河海大学《水工建筑物》土石坝-2015

第六章土石坝教学安排：1、课内学时：8学时2、课外试验一次：时间待定3、习题二道：渗流计算一道稳定计算一道第一节概述土石坝––故名思义，是由土料和石料堆筑而成的坝。因此，又称之为当地材料坝。既是一种最古老的坝型，也是现代世界各国普遍采用的一种坝型。古老性––如黄河大堤，安徽省寿县的安丰塘等都是建于春秋时代(公元前722～公元前481年)或更早时期就已建成。普遍性––据1972年统计，全国共建成高于15米的土石坝12000余座，占所有各类坝型的95％。目前世界上两座最高的坝均为土石坝塔吉克共和国努列克坝：罗贡坝：300m325m国内：陕西石头河坝：105m一、土石坝的特点(一)主要优点：1、就地取材。节省水泥、钢材、木材，并已积累相当丰富筑坝经验。2、适应地基的变形能力强。对地形、地质条件的要求在所有坝型中是最低的。3、施工方法灵活性大。由于构造简单，既适应于简单人工堆筑又适宜于高度机械化施工，不仅大大提高了施工速度，施工质量也容易保证。4、运用管理方便，工作可靠，便于维修扩建。并具有一定的抗震性。(二)主要缺点：1、坝顶不能溢流，常需在河岸另开溢洪道或其他泄水建筑物，(如隧洞、坝下涵管)。2、施工导流不便。3、坝体断面大，土料填筑质量易受气候影响。(三)根据坝身材料，土石坝分为：1、土坝；2、堆石坝；3、土石混合坝。它们的工作条件，结构型式，施工方法等虽不完全相同，但它们之间并没有明显的区别，本章重点介绍土坝。对于堆石坝和土石混合坝，仅作一般介绍。二、土坝的工作特点及基本要求土坝构成：由颗粒松散的土料构筑而成。由于土粒间联结力较低，在渗流、冲刷、沉降、冰冻、地震等因素的作用和影响下，表现出其相应的工作特点，所以，土坝设计时主要解决以下问题：(1)稳定：形剖面。典型断面：缓坡度的梯施工质量控制等；坝坡，做好地基处理，合理设计因展开，如合理选材，主要措施：针对失稳原事；作，严重者导致工程失失稳后果：影响正常工度小，坝坡过陡；失稳原因：土体抗剪强分地基；坝坡滑动，坝坡连同部；断面大面的失稳不可能发生整体沿坝基失稳方式：b)(a(2)渗流：水。渗流量：过大时影响蓄起土坝失事；引发生渗透变形，严重者渗透坡降：坡降过大，定不利。力，存在渗透力，对稳，内摩擦角，粘结浮托力，减小有效重力饱和区存在－坝体内的自由水面。－图浸润面控制因素：；易形成集中渗流两岸，有关结合面坝基主要途径：坝身差；后，上、下游形成水头产生的原因：土坝挡水1)3()(,,主要措施：围绕上述控制因素展开。如可靠的防渗排水(上防下排)(3)冲刷：坝面排水：如排水沟。增强凝聚力，草皮等浆砌，干砌护坡：如块石护坡顶；坝顶超高，不使风浪漫措施：甚至塌坡；冲刷后果：破坏坝面，水作用下形成冲刷粘结力小，易在风浪雨产生原因：土体颗粒间)()((2)(1)(4)沉降：造，正确选择施工控制合理设计剖面和细部构予留沉降；解决措施：全；引起裂缝，威胁大坝安匀沉降过大不足，影响运行，不均后果：沉降过大，坝高基压缩变形；作用下，引起坝体及坝自重及水压力易产生相对移动，坝体产生原因：粒间空隙，(2)(1)(5)抗冰冻：1o主要发生于严寒地区，对于粘性土，必须采取保护措施，设计中常以无粘性料作为保护层，其厚度应满足规范要求。2o浸润面以上要求定的干区保护厚度。(冰冻引起水体急剧膨胀，水4℃左右体积最小)(6)地震：水库蓄水诱发地震自然地震ba为什么会诱发地震？渗漏水流进入紊流状态，发生脉动，例如自来水管放水发生振动。危害：易引起液化破坏。对于中、细砂，粉砂，增加坝坡坍塌可能性ba土坝的失事主要原因1、漫顶：30％；2、坝坡坍塌：25％；3、地基渗漏：25％；4、坝下涵管出事：13％；5、其他：7％；三、土坝类型按施工方法分类：水力冲填坝水中填筑土坝碾压式土坝①碾压式土坝坝型。