水工建筑物-教案 (重力坝 拱坝)

'水工建筑物-教案(重力坝拱坝)导读：就爱阅读网友为您分享以下“水工建筑物-教案(重力坝拱坝)”的资讯，希望对您有所帮助，感谢您对92to.com的支持!天津大学建工学院水利水电工程系水工建筑物授课教案章节名称第三章重力坝教学日期授课教师姓名张社荣职称教授授课时数14学时本章的教学目的与要求重力坝一章的教学是《水工建筑物》这门课程的入门章节，通过这章的学习，教师要将水工建筑物的设计方法、设计过程、设计原理和具体计算、绘图等内容系统的讲解清楚。39 设计方法上要掌握极限状态设计方法；计算方法上要掌握材料力学方法、刚体极限平衡方法。设计过程上要掌握从剖面拟定、作用施加、过坝水流处理、基础处理和细部构造等。设计原理上要掌握强度和稳定是如何提出问题和解决问题的；掌握重力坝水电枢纽中“水”从拦蓄到宣泄的能量转换原理。授课主要内容及学时分配重力坝的工作特点；重力坝上的主要荷载计算方法以及荷载组合；岩基上重力坝的稳定分析；强度校核（应力计算）；剖面设计；溢流重力坝的泄水方式及特点；下游消能与水面衔接；地基处理；构造要求。重力坝的发展；轻型坝简介；碾压混凝土坝、砌石坝等。重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）重点是设计方法、设计原理和设计过程；开始掌握国内外的设计标准、规范。难点是如何将已经学过的知识和原理系统的运用的重力坝的设计过程中。对学生的基本要求：(1)非溢流重力坝的荷载计算、剖面拟定、抗滑稳定验算及坝体应力的计算；(2)溢流重力坝的水力计算、剖面拟定；(3)重力坝的主要构造尺寸拟定能力；(4)重力坝的地基处理能力；(5)从新方法、新技术、新材料等方面看重力坝建设的发展方向。思考题和作业39 （1）重力坝的工作特点是什么？重力坝的优缺点？（2）重力坝的设计内容？基本剖面历史变革？（3）筑坝材料变革的历史和基础？（4）抗滑稳定的计算方法类型？计算方法比较。提高坝体抗滑稳定的工程措施。（5）重力坝失稳破坏的机理？目前设计中计算方法的缺陷？（6）重力坝应力分析的方法？扬压力存在的影响？（7）重力坝施工和运行期温度应力的计算方法？温度裂缝的类型和温度控制的措施？（8）重力坝地震作用计算方法、设防标准和工程措施？（9）溢流重力坝孔口设计、孔口形式类型及其特点？为什么用单宽流量衡量溢流重力坝泄水控制指标？（10）消能工的基本原理?不同消能工能量转换的途径？近20年在消能工设计方面的进展?（11）溢流坝有哪些高速水流问题？计算方法？判断标准？工程措施？（12）重力坝地基处理的主要内容和作用？（13）重力坝构造设计的内容？综合作业：给定一个预可研阶段重力坝设计的基本条件，拟定非溢流坝重力坝和溢流坝重力坝剖天津大学建工学院水利水电工程系面，构并做构造设计，最终绘出三维重力坝溢流和非溢流两个坝段。涉及稳定计算、应力计算、水力学计算等内容参考教材（资料）水工建筑物林继镛主编北京：中国水利电力出版社39 2006年重力坝设计潘家铮水利电力出版社1987年混凝土重力坝设计规范SL319-2005中华人民共和国水利部发布北京：电子工业出版社2005年混凝土重力坝设计规范DL5108-1999中华人民共和国国家经济贸易委员会发布北京：中国水利电力出版社2000年重力坝设计二十年周建平等主编北京：中国水利电力出版社2008年天津大学建工学院水利水电工程系教案第三章??岩基上的重力坝?第一讲讲授第一节概述、第二节重力坝的荷载及其组合第一讲优缺点对应一起讲；横排列表简单讲第一节??概述?一、重力坝的工作原理及特点?自重产生的抗滑力来满足稳定要求；满足强度要求。重力坝基本剖面呈三角形。坝轴线通常呈直线，折线或拱形。独立工作的坝段。39 重力坝优点：（1）结构作用明确，设计方法简便，安全可靠。（2）对地形、地质条件适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝。（3）枢纽泄洪问题容易解决。（4）便于施工导流。（5）施工方便。缺点：（1）坝体剖面尺寸大，材料用量多。（2）坝体应力较低，材料强度不能充分发挥。（3）坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大，对稳定不利。（4）坝体体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩，将产生不利的温度应力和收缩应力，因此，在浇筑混凝土时，需要有较严格的温度控制措施。二、重力坝的设计内容?（1）剖面设计（2）稳定分析（3）应力分析（4）构造设计（5）地基处理（6）溢流重力坝和泄水孔的孔口设计（7）监测设计三、重力坝的建设情况――――――――――――――――――――――-1962年瑞士建成了世界上最高的大狄克桑斯重力坝，坝高达285m。20世纪60年代开始，由于土石坝迅速发展，重力坝所占的比重有所下降。39 80年代，碾压混凝土，使重力坝所占比重又有所回升。50年代高105m的新安江和高71m的古田一级两座宽缝重力坝。