1.土石围堰

土石围堰是用当地材料填筑而成的围堰，土石围堰的优点是可以就地取材和充分利用开挖弃料作围堰填料，对基础适应性强，堰基易于处理，且构造简单，施工方便，易于拆除，施工工期一般较短，工程造价较低。土石围堰型式在工程中被广泛采用，设计时应优先选用。

因土石围堰断面较大，一般用于横向围堰。但在宽阔河床以及有条件在岸边开挖导流明渠的工程中，如果围堰束窄河床增加的流速不大，也可作为纵向围堰，但需注意防冲设计，以保围堰安全。纵向土石围堰的迎水面流速宜控制在 5m/s 以内，并应尽量避免产生泡漩、回流紊乱等恶劣流态。若围堰坡脚流速大于 5m/s，则应研究专门的防冲措施。常用的防冲结构有抛石防冲体、钢筋石笼、混凝土防冲板等。

2.混凝土围堰

混凝土围堰具有抗冲能力大、断面尺寸小、易于与永久混凝土建筑物相连接、堰体允许过水等优点，但也存在造价高、施工条件严格、工期较长等缺点。混凝土围堰型式多采用重力式围堰，主要原因是结构及施工均较简单。我国三门峡、丹江口、盐锅峡、三峡等枢纽的混凝土纵向围堰，均为重力式混凝土围堰。为了节约混凝土工程量，加快施工进度，采用混凝土拱围堰的枢纽也不少。巴西伊泰普水电站明渠围堰、龙羊峡水电站上游围堰、大朝山水电站上游过水围堰等均采用混凝土拱围堰形式。混凝土拱围堰要求两岸有较好的拱座条件，对基础要求较高。

混凝土围堰一般要求直接修筑在基岩上，并要求有干地施工条件。在流水中修筑混凝土围堰则比较困难。在施工队伍具有丰富水下作业经验以及水深、流速不大的情况下，水下修筑混凝土围堰也是可能的。我国乌江渡、凤滩等水电站工程均采用水下施工修筑混凝土围堰施工方案，而且非常成功。

混凝土围堰过去多采用常态混凝土浇筑，现在有普遍采用碾压混凝土浇筑的趋势。碾压混凝土围堰造价低，施工简便，可缩短工期，在有条件时应优先采用。三峡混凝土纵向围堰（坝身段除外）以及三期上游混凝土围堰，岩滩水电站上、下游过水围堰，清江隔河岩水电站上游过水围堰，万安水电站二期上游过水围堰等均采用碾压混凝土围堰。

3.浆砌石围堰

浆砌石围堰所用的石料一般就地取材，所用水泥、砂的消耗量较混凝土围堰少，投资也较省。其抗冲性能好，且施工期允许过水。浆砌块石围堰需在干地施工，以保证砌石质量。若具备水下施工条件，可将水下部位浇筑混凝土，水上部分采用浆砌块石。浆砌块石围堰挡水高度不大，需有大量熟练圬工工人参与施工，施工进度较慢。

4.草土围堰

草土围堰是我国劳动人民在黄河治水堵口采用的传统方法，具有悠久历史。这是一种草土混合结构，施工简单，可就地取材，造价低，易于拆除，一般适于施工水深不大于 6m，流速 3.0m/s 以下，围堰高度不大的情况。草土围堰始于 1956 年兰州自来水公司在黄河修建取水工程，后来引入水利工程作围堰。盐锅峡、八盘峡以及汉江上游石泉水利枢纽均采用过草土围堰。

5.木笼围堰

木笼围堰是由框格木结构，内填块石组成的围堰型式。这种围堰具有断面小和抗冲能力强的特点，但木材消耗较多。施工时要求有一定的水深浮运木笼。木笼与基础面接触部分的防渗需潜水工下水作业，施工技术难度大，要求精度高，工程造价也较高。木笼围堰一般不宜高于 15m。我国最高木笼围堰为西津电站围堰，高 18m，木结构设计复杂，抗冲流速可达 6m/s。20 世纪 50 年代在黄潭口、新安江水电站工程中曾经采用木笼围堰。由于木笼围堰需消耗大量木材，对环境保护不利，因此应用受到限制，目前一般不采用。