应用情况：最多的一种化石碴等；填料：土、砂卵石、风实；施工方法：机械分层压②水中填土坝条件：水源充足。质粘壤土等。砂砾及砾一定渗透性易崩解，易脱水固结，填料：黄土类水固结；机理：靠自重压料，排；逐层填筑填土灌水形成水池；在分格内；修筑围堰将填土面分格施工方法：)()(cb)(a③水力充填坝充足的水和电力。有位置合适的料场；要求条件：，粗粒形成坝壳。细粒在中部形成防渗体结成密实的坝体。后分层填筑，经脱水固到围埂围成的坝面形成源泉，经沟渠自流击土料坝顶高的土场，以水冲施工方法：机械抽水至ba②，③坝型存在的缺点：坝坡过缓，工程量大，固结慢，强度低，若施工速度过快，易滑坡。本章将主要介绍碾压式土坝应的面板坝和心墙坝。，亦构成可组成的防渗面板或心墙工材料青砼，钢筋砼或其他人人工防渗材料坝：如沥斜墙坝：心墙坝：分区坝作用。整个坝体起防渗填筑而成，其特点是：砂壤等壤土土料一种透水性较弱的粘性均质坝：坝体基本上由)(第二节土坝的剖面尺寸与构造一、坝顶和坝坡1、坝顶高程：坝顶高程常指设计高程。为了保证库水不溢过或溅过坝顶，坝顶高程必须在正常和非正常运用的静水位以上，且有足够的超高。超高值△h按式(6–1)确定：(见图6–2)△h＝hB＋e＋a(6–1)式中：hB––波浪爬高(m)；e––最大风壅高度(m)；a––安全加高(m)，取决于大坝级别和运用情况见表6–1①风浪壅高e计算：gHcos22DUKe(6–2)式中:K––综合摩阻系数一般为0.036U––水面以上10m处的风速m/sD––吹程(km)H––坝前水域的平均水深(m)β––风向与水域中线与坝轴线的法向线间的夹角。②波浪爬高hB计算定义：波浪爬高是指由静水面起沿建筑物坡面爬升的垂直高度，影响因素，波高、波长、坝面坡度、糙率、风速等。分析方法：随机统计特征值方法。(《碾压式土石坝设计规范》中规定，波浪爬高按不规则波法计算，把波浪及其爬高按不规则波法计算，把波浪及其爬高看成是大小不等的随机系列并服从一定的统计分布规律，根据爬高的分布确定各统计特征值之间的关系)平均爬高计算(莆田公式))2)((12LLUBLhznKKh(6–3)式中：K△––取决于护面材料坝坡糙率渗透系数0.650.50.80.750.90.850.91.0～抛填两层块石：～砌石护面：～草皮护面：砼板护面：沥青砼护面：Kν––经验系数(见表6–2)。n––坝坡系数设计过程中，往往是先初步拟定n＝ctgαα为坝坡与水平面的夹角③安全加高a取决于坝的级别，运用情况，查表6–1地震区安全超高：坝顶沉陷+涌浪高度坝顶高程确定：①▽顶＝▽设＋hB设＋e设＋a,正常②▽顶＝▽校＋hB校＋e校＋a,非常––––二者取最大值2、坝顶构造(图6–14)(自学为主)①坝顶宽度15m1010m5～高坝～中、低坝主要的满足条件：①施工、交通、防汛抢险等；②心墙、斜墙的布置②坝顶结构倾斜，坡度足交通部门要求，顶面有通车交通要求：应满。以下的坝可用草皮护面防雨水冲刷。层砌石护面，密的砂砾石，碎石，单无通车交通要求：用紧IV2％～3％，以排雨水。上游无防浪墙，应设栏杆。如设防浪墙，防浪墙高度常为1.3m，多用浆砌石或砼建造。基础牢固埋入坝内，和坝的防渗体(如心墙或斜墙)紧密连接。下游侧常设拦杆或路肩石。心墙、斜墙顶部有一定的保护厚度。3、坝坡①确定坝坡所要考虑的因素：坝型、坝高、筑坝材料、地质条件、地震等；②方法：初步拟定→稳定验算→逐步修正→安全经济坝坡；③主要原则：10上游坡稍缓––水下c、ф低，下游坡略陡––多为水上，c、ф值略高些；20心墙坝坝坡比均质坝坝坡陡，砂、砾ф壤土ф抗剪强度指标；30坝高10～30m，设马道坡度上陡，下缓，坡比差小于0.5，马道宽1.5～2.0m;表6–4列出经验参考值4、护坡①作用等。