3天津大学建工学院水利水电工程系教案60年代建成了高97m的丹江口宽缝重力坝和高147m的刘家峡重力坝。70年代建成了黄龙滩、龚嘴重力坝。80年代165m的乌江渡拱型重力坝和高107.5m的潘家口低宽缝重力坝等。90年代建成的有故县、铜街子、岩滩、水口、宝珠寺、漫湾、五强溪、万家寨等重力坝。1994年12月正式开工兴建的长江三峡水利枢纽重力坝，坝高181m，2003年7月第一台机组已经并网发电。第二节??重力坝的荷载及其组合?荷载部分一、作用与荷载?注意节省课时，多数的荷载已作用经在其它用词的区别课程熟悉。荷载重力坝承受的荷载与作用主要有：①自重（包括固定设备重），②静水压力，③扬压力，④动水压力，⑤浪压力，⑥泥沙压力，⑦冰压力，⑧土压力，⑨地震作用，⑩温度作用等。（一）自重（二）静水压力扬压力很（三）扬压力特殊与数理学的不同混凝土坝体和地基岩体都是透水性材料→→→渗流体积力计算。（四）动水压力当水流流经曲面（如溢流坝面或泄水孔洞的反弧段），由于流向改变，在该处产生动水压力，39 如图3–7所示。由动量方程可求得单宽反弧段上的动水压力分量γq?PH=V(cosα2?cosα1)??g?γqPV=V(sinα1+sinα2)??g?（3–3）扬压力包括上浮力及渗流压力。不同与水力学的概念4天津大学建工学院水利水电工程系教案式中PH，PV——总动水压力的水平和铅直分量，kN；α1，α2——反弧最低点两侧弧段所对的中心角，°；q——单宽流量，m3／(sm)；γ——水的容重，kN／m3；g——重力加速度，m／s2；V——水的流速，m/s。合力作用点可近似地取在反弧中点。图3－7动水压力计算简图（五）波浪压力波浪作用使重力坝承受波浪压力，而波浪压力与波浪要素和坝前水深等有关。波浪的几何要素见图3–8，波高为hl，波长为L，波浪中心线高于静水面产生的壅高为hz。波高、波长和壅高合称为波浪三要素。当波浪推进到坝前，由于铅直坝面的反射作用而产生驻波，波高为2hl，而波长仍保持L不变。图3–8波浪几何要素及吹程（a）波浪要素；（b）、（c）波浪吹程39 影响波浪形成的因素很多，目前主要用半经验公式确定波浪要素。规范对峡谷水库和平原水库分别介绍了适用公式。下列官厅水库公式适用于峡谷水库hl=0.0166V05/4D1/3(m)（3–4）L=10.4(hl)0.8(m)（3–5）式中Vo——计算风速(m/s)，是指水面以上10m处10min的风速平均值，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大风速，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值；D——风作用于水域的长度(km)，称为吹程或风区长度，为自坝前（风向）到对岸的距离，5讲清楚波浪的三要素天津大学建工学院水利水电工程系教案当吹程内水面有局部缩窄，若缩窄处的宽度B小于12倍波长时，近似地取吹程D＝5B（也不小于自坝前到缩窄处的距离）。hz=πhl2Lcth2πHL（3–6）式中H——坝前水深，以m计。上述官厅水库公式，39 适用于VoL／2时，波浪运动不受库底的约束，这样条件下的波浪称为深水波。水深小于半波长而大于临界水深Ho，即L／2>H>Ho时，波浪运动受到库底影响，称为浅水波。水深小于临界水深，即H土压力可不讲公式，同土力学泥沙压力则很复杂，但这个荷载的权重要有个认识天津大学建工学院水利水电工程系教案冰压力对低矮坝的?s122DPs=γsbhstg(45?)影响很大，22（3–11）甚至可以式中Ps——坝面单位宽度上的水平泥沙压力，kN／m；推断坝体γsb——淤沙的浮容重，kN／m3；hs——坝段前泥沙淤积厚度，m；?s——淤沙的内摩擦角，°。黄河流域几座水库泥沙取样试验结果，浮容重为7.8～10.8kN／m3。淤沙以粉沙和沙粒为主?时，s在26°～30°之间；淤积的细颗粒土的孔隙率大于0.7时，内摩擦角接近于零。（七）冰压力和冰冻作用（1）静冰压力。在寒冷地区的冬季，水库表面结冰，冰层厚度自数厘米至l米以上。当气温升高时，冰层膨胀，对建筑物产生的压力称为静冰压力。静冰压力的大小与冰层厚度、开始升温时的气温及温升率有关，可参照表3–1确定。静冰压力作用点在冰面以下1／3冰厚处。表3–1静冰压力0.40.60.81.01.2冰厚（m）85180215245280静冰压力（kN/m）注对小型水库冰压力应乘以0.87，对大型平原水库乘以1.25。（2）动冰压力。39 1）冰块垂直或接近垂直撞击在坝面产生的动冰压力可按下式计算Fb1=0.07VidiAific（3–12）式中Fb1——冰块撞击坝面的动冰压力，MN；Vi——冰块流速，应按实测资料确定，无实测资料时，对于水库可取流冰期内保证率为1％的风速的3％，一般不超过0.6m／s；di——计算冰厚，取当地最大冰厚的0.7～0.8倍，m；Ai——冰块面积，m2；fic——冰块的抗压强度，宜由试验确定，当无试验资料时，可采用0.3～0.4MPa。