6.钢板桩格形围堰

钢板桩格形围堰由「一字形」钢板桩与异形连接板组成的格体和联弧段构成。格体和联弧段内均填充土石料，以维持围堰的稳定。因受锁口强度限制，单排圆筒最大挡水水头不应大于 30m。

钢板桩格型围堰可以修建在岩基上或非岩基上，堰顶浇筑混凝土盖板后也可用作过水围堰用，修建和拆除可以高度机械化、断面小、抗冲能力强、安全可靠、钢板桩尚可回收。欧美诸国采用较多，如美国马克兰德水电站厂房围堰、美国肯塔基水电站围堰等。我国葛洲坝工程曾采用圆筒形格型钢板桩围堰作为纵向围堰的—部分。另外，还有双排钢板桩围堰、单壁钢板桩围堰等型式，如广东番禺雁洲水闸一期、二期围堰均采用双排钢板桩围堰。

围堰的平面布置主要包括围堰外形轮廓布置和确定堰内基坑范围两个问题。外形轮廓不仅与导流泄水建筑物的布置有关，而且取决于围堰种类、地质条件以及对防冲措施的考虑。堰内基坑范围大小则主要取决于枢纽建筑物主体工程的轮廓和相应的施工要求。当采用—次拦断导流时，围堰基坑是由上、下游围堰和河床两岸围成的。当采用分期导流时，围堰基坑是由纵向围堰与上、下游横向围堰围成。在上述两种情况下，上、下游横向围堰的布置，都取决于枢纽建筑物主体工程的开挖轮廓。通常基坑坡趾距离枢纽建筑物主体工程开挖轮廓线的距离，不应小于 20～30m，以便布置排水设施和交通运输道路、堆放材料和模板等（见图 2-5）。至于基坑开挖边坡的大小，则与地质条件有关。

当采用一次拦断导流时，上、下游围堰不存在突出的绕流问题。为了减少工程量，围堰多与主河道垂直。当采用分期导流时，为使水流顺畅，纵向围堰常顺直布置或布置成曲线形，上、下游端常设翼堰、导水堤等，以改善水流状态，避免侧向水流、涡流等对围堰及其基础的冲刷；而上、下游横向围堰一般与纵向围堰斜交布置（交角宜控制在 90°～120° 之间），使基坑的平面布置常呈梯形，这样既可使水流顺畅，同时，也便于运输道路的布置和衔接。当纵向围堰不作为永久建筑物的一部分时，基坑坡趾距离主体工程轮廓的距离，一般不小于 2.0m，以便布置排水导流系统和堆放材料，如果无此要求，只需留 0.4～0.6m。

实际工程的基坑形状和大小往往是很不相同的，有时可以利用地形以减少围堰的高度和长度；有时为照顾个别建筑物施工的需要，将围堰轴线布置成折线形；有时为了避开岸边较大的溪沟，也采用折线布置。为了保证基坑开挖和主体建筑物的正常施工，基坑范围应当留有一定富余。

加载中...

图 2-5 围堰布置与基坑范围示意图 （单位：m）

（a）平面图；（b）A—A剖面；（c）B—B剖面

1—主体工程轴线；2—主体工程轮廓；3—基坑；4—上游横向围堰；5—下游横向围堰；6—纵向围堰

1.断面型式与构造

土石围堰的基本断面型式由于材料构造不同，可分为：① 均匀土质围堰（单种土质）；② 多种土质混合围堰；③ 防渗斜墙土石围堰（见图 2-6）；④ 防渗心墙土石围堰，分刚性心墙（见图 2-7）和塑性心墙（见图 2-8）两种。

加载中...

图 2-6 防渗斜墙土石围堰示意图

（a）斜墙式；（b）斜墙带水平铺盖式

1—堆石体；2—黏土斜墙铺盖；3—反滤层；4—护面；5—隔水层；6—覆盖层

加载中...

图 2-7 刚性心墙土石围堰示意图

1—混凝土防渗心墙；2—砂砾石；3—覆盖层；4—基岩顶板线

加载中...

