第三章_土石坝及堤防

第三章土石坝与堤防教学要求：掌握土坝的工作原理、工作特点和分类；掌握作用在土坝坝顶高程计算方法和土坝的剖面拟定的方法；掌握土坝渗流计算的水力学方法和稳定分析的基本方法；掌握土坝地基的处理方法；熟悉土坝土料选用和施工要求、土坝排水设施构造和坝基处理方法。第一节概述土石坝是指由土料、石料或土石混合料，采用抛填、碾压等方法堆筑成的挡水坝。堤坊是沿河岸构筑的护岸建筑物，大多数采用土石坝的结构形式，在许多方面土石坝与堤坊都存在共性。由于结构简单、施工方便、可就地取材和投资低等特点，因而土石坝是应用最为广泛和发展最快的一种坝型，也是历史最为悠久的坝型。一、土石坝的工作原理土石坝是土石材料的堆筑物，主要利用土石颗粒之间的摩擦、粘聚特性和密实性来维持自身的稳定、抵御水压力和防止渗透破坏。一般来说，土石坝为维持自身稳定需要较大的断面尺寸，因而有足够的能力抵御水压力。因此，土石坝工程主要面对两个问题：确保自身稳定和防止渗透破坏。其中自身稳定包括滑坡、沉陷和冲刷问题。1、滑坡由于土石材料为松散体，抗剪强度低，主要依靠土石颗粒之间的摩擦和粘聚力来维持稳定，没有支撑的边坡是填筑体稳定问题的关键。所以，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，影响坝体的正常工作，甚至导致工程失事。为确保土石填筑体的稳定，土石坝断面一般设计成梯形或复合梯形，而且边坡较缓，通常1:1.5～1:3.5。此外，渗流也是影响坝体稳定的重要因素。2、渗流水库蓄水后，土石坝迎水面与背水面之间形成一定的水位差，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，还会使背水面的土体颗粒流失、变形，引起管涌和流土等渗透破坏。在坝体与坝基、两岸以及其他非土质建筑物的结合面，还会产生集中渗流现象。防止渗流破坏的原则是“前堵后排”，在坝前（迎水面）采取防渗、防漏的工程措施，减少渗流量，同时要尽量排除渗入坝体的水量，降低渗流对坝体的不利影响。3、沉陷由于土石颗粒之间存在较大的孔隙，在外荷载的作用下，易产生移动、错位，细颗粒填充部分孔隙，使坝体产生沉降，也使土体逐步密实、固结。如果土石坝颗粒级配不合理，沉降变形、不均匀会产生裂缝，破坏坝体结构，也会降低坝顶高程，使坝的高度不足。土石坝的沉陷与坝体、坝基的土石材料有关，因此，土石坝设计需要考虑土石材料选用、坝基处理、填筑工艺等因素，筑坝时应有适量的超填。4、冲刷土石坝为散粒结构，抗冲能力低，受到波浪、雨水和水流作用，会造成冲刷破坏。因此，土石坝坝坡要设置护面结构，特别是迎水面要防止波浪影响，是护面的重点。背水坡面要设置排水沟，防止雨水对坝面的冲刷。土石坝的溢洪道和引水涵一般远离坝区布置，以面冲刷坝体。土石堤防还要采用各种护脚措施，例如抛石和模袋混凝土护脚，或设置丁坝。二、土石坝的类型（一）按坝高分类根据我国SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》的规定：土石坝按其坝高可分为低坝、中坝和高坝。高度在30以下的为低坝，高度在30～70m为中坝，高度在70m以上为高坝。（二）按施工方法分类1、碾压式土坝碾压式土坝的施工方法是用适当的土料、以合理的厚度分层填筑，逐层压实而成的坝。碾压填筑是应用最广的土坝施工方法，本章主要讲述这类型土坝。2、水力冲填坝以水力为动力完成土料的开采、运输和填筑全部筑坝工序而建成的土坝。利用水力冲刷泥土形成泥浆，通过泵或沟槽将泥浆输送到土坝填筑面，泥浆在土坝填筑面沉淀和排水固结形成新的填筑层，这样逐层向上填筑，直至完成整个坝体填筑。3、定向爆破堆石坝利用定向爆破方法，将河两岸山体的岩石爆出、抛向筑坝地点，形成堆石坝体，经过人工修整，浇筑防渗体，即可完成坝体建筑。（三）按坝体材料的组合和防渗体的材料、相对位置分类按坝体材料可分为土坝、土石混合坝和堆石坝三种，见图3－1。1、土坝土坝是用土料填筑而成的挡水坝。根据土料的分布情况，土坝还可分为均质坝、粘土心墙坝或斜墙坝、人工材料心墙坝或斜墙坝和多种土质坝。均质坝采用单一土料填筑，要求土料具有一定的防渗性能。