2）冰块撞击在闸墩产生的动冰压力可按下式计算Fb2=mfibbdi（3–13）讲讲冰压式中Fb2——冰块撞击闸墩的动冰压力，MN；力的大小fib——冰块的挤压强度，流冰初期可取0.75MPa，后期可取0.45MPa；b——建筑物在冰作用处的宽度，m；的感性认m——与闸墩前沿平面形状有关的系数，对于半圆形墩头m可取0.9，对于矩形墩头m识可取1.0，对于三角形墩头m可按有关规范选取；di的意义见式（3–12）。对于低坝、闸墩或胸墙等，冰压力有时会成为重要的荷载。例如：30年代在黑龙江省建成的一座7m高的混凝土坝即被lm厚的冰层所推断。流冰作用于独立的进水塔、墩、柱上的冰压力，也会对建筑物产生破坏作用。实际工程中应注意在不宜承受冰压力的部位，如：闸门、进水口等处应加强采取防冰、破冰措施。（3）冰冻作用。严寒使地基土中的水份结冰成为冻土，冻土层内的土体冻胀，受到建筑物39 和下面未冻土层的约束，将对建筑物或其保护层形成冻胀力，使之变位，甚至失稳、破坏。冻温度作用计表明，当水库库容与年入沙量的比值大于100时，水库淤积缓慢，一般可不考虑泥沙淤积的影响；当该比值小于30时，工程淤沙问题比较突出，应将淤沙压力视为基本荷载，可按水库达到新的冲淤平衡状态的条件推定坝前淤积高程。一般情况下，应通过数学模型计算及物理模型试验，并比照类似工程经验，分析推定设计基准期内坝前的淤积高程。低高程的泄水孔或电站进水口附近，淤沙形成漏斗状，可取进水口底高程作为漏斗底，考虑漏斗侧坡来确定坝前沿的局部坝段的淤积高程。我国利用泄洪底孔排出挟沙异重流的方法（蓄清排浑），能有效地保存水库的工作库容。淤沙的容重及内摩擦角与淤积物的颗粒组成及沉积过程有关。淤沙逐渐固结，容重与内摩擦角也逐年变化，而且各层不同，使得泥沙压力不易准确算出，一般按式（3–11）计算。7天津大学建工学院水利水电工程系教案土融化时，强度骤减，严重时可使建筑物受到破坏。因此，在设计寒冷地区的水工建筑物时，要遵循有关规范的规定。（八）温度作用坝体混凝土温度变化会产生膨胀或收缩，当变形受到约束时，将会产生温度应力。结构由于温度变化产生的应力、变形、位移等，称为温度作用效应。热量的来源主要为气温、日照、水温、以及水泥的水化热等。坝体外界气温的年周期变化过程可用式（3–14）表示。39 Ta=Tam+Aacosω(τ?τ0)（3–14）式中Ta——多年月平均气温，℃；τ——时间变量，月；τ0——初始相位，对于高纬度地区(纬度大于30o)，取τ0＝6.5(月)，对于低纬度地区，取τ0＝6.7（月）；ω——圆频率，ω＝2π／12，l／月；Tam——多年年平均气温，℃；Aa——多年平均气温年变幅，℃。气温的短周期变化，如旬变化、日变化，在混凝土体内影响很浅，仅能使结构产生表面裂缝。水库的水温受气温、来水情况、水库水下地貌和水库运行方式的影响，需要具体分析，但据多个水库实测记录的统计分析，水库坝前的年水温过程可用（3–15）式表示。TW(y,τ)=TWm(y)+AW(y)cosω[τ?τ0?ε(y)]（3–15）式中Tw(y，τ)——水深y（以m计）处，τ时刻的多年月平均水温；τ0——气温年变化的初始相位，见式（3–14）的说明；Twm(y)——水深y处的多年年平均水温；Aw(y)——水深y处的多年平均水温年变幅；ε(y)——水深y处的水温与气温年变化间的相位差。对于坝前水深超过50~60m的非多年调节水库，Twm、Aw、ε等项可按式（3–16）、（3–17）及（3—19）确定：TWm(y)=(7.77+0.75Tam)exp(?0.01y)（3–16）*AW(y)=(2.94+0.778Aa)exp(?0.025y)（3–17）39 式中，Aa*一般即为坝址多年平均气温年变幅，但在寒冷地区（Tam水库下游水温假定沿水深均匀分布，其年周期变化过程近似于相应的上游水库取水区的水温过程。受到日光直接照射的结构表面，因阳光辐射热而增温，能使年平均温度提高2～4℃，温度年变幅增加l～2℃。大体积混凝土结构在施工期内产生大量的水泥水化热且不易散发，而混凝土的强度增长缓慢，当气温降低时极易产生表面裂缝甚至贯穿裂缝。混凝土结构的温度变化过程可分为三个阶段：①早期，自混凝土浇筑开始至水泥水化热作用基本结束为止。②中期，自水泥水化热作用基本结束起至混凝土冷却到稳定温度止。③晚期，混凝土到达稳定温度后，结构的温度仅随外界温度变化而波动。各期应分别计算所产生的温度作用效应。混凝土体随其龄期还会产生体积变化，称为自生体积变形，视水泥品种、骨料成份及保养条件而定，可能膨胀，也可能收缩，其作用效应与温度作用相似，一般并入温度作用一起分析。（九）风作用风能引发开阔的水域形成波浪。风作用在建筑物表面产生风压力。迎风面为正压，在背风面或角隅还可能产生负压。一般情况可以不计风压，但对高耸孤立的水工建筑物则应予考虑。迎风面基本风压计算公式为39 2ω0=υ0/1600(kN/m2)（3–20）式中，υ0为风速，m／s，取空旷地区、距地面10m高度处，30年一遇的10min平均最大风速。基本风压ω。可由中国基本风压分布图查定，实际应用时还应考虑结构体形，附近地形、地貌条件，风力沿高度变化及结构物刚性等加以修正。