土石坝工程介绍

土石坝工程介绍第一节概述第二节土石坝的基本剖面第六节筑坝土石料及填筑标准第七节土石坝的构造第八节土石坝的坝基处理第九节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接第十一节堆石坝第一节概述一、土石坝发展概况二、土石坝设计的基本要求三、土石坝的分类四、土石坝设计中的几个问题五、土石坝的组成一、土石坝发展概况１.起源早4000多年前，中国、埃及、印度、秘鲁等地就已开始修建土石坝。2.数量多。国外100m以上高坝中，土石坝的比例为38%（1986年前），到1974年达到了56%，1975年达62%，1982年达270座，80年代末达75%；最高的土石坝为塔吉克斯坦的罗贡土坝，高335m。我国从解放以来共建坝86000余座，其中土石坝占95%以上。坝高15m以上的共1800余座，其中土石坝约1500余座。但百米以上的高坝少，主要有陕西的石头河（114m）、河南小浪底（173m）、龙门水库土石坝（220m）、鲁布革（103m）、在建的清江水布垭（175m）等。3.土石坝发展快的原因(1)就地取材，三材用量少，场外运输工作量小，随着土石坝筑坝技术的发展，对筑坝材料的要求越来越宽；(2)能适应各种地形、地质(地形地质条件适合建砼坝的所剩越来越少)、气候条件和高烈度地震地区；(3)结构简单，工作可靠，维修、加高方便，寿命长；(4)岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了土石坝分析计算的水平，保障了土石坝设计的安全可靠性；(5)大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量和进度，降低了造价；(6)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；二、土石坝设计的基本要求1.具有足够的断面维持坝坡稳定。土石坝失事主要是坝坡滑坡（约占25%），如美国的马歇尔坝。2.防渗体及排水设施应满足渗透稳定要求（1976年美国提堂坝渗透失稳）。3.须建专门的泄水建筑物。土石坝不允许水流漫坝。4.合理选择土石料、坝的结构形式及各部位土石料的配置，选择合理的填筑压实标准，避免产生有害裂缝。5.采取恰当的构造措施，抵抗其它自然灾害的破坏，使坝体运行可靠、耐久。三、土石坝的分类1．按坝高分《碾压式土石坝设计规范（SDJ218-84）》高坝——坝高大于70m中坝——坝高为30～70m低坝——坝高小于30m2．按施工方法分（1）碾压式土石坝——土料分层铺填，逐层碾压实心密实而成。（2）水力冲填坝——用高压水枪在料场中冲击土体，形成泥浆，用泥浆泵泵送至坝址，经沉淀、排水固结而成。质量难以保证，高坝不用。（3）水坠坝——在高于坝体的土料场造成泥浆，靠自重经输泥渠流入坝址的畦块里，经沉淀、排水固结而成。黄土高原独创，最高为延安长城水库坝，高70m。（4）水中填土坝——用易崩解的土料，逐层倒入水中填筑而成。依靠土体自重和运输车辆的重量压实，土体在水中崩解后重新固结形成坝体。特点：对土料要求特殊，坝体干容重低，抗剪强度小，坝坡必须平缓，工程量大，主要用于华北、广东等地，最高坝为山西汾河土坝（60m）。（5）定向爆破筑坝——按预定要求用炸药在一岸或两岸爆破，将石料抛向坝址后经修整而成。我国已用此法建坝40余座，最高为陕西石砭峪水库坝（82.5m）。3．按筑坝材料分堆石坝——石料含量大于50%土石坝——石料含量在5%～50%之间土坝——石料含量小于5%4．按防渗体材料分（1）均质土坝——坝体由一种土料构成，坝体即为防渗体。（2）土质斜墙坝——相对不透水或弱透水土料筑成防渗体布置在坝体上游坡面内附近，而以透水土石料筑下游支撑体。（3）心墙土石坝——防渗体在坝体中部且大体垂直，防渗体由相对不透水或弱透水土料筑成，或由沥青混凝土、混凝土、钢筋混凝土等人工材料筑成。（4）斜心墙土坝——防渗体在坝体中部，倾向上游面。