图 2-8 塑性心墙围堰示意图

1—黏土心墙；2—砂砾石；3—覆盖层；4—基岩顶板线

2.断面尺寸的设计

（1）围堰顶高程的设计。土石围堰顶在设计洪水静水位以上应有一段超高，其高度应当避免堰顶溢流的发生，如果是砌石围堰或混凝土围堰，堰顶短时漫流是允许的。设计洪水位以上的堰顶超高可按式（2-21）确定：

加载中...

式中 d——土石围堰在静水位以上的超高，m；

e——堰前因风吹而使静水位超出库水位的壅水高度，m；

hq——波浪在堰坡上的爬高，m；

δ——波浪以上的安全超高（按表 2-5 选用），m。

根据荷兰劳利兹委员会的公式：

加载中...

式中 W——风速，m／s；

D——吹程，km；

H——堰前水深，m；

α——风向与围堰轴线的法线方向所成的交角。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274）推荐的公式：

加载中...

式中 W——计算风速，m/s；

D——风区长度，m；

K——综合摩阻系数，取 3.6×10-6；

Hm——风区内水域平均水深，可取堰前水深，m；

β——风向与围堰轴线的法线方向所成的交角。

hq的计算公式繁多，可参用式（2-23）计算：

加载中...

式中 2h——波浪高（其计算可参考有关专著）；

θ——迎水堰面坡角，（°）；

K——堰坡护面粗糙系数（块石K=0.77，混凝土等光滑护坡K=0.9～1.0）。

（2）堰顶宽及构造。堰顶宽度及其构造按交通情况及防汛抢险情况而定。

1）无行车要求的堰顶宽度，按表 2-11 确定。

2）如堰顶有行车道，其顶宽按通过围堰的道路等级而定。

3）如堰顶考虑防汛抢险，其宽度尚需考虑增加子堤或堆筑材料。

堰顶可铺以砂卵石、碎石或混凝土，堰顶两侧应设排水，坡度为 2%～3%。

表 2-11 堰顶宽度（无行车要求） 单位：m

（3）围堰细部构造。

1）均匀土质围堰。均匀土质围堰的土料，应该具有足够的不透水性和稳定性，渗透系数应小于 10-4cm／s，围堰土料最好是用壤土，其黏粒含量 10%～ 含黏量 30% 为宜左右。含黏量 30%～50% 的黏壤土，也可作为围堰填料；但含黏量大于 50%～60% 时，这种土料将给围堰带来很多不利影响，一般不宜采用。纯黏土更是围堰填料的禁忌，因它受潮易滑陷，其中水分遇冻即膨胀，而干时易开裂。淤泥不能填筑围堰，是由于它的坡度缓，断面大，具有不均匀沉陷的特性。

砂土是透水的，若用砂土筑围堰，断面很大，将大大增加造价。如使用砂土作围堰填料，应当将其配置在背水坡的一面。在迎水坡面，应填以不透水壤土（约占断面的 30%～40% 左右），用粉砂及冻土填筑围堰是不合适的。

对含有有机混合物和水溶盐的土壤，因围堰运用时间短，不作特殊限制。护坡及堆石用料，应具有足够的抗压和抗冲能力。用作反滤层的砂的含泥量不应大于 10%。

若坝址附近没有足够储量满足上述各条件的均质土料，应改用其他围堰型式。

2）塑性斜墙围堰。在围堰迎水坡设置斜墙，斜墙土料与心墙的材料相同，斜墙围堰的背水部分堰体填料一般用较易透水材料做成，其中仅有极小部分被水饱和，有较好的稳定性。修建斜墙时，必须遵循下列基本条件：

① 黏土、壤土或砾石土斜墙，应按其高度逐渐向下加厚。

② 土质斜墙常为水下施工，其填筑碾压条件一般难以达到心墙的施工要求，对堰体沉陷的适应能力也较心墙差。因此，斜墙断面应比心墙稍厚，其顶部厚度一般为 1.0～3.0m，底部厚度可比心墙适当加厚。

