第四章-土石坝

2020/3/908:46土石坝2020/3/908:464.0本章简介一、目录二、教学要求三、重点难点22020/3/908:46一、目录4.1概述4.2土石坝剖面的基本尺寸4.3土石坝的渗流分析4.4土石坝的稳定分析4.5土料选择与填土标准确定4.6土石坝的构造4.7土石坝的地基处理8课时32020/3/908:46二、教学要求１、掌握土石坝的工作特点，土石坝的组成及分类。２、掌握土坝渗流分析的水力学方法。３、掌握土石坝稳定分析的圆弧滑动法和折线滑动法。４、了解土石坝的填筑标准。５、了解坝体细部构造设计。６、掌握土坝砂砾石地基处理的工程措施。42020/3/908:46三、重点难点重点：土石坝的工作特点，土石坝的组成及分类。土坝渗流分析的水力学方法。难点：土石坝稳定分析的圆弧滑动法和折线滑动法。52020/3/908:464.1概述一、土石坝的特点二、土石坝的工作条件和设计一般要求三、土石坝的类型四、土石坝的设计步骤62020/3/908:46土石坝是利用坝址附近的土石料填筑（碾压或夯实）而成的挡水建筑物，亦称当地材料坝。按照坝身中土料和石料所占比例的不同有土坝、堆石坝和土石混合坝。认识土石坝4.1概述2020/3/908:46小浪底工程简介小浪底大坝位于济源市西南30公里。总装机容量：180万千瓦坝高：160m坝长：1667m坝型：粘土斜心墙堆石坝2020/3/908:46石砭峪水库简介石砭峪水库位于秦岭北麓，西安市长安区五台乡境内，距西安市35公里。坝型：沥青混凝土斜墙堆石坝施工方式：定向爆破总装机容量：0.3万千瓦坝高：82.5m总库容：0.26亿立方米坝长：285m2020/3/908:46石头河水库简介石头河水库位于岐山、眉县、太白县三县交界处，黄河水系渭河南岸支流石头河上的斜峪关上游1.5公里处，北距蔡家坡20公里。工程于1971年10月开工，1989年10月完工。坝型：粘土心墙土石坝总装机容量：4.95万千瓦水库总库容：1.47亿立方米坝高：114m坝长：590m2020/3/908:46密云水库简介密云水库，位于北京市密云县城北13公里处，位于燕山群山丘陵之中，建成于1960年9月份。坝型：粘土心墙土石坝水库总库容：40亿立方米坝高：153.98m（1994）2020/3/908:462020/3/908:462020/3/908:464.1概述一、土石坝的特点优点•就地取材，造价低•对地形、地质条件的要求低•构造简单，施工技术容易掌握，便于组织机械化施工•运用管理方便，维修、加高和扩建容易缺点•施工导流不如混凝土坝方便•坝身一般不能溢流，需另设溢洪道•坝体填筑工程量大，粘性土料的填筑受气候条件影响142020/3/908:464.1概述土石坝是利用当地土石材料填筑而成的挡水坝，又称为当地材料坝。历史悠久，发展很快，国内外广泛采用。如图2011年的统计数据2020/3/908:464.1概述2020/3/908:464.1概述二、土石坝的工作条件和设计一般要求渗流影响冲刷影响沉陷影响其他影响，冰冻、地震等172020/3/908:464.1概述1、土石坝的组成土石坝一般由坝身、防渗体、排水设备和护坡组成。坝身：是土石坝的主体，坝的稳定主要靠它维持；防渗体：降低浸润线，减少渗透水量；排水设备：排除渗透水，增强下游坝坡稳定性；护坡：防止波浪、冰层、温度变化、雨水和水流等对坝坡的破坏。182020/3/908:464.1概述2、设计的一般要求具有足够的断面维持坝坡的稳定，土石坝的边坡和坝基稳定是土石坝安全的基本保证设置防渗和排水措施以控制坝体和坝基渗流拟定合理的施工填筑要求泄洪建筑物要有足够的泄洪能力坝顶和边坡要作防护大坝安全监测192020/3/908:464.1概述三、土石坝工作特点1、稳定方面：失稳形式主要是坝坡滑动或连同部分地基一起滑动2020/3/908:464.1概述2、渗流方面：坝体为散粒结构，主要承受渗透压力和渗透变形，有浸润面和浸润线概念2020/3/908:464.1概述2020/3/908:464.1概述2020/3/908:464.1概述2020/3/908:464.1概述2020/3/908:464.1概述2020/3/908:464.1概述2020/3/908:464.1概述3、冲刷方面：抗冲刷能力低2020/3/908:464.1概述4、沉降方面：容易产生沉陷，分为均匀和非均匀状况2020/3/908:464.1概述5、其他方面：冰冻、地震、动物破坏