（5）面板土石坝——沿坝体上游面布置的钢筋砼、沥青砼面板或塑料薄膜防渗，坝体由透水或半透水土石筑成。四、土石坝设计中的几个问题１.坝坡选择：土石料是散粒材料，为维持稳定，应增加坝体上、下游面坡度，而坝坡的缓陡与工程量大小密切相关，直接影响到土石坝的经济性。如何合理确定坝坡，使坝坡满足稳定要求，且工程量较小，是土石坝设计的首要问题。２.保证洪水不漫顶。土石坝抗卸洪水能力较差，一般不允许坝顶过水，须设置专门的泄水建筑物。土石坝坝顶超高要足够（1975年淮河上洪水导致两土石坝漫顶而跨坝）。３.有效控制渗透流量，防止出现浪砂或管涌（失事坝中40%由渗透破坏引起），因此必须进行渗流分析，采取有效的降渗措施。４.坝体的沉降。分层碾压后，坝体后期沉降仍不可避免，尤其在土基上筑坝时，沉降量更大。堆石坝由于坝体重量大，沉降更明显。故应建在坚实地基上。早期沉降为60%～80%，长工期沉降为0.2%～0.4%。５.抵抗外界自然现象破坏的能力差。受雨水、风、波浪作用冲蚀，冰冻后会产生裂缝，日晒后会龟裂，故应进行护面。五、土石坝的组成１．坝壳（坝体）２．防渗体３．排水设备４．护坡（砼、草皮）防渗体排水体坝壳护坡第二节土石坝的基本剖面一、坝顶高程二、坝顶宽度三、坝面坡度一．坝顶高程正常蓄水位+波浪爬高+安全超高（正常）•坝顶高程=max最大洪水位+波浪爬高+安全超高（非常）正常蓄水位+超高（正常）=max最大洪水位+超高（非常）•超高值=波浪爬高+坝前水位壅高+安全加高•波浪爬高按下式计算：式中：hl——设计波高（m）m——坝坡坡率n——坝坡护面糙率。对抛石护面，取0.035；对干砌石护面，取0.0275；对浆砌石勾缝护面，取0.025；对沥青及砼护面，取0.0155。或用下式计算：式中：K——护面粗糙系数，块石护面取0.77；砼护面取0.9～1.0。θ——上游面坡角。nmhhla6.0145.0tgKhhla3.3二、顶宽与坝坡1.顶宽：考虑运行、施工、构造、交通、人防、粘土防渗体顶宽及对其防冻保护的厚度要求。最小顶宽一般中低坝5～10m，高坝10～15m；2.坝坡：•一般规律：上游缓下游陡(上游坡长期饱和水位可能快速下降)，砂土料比堆石料上下游坡率差别大；斜墙坝比心墙坝的上游坡缓下游坡陡；粘性土料的稳定坝坡为一上陡下缓曲面，常沿高度以10～30m分段按0.25或0.5的坡率差从上而下逐段放缓；粉土、砂、轻壤土均质坝透水性大，应适当放缓下游坡；坝基或坝体土料沿坝轴线分布不均时应分段采用不同坡率，不同坡率以过渡区缓慢变化。•一般坡率：中、低均质坝平均1：3；土质心墙坝：下游坡：堆石坝壳的1：1.5～2.5；土料坝壳的1：2.0～3.0；上游坡：堆石坝壳的1：1.7～2.7；土料坝壳的1：2.5～3.5；土质斜墙坝：下游坡：比心墙坝的偏陡上游坡：比心墙坝的偏缓(石质坡放缓0.2，土质坡放缓0.5)面板坝：下游坡：堆石坝壳的1：1.3～1.4；卵砾石坝壳的1：1.5～1.6上游坡：石料坝壳的1：1.4～1.7；注：土石坝下游坡常沿高程10～30m设一宽不小于1.5～2.0的马道，上游坡视情况也可增设马道；堆石坝下游坡也常1～2条马道。第六节筑坝土石料及填筑标准一、土石坝对材料的一般要求1．具有一定的强度、抗渗性、抗冻性、排水性，根据使用部位不同，要求各不相同。2．工程性质的稳定性，即土料不会随时间变化而发生较大变化。3．良好的压实性能，即土料易被压实。二、均质土坝对土料的要求1．强度：粘粒含量一般为10%～30%，对粘性土，要求用塑性指数Ip=7～17的壤土。(塑性指数——土料塑性上、下限含水量的差值。间接表明土的强度随含水量变化而变化的关系，含水量越大，塑性越大，强度越低。)2．抗渗性：K10-4cm/s，影响K的主要因素有：土料颗粒级配；孔隙比；动力粘滞系数；土中空气封闭量等。3．有机质含量小于5%；易溶盐含量小于8%。三、防渗体对土料的要求1．选择防渗体土料的基本原则（1）防渗性能：K10-5cm/s，或K壳/K防渗体≤1000。（2）抗剪强度：取决于坝壳强度，一般土料均可满足要求。