（十）地震作用地震引发地层表面作随机运动，能使水工建筑物产生严重破坏。破坏情况取决于地震过程特点和建筑物的动态反应特性。1．地震惯性力《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073–2000）规定：重力坝抗震计算应进行坝体强度和整体抗滑稳定分析。工程抗震类别为甲类的重力坝其地震作用效应采用动力法，工程抗震类别为乙、丙类的重力坝采用动力法或拟静力法，设计烈度小于8度且坝高小于、等于70m的可采用拟静力法。以下介绍拟静力法。一般情况下，水工建筑物可只考虑水平向地震作用。设计烈度为8、9度的1、2级重力坝，应同时计入水平向和竖向地震作用。39 混凝土重力坝沿高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值Fi可按式（3–21）计算。Fi=αhξGEiαi/g（3–21）式中Fi——作用在质点i的水平向地震惯性力代表值；αh——水平向设计地震加速度代表值，当设计烈度为7、8、9度时，αh分别取0.lg、0.2g和0.4g；9风作用重力坝和土石坝影响不同地震作用机理在第二章讲清楚。这里讲计算和影响因素、几种计算方法。天津大学建工学院水利水电工程系教案讲清楚“地GEi——集中在质点i的重力作用标准值；震作用的g——重力加速度；效应折减αi——质点i的动态分布系数，按式（3–22）计算；系数”41+4(hi/H)nGEj41+4hj/Hαi＝1.4j=1GE（3–22）式中n——坝体计算质点总数；H——坝高，溢流坝的H应算至闸墩顶；hi、hj——分别为质点i，j的高度；GE——产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值。39 α当需要计算竖向地震惯性力时，仍可用式（3–21），但应以竖向地震系数αυ代替h。据α统计，竖向地震加速度的最大值约为水平地震加速度最大值的2/3，即αυ≈2/3h。当同时计入水平和竖向地震惯性力时，竖向地震惯性力还应乘以遇合系数0.5。2．地震动水压力地震时，坝前、坝后的水也随着震动，形成作用在坝面上的激荡力。在水平地震作用下，重力坝铅直面上沿高度分布的地震动水压力的代表值为PW(y)=αhξψ(y)ρWH1（3–23）式中PW(y)——水深y处的地震动水压力代表值；ψ(h)——水深y处的地震动水压力分布系数，按表3–2选用；ρW——水体质量密度标准值，kN／m3；H1——水深,m；其它符号的意义见式（3–21）。F单位宽度上的总地震动水压力0为F0=0.65αhξρWH12（3–24）H作用点位于水面以下0.541处。ψ(y)表3–2水深y处的地震动水压力分布系数y/H100.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0ψ(y)0.000.430.580.680.740.760.760.750.710.680.67Py水深为y的截面以上单位宽度地震动水压力的合力及其作用点深度hy，见图3–10。对于倾斜的迎水面，按式（3–23）计算地震动水压力时，应乘以折减系数θ/90°，此处，θ为建筑物迎水面与水平面的夹角。当迎水面有折坡时，若水面以下直立部分的高度等于或大于水深的一半，可近似取作铅直。否则应取水面与坝面的交点和坡脚点的连线作为代替坡度。39 作用在坝体上、下游面的地震动水压力均垂直于坝面，且二者的作用方向一致。例如：当地震加速度指向上游时，上、下游坝面的地震动水压力均指向下游。ξ——地震作用的效应折减系数，一般取ξ＝0.25；∑()10天津大学建工学院水利水电工程系教案图3–10地震动水压力分布图3．地震动土压力地震主动动土压力代表值FE按式（3–25a）计算，应取式中“＋”、“－”号计算结果中的大值。??cosψ11FE=?q0H+γH2?(1±ξαV/g)Ce2?cos(ψ1?ψ2)?（3–25a）其中Ce=cos2(?－θe－ψ1）cosθecos2ψ1cos(δ+ψ1+θe)(1+Z)2（3–25b）Z=sin(δ+?)sin(??θe?ψ2)cos(δ+ψ1+θe)cos(ψ2?ψ1)（3–25c）式中FE——地震主动动土压力代表值；Ce——地震动土压力系数；q0——土表面单位长度的荷重；ψ1——挡土墙面与垂直面的夹角；ψ2——土表面和水平面夹角；H——土的高度；γ——土的容重的标准值；?——土的内摩擦角，（o）；θe=tan?1θe——地震系数角，δ——挡土墙面与土之间的夹角；ξ——计算系数，用动力法计算地震作用效应时取1.0，用拟静力法计算地震作用效应时一般取0.25，对钢筋混凝土结构取0.35；其它符号的意义见式（3–21）。地震被动土压力需专门研究确定。1139 ξαhg?ξαv；天津大学建工学院水利水电工程系教案二、荷载组合?设计时，须按照实际情况，考虑不同的荷载组合，按其出现的机率，给予不同的安全系数。作用在坝上的荷载，按其性质可分为基本荷载和特殊荷载。