粘土心墙坝或斜墙坝是采用防渗能力强的粘土作防渗体，设在坝体中上游位置，两边用透水性较大但抗剪强度较大的土料填筑。人工材料心墙坝或斜墙坝则是采用防渗能力强的人工材料，如沥青混凝土、钢筋混凝土作防渗体，设在坝体中上游位置，两边用土料填筑。多种土质坝采用多种土料填筑，一般要设防渗心墙或斜墙。2、土石混合坝多种土质坝的下游部分采用砂砾石料时，就构成土石混合坝。3、堆石坝坝体绝大部分采用石料堆筑的坝，需要设置防渗心墙或斜墙。堤坊大多选用土石材料，其形式与土石坝类似，后文均称土石坝。图3－1土石坝的类型第二节土石坝剖面设计土坝剖面设计是土坝设计的主要内容，包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗结构、排水结构及其细部构造。设计步骤：计算坝顶高程，根据具体要求和经验拟定剖面，进行渗流计算，最后进行坝坡稳定分析，根据稳定分析的结果判断坝剖面的合理性。一般需要多次重复以上步骤，直至得到合理的剖面。本节主要介绍土坝剖面尺寸拟定，渗流和稳定分析在后面介绍。一、坝顶高程坝顶高程要保证挡水需要，同时要防止波浪超越坝顶，有些海堤允许波浪越顶，但也需要控制。坝顶高程按水库静水位加上防浪超高来确定，碾压式土石坝设计规范（SL274－2001）规定，按下列运用条件计算，取其大者：（1）设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；（2）正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；（3）校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；（2）正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全超高。当上游设防浪墙时，以上确定的坝顶高程改为防浪墙顶高程。此时，在正常运用情况下，坝顶高程应高于静水位0.5m；在非常运用情况下，坝顶高程应高于静水位。堤防堤顶高程按设计洪水位或设计高潮位加超高，且1、2级堤防的超高不应小于2.0m。超高的计算公式如下：AeRY（3－1）式中R为波浪在坝坡上的爬高，m；e为最大风壅水面高度，m；A为安全加高，m。1、波浪爬高R（Rp）波浪爬高与累积频率有关，一般用Rp表示，P为累积频率（％）。对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级土石坝取累积频率P＝1％的波浪爬高值R1%，对于Ⅳ、Ⅵ级土石坝取累积频率P＝5％的波浪爬高值R15。对于不允许越浪的堤防取累积频率P＝2％的波浪爬高值R2%；对于允许越浪的堤防取累积频率P＝13％的波浪爬高值R31%。当坝坡为m=1.5～5.0时，Rp的计算公式为mmpwpLhmKKKR21（3－2）式中K为斜坡的糙率及渗透系数，见表3－1；wK为经验系数，与mgHv0有关，见表3－2；0v为计算风速，见第二章；Hm为坝前水域平均水深，m；pK为爬高累积频率换算系数，见表3－3；mh、mL为平均波高和波长，由式（3－3）～（3－6）计算。表3－1斜坡的糙率及渗透系数K护面类型K护面类型K光滑不透水护面（沥青混凝土）1.0砌石护面0.75～0.85混凝土板护面0.9抛填两层块石（不透水地基）0.6～0.85草皮护面0.85～0.90抛填两层块石（透水地基）0.5～0.55表3－2经验系数wKmgHv0≤11.52.02.53.03.54.05.0wK1.01.021.081.161.221.251.281.30表3－3爬高累积频率换算系数pKP（％）mmHh/125130.12.232.071.841.540.1～0.32.081.941.751.480.31.861.761.611.40平均波高和波长采用莆田试验站的计算公式。1）平均波高hm用式（3－3）计算7.02045.0207.020207.013.00018.07.013.0vgHthvgDthvgHthvghmmm（3－3）式中D为风区长度，见第二章；其余同前。