冲刷,在下游坝坡上常设置纵横向连通的排水沟。沿土石坝与岸坡的结合处,也应设置排水沟以拦截山坡上的雨水。坝面上的纵向排水沟沿马道内侧布置,用浆砌石或混凝土板铺设成矩形或梯形。若坝较短,纵向排水沟拦截的雨水可引至两岸的排水沟排至下游。若坝较长,则应沿坝轴线方向每隔50100m左右设一横向排水沟,以便排除雨水。排水沟的横断面,一般深0.2m,宽0.3m,必要时可按1h暴雨强度和积水面积计算确定。

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坝坡排水(单位:m1—坝坡;2—马道;3—纵向排水沟;4—横向排水沟;5—岸坡排水沟;6—草皮护坡;7—浆砌石排水沟


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