（一）基本荷载①坝体及其上固定设备的自重；②正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力；③相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力；④泥沙压力；⑤相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力；⑥冰压力；⑦土压力；⑧相应于设计洪水位时的动水压力；⑨其他出现机率较多的荷载。2．特殊荷载39 ⑩校核洪水位时的静水压力；○11相应于校核洪水位时的扬压力；12相应于校核洪水位时的浪压力，○13相应于校核洪水位时的动水压力；○14地震作用；○15其他出现机率很少的荷载。○荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。基本组合属设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。设计时，应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的要求。表3–3为《混凝土重力坝设计规范》（SDJ21–2005）表3–3荷载组合12天津大学建工学院水利水电工程系教案荷载其荷载附注组合情况静水扬压泥沙浪压冰压地震动水土压它组合自重压力力压力39 力力荷载压力力荷载（1）正常土压力根据坝体外是79–––蓄水位情12345否况填有土石而定（下同）（2）设计基本879––洪水位情12345组合况静水压力及扬压力按（3）冰冻12346–79相––情况应冬季库水位计算（1）校核洪水位情11011412––13715况特殊静水压力、扬压力和浪组合压力按正常蓄水位计（2）地震12345715–14–情况算。有论证时可另作规定注：1.应根据各种荷载同时作用的实际可能性，选择计算中最不利的荷载组合。2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算；3.施工期的情况应作必要的核算，作为特殊组合；39 4.根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备易于堵塞，需经常维修时，应考虑排水失效的情况，作为特殊组合。5.地震情况，如按冬季计及冰压力，则不计浪压力。13天津大学建工学院水利水电工程系教案水工建筑物授课教案章节名称第三章土石坝教学日期授课教师姓名崔溦职称副教授授课时数10学时本章的教学目的与要求土石坝是学生需重点掌握的三大坝型之一，通过本章的学习，教师应将土石坝工作特点、设计要点、设计方法等讲解清楚。教学过程中，应将设计理念贯穿始终，重点是方法和应用，紧密结合工程实际，注重理论与实际结合，注重理论方法的局限性和适应性。授课主要内容及学时分配39 概述及土石坝基本剖面（1学时）；土石坝的渗流分析（2学时）；土石坝的稳定分析（1学时）；土石坝的固结沉降与应力分析（1学时），筑坝用土石料及填筑标准（1学时），土石坝的构造（1学时），土石坝的坝基处理（1学时），土石坝与坝基、岸坡及其它建筑物的连接，土石坝的抗震设计（1学时），堆石坝（1学时），土石坝的坝型选择。重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）重点是土石坝的渗流分析，稳定分析方法（简化毕晓普法）和固结沉降及应力计算。难点是土石坝应力计算和抗震设计。对学生的基本要求：学生应了解土石坝的工作条件及一般要求；熟悉土石坝的类型、筑坝材料和断面设计方法；掌握土石坝材料分区方法、筑坝材料选择与土料设计；和要求；掌握渗流分析与控制措施；掌握稳定分析各类方法，熟练掌握毕肖普法或简化的毕肖普法；掌握土石坝的沉降分析方法；掌握裂缝成因、处理措施和防治措施，学会土石坝地基处理和细部构造设计。思考题和作业（1）39 土石坝的工作特点是什么？与混凝土坝相比，土石坝的优缺点？（2）土石坝的历史变革？促使其变革的基本因素是什么？（3）土石坝的设计内容？其设计关注重点是什么？（4）土石坝剖面设计基本要素是什么？（5）土石坝渗流计算方法？水力学计算方法基本步骤？土石坝渗透变形方式及判据。（6）土石坝稳定分析方法选择？指标选择依据是什么？稳定分析方法及其适应性。（7）土石坝固结沉降计算方法？高坝应力和变形基本特性？（8）筑坝材料选择标准？不同部位填筑标准？（9）土石坝基本结构。防渗体设计要点。排水体形式及适应性。反滤层选择标准。（10）土石坝基础处理形式？不同基础处理方案。（11）土石坝抗震设计方法演化？液化产生机理？如何判别？（12）堆石坝的基本剖面形式？材料分区？面板设计要点？（13）坝型选择基本依据是什么？综合作业：高18m的一座均质土坝(不透水地基)，坝顶宽6m，上游水深15m，上游坡1:4，下游坡1:3，设：下游无排水，下游水深为6m，Kc=10-5m/s。试计算坝内浸润线位置，及单宽渗透流量14天津大学建工学院水利水电工程系教案Q。参考教材（资料）1、《水工建筑物》吴媚玲编著清华大学出版社2、《水工建筑物》张光斗、王光纶著水利电力出版社3、郭诚谦、陈慧远《土石坝》水利电力出版社4、许四复《土石坝施工》水利电力出版社39 15天津大学建工学院水利水电工程系教案第三章??