等2020/3/908:464.1概述2020/3/908:464.1概述三、土石坝的类型按坝高分类按施工方法分类•碾压式土石坝、水力冲填坝、水中填土坝、定向爆破堆石坝按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类•均质坝、粘土心墙坝、粘土斜墙坝、多种土质坝、人工材料心墙和斜墙坝、堆石坝、面板堆石坝322020/3/908:464.1概述33四、土石坝的设计步骤2020/3/908:464.1概述342020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸一、坝顶高程二、坝顶宽度及构造三、坝坡坡度及构造四、防渗体五、排水设备352020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸一、坝顶高程坝顶高程根据正常运行和非常运行时的静水位加相应的超高△h予以确定36▽顶=▽设+△h设▽顶=▽校+△h校取大值▽顶2020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸372020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸一、坝顶高程注意•中小型水库，洪水资料不准确，按上式计算的超高值偏小，可直接取1.5～2.0m•坝顶设防浪墙时，△h指墙顶在静水位以上的超高，且正常运行情况下，坝顶至少应高出静水位0.5m以上，非常运行情况下坝顶不得低于静水位•设计的坝顶高程是坝沉降稳定后的坝顶高程，故施工时应预留足够的沉降量。一般施工质量良好的土石坝，坝体沉降量约为坝高的0.2％－0.4％•地震区，坝顶高程应在正常运行情况下的超高上附加地震涌浪高度，一般取0.5～1.5m382020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸二、坝顶宽度及构造坝顶宽度取决于交通、防汛抢险、施工、心墙或斜墙顶部及反滤层布置。高坝，顶宽可选用10～15m，对于中低坝，可选用5～10m。坝顶路面没有交通要求时，用密实的砂砾石或碎石铺设护面。路面向一侧或两侧倾斜，坡度2％～3％防浪墙墙高1.3m，砼或浆砌石结构，埋入坝内，和坝的防渗体连接寒冷地区，坝顶须有足够的厚度，保护防渗体免受冻害392020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸二、坝坡坡度及构造土石坝坝坡一般在坝顶附近的坝坡宜陡些，向下逐级变坡，每级高度约15～20m，相邻坡率差不宜大于0.25～0.50。常用的坝坡一般取1:2.0～1:4.0坝坡坡度选择遵循几条规律•单种土料的上游坡常缓于下游坝坡。•粘土斜墙坝的上游坡比心墙坝缓，而下游坡比心墙坝陡。402020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸坝坡坡度选择遵循几条规律•碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。斜墙堆石坝，其下游坝坡可用堆石的自然坡，一般为1:1.3～1:1.4,上游坝坡则由斜墙的稳定而定，一般1:2～1:3。心墙坝则上下游坝坡均用1:1.5～1:2。•砂壤土、壤土的均质坝坡比砂或砂砾组成的坝坡要缓些。•碾压式土石坝从上而下逐级变缓坝坡，相邻坡率差值为0.25～0.5。砂或砂砾料坝体可不变坡，但一般也常采用变坡形式。412020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸土石坝上游坡面破坏作用•破浪的淘刷•冰层及漂浮物•顺坡水流•库水位下降时渗流和冰冻等破坏作用下游坡面破坏作用•雨水•风•动植物•冻胀和干裂等422020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸上游护坡•–型式：抛石、干砌石、浆砌石、现浇或预制混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土或水泥土。•–范围：坝顶起护至最低水位以下2.5m或至坝底。下游护坡•–形式：堆石、卵石或碎石、草皮。