③ 为防止斜墙的表面冲刷、干裂、冰冻以及迎水面裂缝，需在斜墙表面覆盖保护层。保护层为砂砾石，水下厚度不小于 1.5m，水位以上厚度则不应小于冻层厚度。

④ 直接与斜墙迎背水面连在一起的填料，应按反滤料要求配置。

当斜墙基础为透水层时，为了减少渗透流量和满足基础渗透稳定要求，堰前应设铺盖，通常对铺盖土料的基本要求同斜墙一样。铺盖长度一般根据接触允许渗透坡降而定，通常为水头的 3～4 倍，但有时可达 15～20 倍。铺盖厚度应依铺盖填料的透水性，以及土质的种类和性质来规定，一般 1m 左右。但若为水下抛投铺盖，由于未经碾压，铺盖厚度要加厚。其厚度应满足抗渗及抛填机械的最小抛投厚度要求。为防止铺盖水下抛投与斜墙接头处的不均匀沉陷而产生的断裂，在该处铺盖要加厚，一般为 3～4m。砾石土作水下抛填铺盖时，为了防止分离形成通道，使用时要进行充分论证。

心墙与斜墙的底部宽度，在使用壤土材料时，要进行满足允许坡降的校核。允许坡降在未取得试验值前，可以用下列参考数据：

砂壤土： i=3

壤 土： i=3～5

黏 土： i=5～10

3）刚性斜墙围堰。一般采用混凝土作斜墙。其水下部分的防渗结构，可用混凝土防渗墙连接，也可用帷幕灌浆防渗。刚性斜墙围堰结构复杂，容易因堰体沉陷过大引起斜墙裂缝，一般不予采用。

4）塑性心墙围堰。塑性心墙可分两大类。一类是由塑性混凝土、沥青混凝土、自凝灰浆和固化灰浆等材料组成的防渗体，其适应围堰变形能力较好，已取得很多成功的经验；另一类是采用黏土及黏壤土，或砂和黏土按比例配合的土料填筑而成的防渗体。该种心墙常做成梯形断面，其上下游坡度为 1∶0.2～1∶0.4 的陡坡。按反滤的原理，心墙的迎、背水面用较粗粒透水料做成，靠近心墙部分用细料做成过渡带。按照施工条件和保证心墙安全的要求，应该遵循下列基本原则：

① 心墙应该修建在不透水层（黏土类）、相对不透水层或基岩上，而且应特别注意与基础的结合。

② 心墙自上而下逐渐加厚。顶上部厚度不小于 0.8～1.0m，下底部厚度不小于 1/10～1/8 水头，且不能少于 3.0m。心墙厚度需根据土料的防渗性能、压实程度及其允许渗透坡降确定。一般土壤的允许渗透坡降J为：砂壤土J=3，壤土J=3～5，黏土J=5～10。由于心墙不易检修，底部厚度不宜过小，一般都大于 1/4 水头。当心墙为水下抛填时，其厚度更应加大，常做成厚断面心墙。

③ 干填心墙采用砾石土时，砾石（粒径 0.5～2.0cm）含量以不大于 70%～75% 为宜。

5）刚性心墙围堰。刚性心墙可分为混凝土心墙、钢筋混凝土心墙，钢板桩、木板桩心墙等。

① 混凝土心墙。一般要求干地施工，并建在岩基上，使心墙与地基良好连接。如果地基覆盖层较深，不便开挖时，也可采用冲击钻造孔，用混凝土防渗墙与心墙连接。混凝土心墙断面呈等腰梯形，其坡度约为 15∶1～30∶1，顶部厚度一般不小于 0.5m，底部厚度按允许水力梯度的承担水头而定，一般为水头的 1/8～1/15。为防止混凝土裂缝，心墙沿轴线方向每 15～30m 设置一条垂直伸缩缝，缝间设止水。

② 钢筋混凝土心墙。钢筋混凝上心墙断面一般也应为等腰梯形，边坡度为 50∶1～100∶1。心墙顶部的厚度应不小于 0.3m；中、大型围堰心墙的底部厚度，应按刚性心墙的计算而定，小型围堰心墙可取堰高的 1／12～1／15 为其底部厚度。

③ 混凝土防渗墙是用机械成槽浇筑水下混凝土而形成的防渗墙体。它对不同基础的适应性强，在地基防渗处理中得到广泛应用。其结构型式有单排墙和双排墙等。混凝土防渗墙一般允许水力坡降为 80～100。三峡工程二期上游围堰，最大挡水水头 85m，其中河床中部 162m 采用双排墙，墙厚 1.0m，两墙间距 6m，设横隔墙连成整体。