土石坝?第31讲讲授第一节概述、第二节土石坝的基本剖面第31讲第一节??概述?土石坝是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝，是历史最为悠久的一种坝型，是世界坝明确土石坝概念工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。土石坝得以广泛应用和发展的主要原因是：（1）可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量。（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。（3）大容量、多功能、高效率施工机械的发展。（4）由于岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展。39 （5）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结合土石坝发展，对加速土石坝的建设和推广也起了重要的促进作用。据不完全统计，我国兴建的各种类型的坝共有8.48万余座，其中95%以上为土石坝。全世特点让学生明白土石坝界所建的百米以上的高坝中，土石坝所占的比重随年代呈增长趋势，20世纪50年代以前为30%，在我国快速60年代接近40%，70年代接近60%，至80年代后增至70%以上。土石坝在我国高坝中所占的发展原因比重也是逐步增长的。目前，世界上高度超过300m以上的高坝只有两座，都是土石坝，其中前苏联的罗贡坝，高335m，前苏联的努列克坝，高300m。我国已建成的天生桥一级面板堆石坝，高178m，在建的水布垭面板堆石坝，高233m，设计中的糯扎渡心墙堆石坝高261.5m。21世纪我国水利水电事业进入大发展时期，在西部大开发战略的支持下，一批水利水电工程将在黄河上游、长江中上游干支流，红水河等水利资源丰富的江河上开工建设。这些筑坝地点，大都处39 于交通不便、地质条件复杂的地区，自然条件相对恶劣，施工困难较多，修建土石坝具有更强简单总结土的适应性。因此，我国十分重视因地制宜，积极推广和发展高土石坝的建设。石坝优缺点一、土石坝设计的基本要求?（1）具有足够的断面保持坝的稳定。（2）设置良好的防渗和排水设施以控制渗流。（3）根据现场条件选择好筑坝土石料的种类、坝的结构型式以及各种土石料在坝体内的配置。还应根据土石料的物理、力学性质选择好坝体各部分的填筑压实标准，达到技术经济上的合理性。（4）坝基足够稳定。地震区兴建的土石坝，坝基和坝坡均应有足够的抗液化能力。坝基中让学生了解存在有可液化土壤时，应予清除或采取加固措施，保持坝基的抗震稳定。规范（5）泄洪建筑物具有足够的泄洪能力。39 （6）采取适当的构造措施，使坝运用可靠和耐久。二、土石坝的类型?土石坝按坝高可分为：低坝、中坝和高坝。我国《碾压式土石坝设计规范》（SL274–2001）规定：高度在30m以下的为低坝，高度在30～70m之间的为中坝，高度超过70m的为高坝。土简单讲16天津大学建工学院水利水电工程系教案第二节??土石坝的基本剖面?土石坝的基本剖面根据坝高和坝的等级、坝型和筑坝材料特性、坝基情况以及施工、运行条件等参照现有工程的实践经验初步拟定，然后通过渗流和稳定分析检验，最终确定合理的剖让学生了解面形状。设计是以经验为基础。一、坝顶高程?坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下四种运用条件计算，取其最大值：①39 明确一些基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；④正常蓄水位加非常运用的坝顶超高再加地震安全加高。当本概念坝顶上游侧设有防浪墙时，可改为对防浪墙顶高程的要求，但在正常运用条件下，坝顶高程应高出静水位0.5m，在非常运用条件下，坝顶高程应不低于静水位。坝顶超高d按式（5–1）计算，对特殊重要的工程，可取d大于此计算值。d=R+e+A（5–1）式中R——波浪在坝坡上的设计爬高，m；e——风浪引起的坝前水位壅高，m；A——安全加高，m，根据坝的级别按下表采用。非常运行条件（a）适用于山区，丘陵区；简单讲。非常运行条件（b）适用于平原，滨海区。设计的坝顶高程是针对坝沉降稳定以后的情况而言的，因此，竣工时的坝顶高程应预留足够的沉降量。根据以往工程经验，土质防渗体分区坝预留沉降量一般为坝高的1%。39 地震区的土石坝，坝顶高程应在正常运行情况的超高上附加地震涌浪高度。根据地震设计烈度和坝前水深情况，地震涌浪高度可取为0.5～1.5m。对库区内可能因地震引起大体积塌岸和滑坡时，涌浪高度应进行专门研究。设计地震烈度为8或9度时，尚应考虑坝和地基在地震作用下的附加沉降量。二、坝顶宽度?坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和地震等方面的要求综合研究后确定。