•–范围：坝顶至排水体或坝底（无排水体）432020/3/908:46442020/3/908:46452020/3/908:46462020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸四、防渗体作用•降低渗透坡降，防止渗透变形•减少通过坝体及坝基的渗流及渗漏损失•降低浸润线，减小下游饱和区，提高坝坡稳定性材料•粘土防渗：防渗土料的透水性远低于坝体材料•非粘土防渗：砼，沥青砼等人工材料472020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸型式•坝体防渗：均质坝以整个剖面防渗，分区坝用粘土心墙或者粘土斜墙防渗•坝基防渗：垂直防渗和水平防渗防渗体•底部厚度•墙体厚度由土料的［J］决定壤土：[J］＝5～4粘土：［J］＝8～6482020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸顶部厚度满足机械施工要求，不小于3m，最小2m。从坝顶至坝底逐渐加厚，两侧边坡在1:0.15～1:0.5之间选择墙顶高程在正常运用情况下，超高为0.3m～0.6m；非常运用情况下，不低于最高水位粘土斜墙位于坝体上游面，墙厚指垂直斜墙上游面的厚度，由渗透坡降确定。构造同心墙492020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸坝基防渗（垂直防渗措施）•1、粘土截水槽–当坝基砂砾层厚度在10-15m以内时，甚至达20m时，可选用粘土截水槽502020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸•2、混凝土防渗墙–用钻机或其它设备在土层中造成圆孔或槽孔，在孔中浇混凝土，最后连成一片，成为整体的混凝土防渗墙，适用于地基透水层较厚的情况。512020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸•3、帷幕灌浆–当砂卵石层很厚时，用上述3种处理方法都较困难或不够经济，可采用灌浆帷幕防渗。–砂卵石地基的可灌性，可根据地基的渗透系数，可灌比值M及小于0.1mm颗粒含量等因素来评判。522020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸–D15地基土层中小于此粒径的土重占总土重的15%，–d85是灌浆材料中小于此粒径的重量占总土重的85%。–一般认为：M5,不可灌；M=5～10，可灌性差；M10可灌水泥粘土浆；M15时，可灌水泥浆。–灌浆帷幕的厚度T，根据帷幕最大作用水头H和允许水力坡降[J],按下式估算：53灌浆帷幕的优点是灌浆深度大，但对地基的适应性较差，有的地基如粉砂、细砂地基，不易灌进，而透水性太大的地基又往往耗浆量太大。2020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸•4、粘土铺盖54铺盖长度应根据地基特性和防渗需要由计算确定，最长不超过6-8倍水头，若再增大防渗效果不显著增加。粘土铺盖自上游向下游逐渐加厚，其值由允许坡降决定。上游端厚度至少为0.5-1.0m。为了防止不均匀沉降，下游端与斜墙或心墙连接处应加厚。铺盖上设保护层。2020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸五、排水设备作用：是降低浸润线，防止坝体土壤发生渗透破坏。排水设备通常由排水体和反滤层两部分组成作用1.排水体2.反滤层55贴坡排水2020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸坝体排水——贴坡排水•用1—2层堆石或砌石铺砌在坝体下游边坡上，排水顶部在浸润线逸出点以上一定距离。56贴坡排水是最简单的排水设施，省工省料，便于检修。它只能保护下游坝坡不受尾水波浪淘刷，防止渗流逸出段的渗透变形而不能降低浸润线，且防冻性较差，适用于浸润线较低的土石坝。2020/3/908:464.2土石坝剖面的尺寸坝体排水——棱体排水•在下游坝脚处用块石堆成棱体，也叫滤水坝趾。顶面必须高出下游水位一定距离。顶宽不小于1.0m，一般内坡为1:1.0-1:1.5，外坡为1:1.5-1:2.0。57最常用的一种排水型式，它不仅可以有效地降低浸润线，保持下游坝脚不受下游水淘刷，而且有支持坝体，增加稳定性的作用。这种型式的缺点是石料用量大，费用高，与坝体施工有干扰。2020/3/