④ 钢板桩心墙用于当地无防渗材料低水头围堰（12～15m）。钢板桩可从堰顶打入。为了保证钢板桩的顺利插打，在钢板桩心墙 10m 范围内的填料，10～15cm 的卵石不能超过 10%。这种心墙的优点是钢板桩可以回收，施工较冲击钻防渗墙快而且经济。木板心墙适用挡水水头 10m 以下，用两层木板夹柏油油毛毡防渗，为了防止堰体变形引起心墙断裂，木板沿轴线方向每隔 10～15m 设一垂直缝，其接头用软接头连接。

6）护坡。上游围堰护坡主要用途是防风浪冲刷，下游围堰护坡除防风浪外还需考虑防涌浪冲刷。从一些工程实践看，下游围堰的涌浪冲刷，比风浪更为严重。护坡范围由抗风浪冲击控制时，运行期从最低水位以下 2m 扩至堰顶，由抗冲流速控制时，从堰底护至堰顶。常用护坡型式有：

① 堆石护坡。根据抗冲流速确定的块石粒径，用自卸汽车抛石，推土机整平，一般厚度为 0.5～1.0m。堆石块径需根据抗冲要求确定，一般为 10～30cm。堆石下面需设砂砾石垫层。垫层厚度需按滤层要求设计，一般为 0.3～0.5cm。

② 砌石护坡。常采用 15～30cm 石块人工嵌砌，其厚度可比堆石护坡减少 1/2，一般单层厚度为 0.2～0.35m，但垫层要求级配良好。在北方严寒地区，砌石和垫层的总厚度还应大于冰冻深度。

③ 混凝土护坡：混凝土护坡一般采用 1.5m×3m～3m×3m、厚度 0.15～0.2m 的块体。

④ 其他型式护坡。有钢筋石笼、沥青混凝土、梢捆、木板等护坡。

7）排水结构。围堰的排水结构一般为堆石棱体，可结合截流戗堤布置结合考虑。设计时必须遵循下列条件：

① 应高出基坑水位 1m 以上。

② 当基坑无水时，排水结构顶宽最小为 0.5～2m，内坡为 1∶1～1∶1.25，外坡为 1∶1.5。

③ 迎水面应设置反滤层。

8）两岸围堰与地基及其他建筑物的连接。均质围堰与地基的连接，只要将渗水性较大的沉积物或风化破碎岩石清除干净即可。斜墙和心墙土石围堰与岸坡及其他建筑物（如混凝土导墙、纵向围堰等）的接头设计与土石坝接头原理相同，主要是通过扩大接触面和设置混凝土齿墙嵌入岸坡的方法，以延长防渗体的接触渗径，防止集中绕渗破坏。连接部位扩大防渗体断面的要求，应根据允许渗透坡降确定，一般可将原断面扩大 2.0～3.0 倍，使接触面宽度不小于 0.5～1.0 倍水头。土石围堰与混凝土纵向围堰的接头，通常采用刺墙形式插入土石围堰的塑性防渗体中，并将接头处的防渗体断面扩大，以保证在任一高程处均能满足绕流渗径长度要求。土石围堰与岸坡连接，应将岸坡处渗透性很大、稳定性很差的坡积物全部清除，但不得清理成台阶式，也不允许有反坡，岩石岸坡的清理坡度应不陡于 1∶0.5～1∶0.75，土质岸坡的清理坡度应不陡于 1∶1.0～1∶1.5。在陡于 l∶1.5 的坡度上修建的混凝土齿墙，为了增加墙的稳定，其基座沿坝轴线方向应开挖成阶梯形。

3.坡度的确定及稳定计算

围堰边坡的确定，应根据填料和基础土料组成的性质、运用荷载条件进行稳定校核计算。

（1）土石围堰稳定破坏的形式。土石围堰稳定破坏有滑动、液化和塑性流动三种形式。

1）堰坡滑动。堰坡滑动是由于堰体的边坡太陡，堰体填土的抗剪强度太小，致使塌滑面以外的土体滑动力矩超过抗滑力矩，因而发生塌滑；或由于堰基土的抗剪强度不足，因而堰体堰基一同发生滑动，尤其当堰基存在软弱土层时，滑动往往是沿着该软弱层发生。因此堰坡的滑动面可能是圆柱面、折面、平面或者是更加复杂的形状。