（3）压缩性：稳定，与坝壳土料接近，避免出现不均匀沉降导致裂缝产生。（4）抗渗稳定性：有较高的抗渗变形能力，有一定的塑性。Ip=10～17。（5）含水量：接近最优含水量以便压实。（6）级配：小于0.05mm的粘粒不超过40%，常用15%～30%；最大粒径不大于铺土厚度的2/3。不均匀系数不小于5。（7）有机质含量小于1%，易溶盐含量小于3%。2.常用的防渗体材料主要是粘土、壤土等细颗粒土，从60年代起国外也有用砾石土、风化砾石土作防渗体的情况。3．填筑标准根据《碾压式土石坝设计规范（SDJ218-84）的个性和补充规定》，对填筑密度的规定如下：（1）对不含砾或低含砾粘性土料，以干容重作为指标，按击实试验的最大干容重乘以压实系数确定。对一、二级坝，压实系数大于等于0.97～0.99；对三级坝，压实系数大于等于0.95～0.97（2）对含砾粘性土料，当细料压实性相近时，参照（1）的标准执行；对粗料含量小于30%的，可以细料的干容重按相应公式计算不同粗料含量的砾石土的干容重作控制标准。（3）对土料性质和压实性差异大时，按细料压实度指标控制，一、二级坝压实度不小于0.97～0.99，三级坝压实度不小于0.96。三．坝壳材料1．坝壳的作用：维持坝体稳定。2．坝壳对材料的要求：足够的强度；稳定性；排水性，一般无防渗要求。3．常用材料：中砂、粗砂、砾石、卵石及其混合料。4．风化料、软岩的应用随着碾压机械和碾压方法的改进，对石料的要求逐步放宽，可使用一定量的风化料和软岩填筑高坝。但在使用风化料和软岩时应注意：（1）分区使用：质量差、粒径小的在内侧，质量好、粒径大的在外侧。（2）表面应用1～1.5m厚的坚硬岩石覆盖，起保护作用，防止内部风化料继续风化。（3）细粒含量应适当控制，保证具有较好的透水性和压实密度。（4）防止细料过分集中，形成软弱面。5．填筑标准（1）砂性土，以相对密实度Dr作为控制指标，一般要求Dr≥0.7～0.75；对地震区，浸润线以上Dr≥0.7；浸润线以下Dr≥0.75～0.85。（2）填石料：以孔隙率作为指标，≤20%～28%。四．反滤料、过渡料、排水材料采用质地致密坚硬、具有高度抗水性和抗风化能力的砂石料(尽量利用天然砂砾料，也可用人工砂石料)，不宜用风化料。1.抗水性：孔隙率不大于3%，吸水率不大于0.8，容重不小于2.2t/m3。2.抗溶蚀性：不易溶蚀。3.抗冻融.、抗风化第七节土石坝的构造一、防渗体二、坝顶和护坡三、坝体排水和反滤层四、土工合成材料的应用五、土石坝的裂缝控制一、防渗体1.土质防渗体•主要结构形式：心墙、斜墙•厚度：通常用平均容许坡降作控制标准心墙Ja≤4，斜墙Ja≤5；(随反滤层设计完善Ja有增大趋势)；顶厚：应大于3m，便于机械化施工；底厚：厚心墙为(30%～50%)H，薄心墙为(15%～20%)H；(H-水头)•高度正常运用情况下在静水位以上超高：斜墙为0.8～0.6m，心墙为0.6～0.3m；非常运用情况下不低于该工况下的最高水位；•保护层防渗墙顶部及斜墙上游侧均应设置保护层，防止冰冻或干裂，保护层厚度不小于冻结或干燥深度；•反滤层防渗体与壳之间、截水槽与坝基透水层之间、下游渗流逸出处均应设反滤层；THJa2.沥青混凝土防渗墙•特点：抗渗性能好(K=10-7～10-10cm/s)、塑性和柔性也较好、对裂缝有一定愈合功能；•形式:心墙或斜墙心墙:适用于坝上游坡n＜２，铅直或斜心墙；顶厚＞30cm,底厚:中低坝,40～60cm.(H/50)高坝,(1/90～1/130)H，心墙两侧设过渡层斜墙:适用于坝体上游边坡n2，下设碎石或砾石垫层1～3m，垫层上铺厚3～4cm的沥青碎石层作斜墙的基垫；3.刚性防渗体－－砼防渗墙斜墙:由砼板拼装成，周边设柔性止水顶厚≥0.3～0.5m,底厚:(0.4～0.5)H(或t=30+AH计算,A=0.2～1.0)心墙:现浇，顶、底厚度尺寸同斜墙二．坝顶和坝坡1.坝顶:碎石，块石，沥青混凝土或混凝土铺面．上游侧设防浪墙（墙浆砌石，混凝土）防浪墙与防渗体相连．坝顶面应一侧或两