我国土石坝设计规范规定高坝顶宽可选为10～15m，中、低坝可选为5～10m。坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布置的需要。在寒冷地区，坝顶还须有足够的厚度以保护粘性土料防渗体免受冻害。石坝的坝高有两种算法：从坝轴线部位的建基面算至坝顶（不含防浪墙）和从坝体防渗体（不含坝基防渗设施）底部算至坝顶，取两者中的大值。39 土石坝按其施工方法可分为：碾压式土石坝；冲填式土石坝、水中填土坝和定向爆破土石坝等。应用最为广泛的是碾压式土石坝。按照土料在坝身内的配置和防渗体所用材料的种类，碾压式土石坝可分为以下几种主要类型：（1）均质坝。坝体主要由一种土料组成，同时起防渗和稳定作用。（2）土质防渗体分区坝由相对不透水或弱透水土料构成坝的防渗体，而以透水性较强的土石料组成坝壳或下游支撑体。按防渗体在坝断面中所处的部位又可进一步区分为心墙坝，斜心墙坝，斜墙坝等。（3）非土质材料防渗体坝以混凝土、沥青混凝土或土工膜作成防渗体，坝的其余部分则用土石料进行填筑。。17天津大学建工学院水利水电工程系教案三、坝坡?坝坡坡率关系到坝体稳定以及工程量的大小。坝坡坡率的选择一般遵循以下原则：（1）上游坝坡长期处于饱和状态，加之水库水位有可能快速下降，使坝坡稳定处于不利地位，故其坡率应比下游坝坡为缓，但堆石料上、下游坝坡坡率的差别可比砂土料为小。39 （2）土质防渗体斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性的控制，所以斜墙坝的上游坝坡一般较心墙坝为缓。而心墙坝，特别是厚心墙坝的下游坝坡，因其稳定性受心墙土料特性的影响，一般较斜墙坝为缓。（3）粘性土料的稳定坝坡为一曲面，上部坡陡，下部坡缓，所以用粘性土料作成的坝坡，常沿高度分成数段，每段10～30m，从上而下逐段放缓，相邻坡率差值取0.25或0.5。砂土和堆石的稳定坝坡为一平面，可采用均一坡率。由于地震加速度分布在坝顶处明显放大，坝顶附近震害较严重。故在高烈度地震区可采用上缓下陡的坝坡，并在坝顶附近对坝坡进行局部加固。（4）由粉土、砂、轻壤土修建的均质坝，透水性较大，为了保持渗流稳定，一般要求适当放缓下游坝坡。（5）当坝基或坝体土料沿坝轴线分布不一致时，应分段采用不同坡率，在各段间设过渡区，使坝坡缓慢变化。土石坝的坝坡初选一般参照已有工程的实践经验拟定。中、低高度的均质坝，其平均坡率约为1：3。土质防渗体的心墙坝，当下游坝壳采用堆石时，常用坡率为1：1.5～1：2.5，采用土料时，常用1：2.0～1：3.0；上游坝壳采用堆石时，常用1：1.7～1：2.7，采用土料时，常用1：2.5～1：3.5。斜墙坝下游坝坡的坡率可参照上述数值选用，取值宜偏陡；上游坝坡则可适当放缓，石质坝坡放缓0.2，土质坝坡放缓0.5。心墙和斜墙的尺寸可参照本章第七节选定。39 人工材料面板坝，采用优质石料分层碾压时，上游坝坡坡度一般采用1：1.4～1：1.7，按施工要求，沥青混凝土面板坝上游坡不宜陡于1：1.7；良好堆石的下游坝坡可为1：1.3～1：1.4，如为卵砾石，可放缓至1：1.5～1：1.6，坝高超过110m时，也宜适当放缓。人工材料心墙坝，可参照上述数值选用，并且上下游可采用同一坡率。当坝基抗剪强度较低，预计坝体难以满足深层抗滑稳定要求时，可采用在坝坡脚处压戗的方法提高其稳定性。从坝工发展情况看，土质防渗体分区坝和均质坝，上游坝坡除观测需要外，已趋向于不设马道或少设马道，非土质防渗材料面板坝则上游坡不设马道。根据施工交通需要，下游坝坡可设置斜马道，其坡度、宽度，转弯半径、弯道加宽和超高等要满足施工车辆的行驶要求。斜马道之间的实际坝坡可局部变陡，但平均坝坡不应陡于设计坝坡。马道宽度按用途确定，一般不小于1.5m。原则重点讲解。1839 第三章??土石坝?第32讲讲授第三节土石坝的渗流分析（上）第32讲第三节??土石坝的渗流分析?渗流分析的内容包括：①确定坝体内浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体及坝基内的让学生明白渗流分析在等势线分布图或流网图；②确定渗流的主要参数——渗流流速与比降；③确定渗流量。渗流分析的目的在于：①对初选坝的型式与尺寸进行检验，确定对坝坡稳定有重要影响的土石坝设计渗流作用力，为核算坝坡稳定提供依据。②进行坝体防渗布置与土料配置，根据坝体内部的渗中重要性。流参数与渗流逸出比降，检验土体的渗流稳定性，防止发生管涌和流土，在此基础上确定坝体及坝基中防渗体的尺寸和排水设施的容量和尺寸。③确定通过坝和河岸的渗流水量损失并设计排水系统的容量。39 在坝与水库失事事故的统计中约有1/4是由于渗流问题引起的，这表明深入研究渗流问题和设计有效的控制渗流措施是十分重要的。一、土石坝中的渗流特性?结合水力学坝体和河岸中的渗流均为无压渗流，有浸润面存在，大多数情况下可看作为稳定渗流。但中的渗流定水库水位急降时则产生不稳定渗流，需要考虑渗流浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。