2）土的液化。土的液化是发生在用细砂或均匀得不够紧密的砂料做成的堰体中，或由这种砂料所组成的堰基中。液化的原因是由于饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩，这时砂土孔隙中的水分不能立即排出，部分或全部有效应力即转变为中和应力（孔隙压力），砂的抗剪强度减少或变为零，砂粒也就随着水的流动而向四周流动。如果砂的有效粒径越小，不均匀系数越小，孔隙比越大，透水性越小，受力体积越大和受力越猛，砂土发生液化的可能性也越大。液化往往是突然的，当基坑放炮、打桩振动、大型机械行走振动及地震时，可能产生大体积的液化。

3）土石围堰的塑流稳定。由于堰体或堰基的剪应力超过了土料实际具有的抗剪强度不能承受荷载，使土体失掉了固体的性质，致使堰基及堰体被压出而隆起。在围堰施工期，当在水中抛填黏土料时，土料尚未固结，但围堰上部急需加高，其上部的加荷可能造成水中填土的塑流破坏。

进行土石围堰堰坡稳定计算时，应杜绝以上三种破坏稳定现象。尤其前两者必须加以计算及研究。在深水中抛土（特别是深水和软基），上部迅速加高时，需要核算其塑流稳定。

（2）围堰边坡初拟。土石坝及土石围堰运用历史悠久，有极丰富的实践资料，在初拟断面时可见表 2-12 的数据取用。

表 2-12 土石围堰初拟边坡参考值（1：m）

（3）围堰边坡稳定计算。

1）计算荷载。

① 自重。

黏性土：黏土堰体将长期保持其填筑含水量。固结与蒸发只能散失少量水分，故计算其自重时，在水面以上部分，可按湿容重计算式（2-24）为：

加载中...

式中 γw——湿容重，kN/m3；

γd——填筑时的干容重，kN／m3；

ω——填筑时的含水量。

在水面以下部分，按浮容重计算式（2-25）为：

加载中...

式中 γb——浮容重，kN/m3；

η——孔隙率；

γ——水容重，kN/m3。

在浸润线以下，水面以上的堰体部分，滑动时饱和容重按式（2-26）计算：

加载中...

式中 γs——饱和容重，kN/m3。

砂土：湿容重、浮容重、饱和容重均可根据以上黏土公式计算，一般砂的含水量仅能保持在 3%～10% 范围。

堰坡堆石及排水堆石：水面以上按干容重计算，水位降落时，块石中的水分立即排出，故不论水位突降或缓降，在水位以上者均为干容重，计算式（2-27）为：

加载中...

式中 γp——堆石干容重，kN/m3；

γn——块石容重，kN/m3；

η——堆石孔隙率。

在水面以下均为浮容重时，按式（2-28）计算：

加载中...

式中 γpb——堆石浮容重，kN/m3。

自重压力等于其上之土柱高度乘土的容重，各段容重不同，分别乘不同容重，然后再相加。

② 水压力、冰压力、浪压力。由于土石围堰体积很大，没有倾覆问题，也没有受上述荷载作用发生滑动的问题，所以这些作用力不必计算，混凝土围堰则需考虑上述荷载。

③ 渗透压力。当渗透水通过土体，土体受到渗水的动水压力，其方向与渗流方向相同，渗透压力的大小，可按K·泰沙基式（2-29）计算：

加载中...

式中 F——作用于土的单位面积上渗透压力，kN／m3；

I——渗透水的水力比降；

γw——水的容重，kN/m3。

土石围堰的渗透压力，由下列渗透形式所形成。

正常运行情况，渗透自上游向下游时所产生的稳定流见图 2-9（a）。

加载中...

图 2-9 稳定流与不稳定流示意图

（a）稳定流；（b）不稳定流

上游水位下降时，在迎水坡产生不稳定渗流，见图 2-9（b），水位自 1—1 降至 2—2 时，堰体孔隙中所含的水自坡面流出。当上游水位降低速度很快（ΔH；3m／d）时，渗压对堰坡影响很大，需要进行堰前水位骤降的稳定核算。