2）平均波长Lm采用式（3－4）～（3－6）计算当5.0mmLH时，为深水波，其波长计算公式为2256.12mmmTgTL（3－4）其中5.0438.4mmhT（3－5）当5.0mmLH时，为浅水波，其波长计算公式为mmmmLHthgTL222（3－6）2、最大风壅水面高度e最大风壅水面高度用式（3－7）计算cos220mgHDKve（3－7）式中K为综合摩阻系数，其值在（1.5～5.0）×10-6之间，计算时可取3.6×10-6；为风向与坝轴法线的夹角；其余同前。3、安全加高A（1）土石坝安全加高，根据坝等级和运行情况确定，见表3－4。表3－4土石坝安全加高（m）运行情况坝的级别ⅠⅡⅢⅣ、Ⅴ正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3（2）堤防工程安全加高，根据堤防等级（见表3－5）和是否允许越浪来确定，见表3－6。表3－5堤防工程等级防洪标准［重限期（年）］≥100100，且≥5050，且≥3030，且≥2020，且≥10堤防工程级别12345表3－6堤防工程安全加高（m）堤防工程级别12345不允许越浪堤防工程的安全加高1.00.80.70.60.5允许越浪堤防工程的安全加高0.50.40.40.30.3二、坝顶宽度坝顶宽度主要满足运行、施工、交通和人防等要求。无特殊要求时，高坝的最小坝顶宽度一般为10～15m，中低坝为50～10；有交通要求时，应按交通规定确定。堤防工程最小堤顶宽度见表3－7。表3－7堤防工程堤顶宽度（m）堤防工程级别123～5堤防工程的堤顶宽度8.06.03.0三、坝坡坝坡应根据坝型、坝高、坝体材料和坝基情况，还要考虑坝体承受的荷载、施工和运用条件等因素，通过技术经济分析比较确定。一般方法是：根据经验初步拟定坝坡，再进行渗流和稳定分析，根据分析计算结果修改坝坡，直至获得合理的坝坡。较高的土石坝采用边坡方式，一般每隔10～30m高度边坡，边坡处设马道，宽度1.5～2.0m。一般坝坡为1:2.0～1:4.0，初拟坝坡时，可参照表3－8和3－9。表3－8均质坝坝坡经验数据坝高（m）马道坝坡宽度（m）级数上游坡下游坡15.01.511:2.50（上）1:2.75（下）1:2.25（上）1:2.50（下）15～252.021:2.75（上）1:3.00（下）1:2.50（上）1:2.75（下）25～352.031:2.75（上）1:3.00（中）1:3.50（下）1:2.50（上）1:2.75（中）1:3.00（下）表3－9心墙坝坝坡经验数据坝壳部分心墙部分坝高（m）马道坝坡顶宽（m）边坡宽度（m）级数上游坡下游坡15.01.511:2.25（上）1:2.50（下）1:2.0（上）1:2.25（下）1.51:0.215～252.01～21:2.50（上）1:2.75（下）1:2.25（上）1:2.50（下）2.01:0.15～0.2525～352.031:2.75（上）1:3.00（中）1:3.50（下）1:2.50（上）1:2.75（中）1:3.00（下）2.51:0.15～0.25此外，对于面板堆石坝，上游坝坡采用1:1.4～1:1.7，下游坝坡为1:1.3～1:1.6。第三节渗流分析一、渗流分析的概述1、渗流分析的目的土石坝基本剖面确定后，需要通过渗流分析检验坝体及坝基的安全性，并为坝坡稳定分析提供依据。计算内容有坝：体浸润线、渗流出逸点的位置、渗透流量和各点的渗透压力或渗透坡降，并绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图等。2、计算工况根据土石坝的运行情况，渗流计算的工况应能涵盖各种不利运行条件及其组合，一般需要计算的工况有：（1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；（2）上游设计洪水位与下游相应的水位；（3）上游校核洪水位与下游相应的水位；（4）库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。3、计算方法渗流分析的依据是大西定律和连续方程，各向同性的三维渗流分析基本方程为：thkSzhyhxhs222222（3－8）稳定流基本方程为：0222222zhyhxh（3－9）方程（3－8）或（3－9）在简单渗流区域内，可以解析求