下游有水部位风浪冰冻，，干裂、穴居动物钻洞下游护坡：防雨水冲刷刷，漂浮物、冰冻等；上游护坡：防止风浪淘②范围：最低水位以下2.5m。③护坡种类：10砌石护坡)2m2m(.0.25m)0.15(块石时，水泥砂浆或砼浆砌适用场合：浪高算；强弱程度，需按规范计小，取决于风浪作用的，块石大～碎石或砾石作垫层厚材料：块石构筑方法：人工铺砌；20砼及钢筋砼板护坡)(0.25m0.150.5m0.3m3.0m3.0m1.5m1.5m(2)10m10m5m5m(1)较少用料。应用场合：当地缺乏石土垫层构造：板下铺设非冻胀～，钢筋砼板～厚度：砼板～予制安装：～就地浇筑：施工方法：30草皮护坡：先铺0.1～0.2m厚的腐殖土，上面种草或移植草皮。适用于均质坝，不用于砂壳坝。二、防渗设施主要目的：①减少通过坝体和坝基的渗漏量；②降低浸润线，增加下游坝坡的稳定性；③降低渗透坡降，防止渗透变形。主要部位：①坝体；②坝基；③坝身与坝基接触部；④坝身与岸坡及其他建筑物连接处。；(一)坝体防渗坝体防渗形式的选择是同坝型选择同时进行的。除均质坝因坝体土料透水性较小(一般K10-4cm/s)可直接起防治在作用外，一般土坝均应设专门的坝体防渗设施。主要形式：用人工防渗材料筑成沥青砼钢筋砼面板斜墙沥青砼心墙性土料筑成防渗心墙或斜墙：由粘这里仅介绍土质心墙和斜墙。(1)粘土心墙：(设计要求)①位置：坝体中央或稍偏上游；②材料：透不性很小的粘土；③顶高：不低于最高静水位；④顶厚：≥3(施工、构造要求)；⑤底厚：满足～壤土允许比降～粘土允许比降施工、构造4568)3.0m(–––取大值⑥边坡：1:0.15～1:0.25。壳钳制，产生水平裂缝过陡：心墙沉降易被坝心墙紧密结合；适当放缓；保证坝体、⑦顶部保护层：≥1.0m，(防冻、防裂)⑧坝与心墙接触部：过渡层(过渡、反滤、排水作用)，按反滤原则设计(2)粘土斜墙①位置：坝体上游面；②土料的尺寸––同心墙(注：厚度––指垂直于斜墙上游面厚度)③顶高：最高静水位；④上游保护层：1.0m；⑤下游侧：垫层(按反滤原则设计)；⑥上游坡度：满足保护层，斜墙稳定(计算确定)⑦下游坡度：一般不陡于1:2(坝体为砂砾石)粘土心墙、斜墙坝优缺点比较：对于斜墙坝裂缝，抗震性能较差。沉降较敏感，容易产生大，对坝体防渗体及坝体工程量较缺点：上游坝坡较缓，上升速度快；墙限制，可先行施工，优点：坝体施工不受斜心墙坝复没有斜墙方便。整个坝体施工，心墙修理影响施工，心墙下的地基处缺点：冬季、雨季不易工程量较斜墙坝稍小；斜墙坝，很敏感，抗震性能优于优点：对坝体沉降不是（3）斜心墙（4）铺盖及其他防渗体(二)坝基防渗1、坝基为透水性较大的岩基主要工程措施：。浆，选用于高坝深基础后帷幕灌灌浆，防止岩面冒浆，防渗帷幕灌浆：先固结－－适用于浅基础构筑砼截水墙。；开挖截水槽，回填粘土置换法：2、坝基为砂及砂卵石透水地基(1)截水槽：属于均质坝体、斜墙或心墙向透水坝基中的延伸部分(见图6－5)①实施：平行于坝轴线方向开挖直达不透水层的梯形槽，然后回填弱透性土料，分层压实，与坝体防渗体边成整体。②适用场合：深度10～15m(透水层)③位置：)(1/2)(1/3效果最佳坝底宽度距离内～均质坝－距上游坝脚心墙：斜墙底部④截水槽底宽：10)5533()(3.0m～，粘土：～，壤土砂壤土满足允许坡降施工要求取大值⑤开挖边坡：)(1.5:11:1反求由坝基材料内摩擦角满足稳定～不陡于取缓值⑥两侧接触部位：设置过渡层或反滤；⑦与岩基接触：齿墙––满足接触允许坡降53粘土壤土(2)砼防渗墙(见图