律，区别的土石坝中渗流流速υ和比降J的关系一般符合如下的规律讲υ=kJ1/β（5–2）式中k—渗流系数，量纲与流速相同；β—参量，β＝1～1.1时为层流，β＝2时为紊流，β＝1.1～1.85时为过渡流态。υ注意，这里指的是化引至全断面的流速，实际土体孔隙中的流速较此为高。在渗流分析中，一般假定渗流流速和比降的关系符合达西定律，β＝1。细粒土，如：粘土、砂等，基本满足这一条件。粗粒土，如：砂砾石、砾卵石等只有部分能满足这一条件，当其渗透系数k达到1～10m/d时，β＝1.05～1.72，这时按达西定律计算的结果和实际会有一定出入。39 堆石体中的渗流，坝基和河岸中裂隙岩体中的渗流，各自遵循不同的规律，均需作专门的研究。渗流系数通常都在一定范围内变化。工程上实际应用时，为安全计，计算渗流量时采用土层渗流系数的大值平均值，计算水位降落时的浸润线则采用小值平均值。土石坝施工时，坝体分层碾压，天然坝基也多由分层沉积形成，因此，渗流计算时，应考虑坝体和坝基渗流系数的各向异性影响。此外，粘性土由于团粒结构的变化以及化学管涌等因素的影响，渗流系数还可能随时间而变化。一般说来，土体中的渗流取决于孔隙大小的变化，从而取决于土石坝中的应力和变形状态，对高坝而言，渗流分析和应力分析是有耦联影响的。对于宽广河谷中的土石坝，一般采用二维渗流分析就可满足要求。对狭窄河谷中的高坝和简单讲岸边的绕坝渗流则需进行三维渗流分析。二、渗流分析的基本方程?根据达西定律和连续条件39 11（5–3）?υx?υy=0+?y?x（5–4）可得二维渗流方程??H??H(kx)+(ky)=0?x?x?y?y（5–5）υ式中υx、y——x向和y向的渗流速度；坐标转换稍kx、ky——x向和y向的渗流系数，计算时，对于同一种土质通常假设kx和ky不随坐标难。而变化；H——渗流场中某一点的渗压水头，m。羊足碾碾压的土层，kx和ky的比值在2～10范围内变化，平均为4左右；气胎碾碾压时，kx和ky的比值达到20～30，甚至更大。为了简化计算，可将各向异性渗流场近似地化为均匀渗流场进行分析。这时，将式（5–5）进行坐标变换结合工程实ky例讲。X=x；Y=ykxky（5–6）则在变换后的坐标系XY中22?H?H+=0?X2?Y2（5–7）此时，H符合拉普拉斯方程，计算可在一定程度上得到简化。在变换后的坐标系中，渗流k=kxky，渗流流速仍如式（5–3）所示，但需将kx和ky代之以k。最后再将XY坐标系数系中的计算结果按式（5–6）转换回xy坐标系。三、渗流分析的水力学方法和流网法?需重点讲（一）水力学方法υx=?kx?H?H;υy=?ky?x?y水力学方法可用来近似确定浸润线的位置，计算渗流流量、平均流速和比降。水力学方法采用的基本假定是39 （1）渗流为缓变流动，等势线和流线均缓慢变化。渗流区可用矩形断面的渗流场模拟[图5–4（a）]，从而，渗流量q和渗流水深Hx的计算公式可表示为解，要讲解公式来源。2H12?H2q=k2L（5–8）22Hx=H2+(H12?H2)x/L（5–9）式中H1、H2——分别为上、下游水深；L——渗流区长度；x——计算点至下游面的距离。（2）渗流系数相差在10倍以内的竖向条带土层或是水平条带土层均可以用一等效的均质土层代替。代替土层的厚度dl或宽度dh按所通过的渗流量不变的原则予以确定。k1k1dl=d1+d2+d3+???k2k3（5–10）12dh=d1+（5–11）式中d1为所选的代表性土层厚度；其它符号的意义见图5–4（b）、（c），代替土层的渗流系数等于第一层土的渗流系数。（3）上游三角形棱体可以用一等效的矩形体代替，当坝体和坝基渗流系数相同时，可以足够精确地认为等效矩形的宽度b=0.4H1。当上游坝坡较陡时（m1似取为通过下游水位与排水内坡面的交点。由于沿坝轴线地形和坝基土质条件的变化，一般需分段计算。39 应用以上原则不难进行各种地基上均质坝的渗流分析。图5–6中所示的斜墙坝，斜墙后的渗流也可看作是缓变流动，其下游出口水深可假设为H2。斜墙后的水深H，可按通过斜墙的渗流量等于通过坝体的渗流量这一连续条件加以确定。图5–6斜墙坝和心墙坝的渗流计算图形通过斜墙的渗流包括两部分：水深小于H的斜墙下部，作用的水头为常值H1–H,斜墙的厚度为公式复杂，让学生明白原理。t=t1?(t1?t2)x/(L1+L2)通过该段的渗流量为q1=k1∫L10H1?Hdxt1?(t1?t2)x/(L1+L2)cosθ2）水深大于H的斜墙上部，渗流在重力作用下自由降落，作用在斜墙上的水头为上游水面与斜墙底面高度之差H1?y，通过该段的渗流量为应用以下几何关系q2=k1∫L1+L2L1H1?ydxt1?(t1?t2)x/(L1+L2)cosθy=x/m；L1+L2≈mH1；L1=mH；L2≈m(H1?H)将q1和q2两式积分并求和，即可得到通过斜墙的渗流量为式中m——斜墙背水坡坡率；k1——斜墙土料的渗流系数。通过坝体内的渗流量为2H2?H2q=k22(L?mH)k1m[H1(1+a1)?H(2+a1)+a2]cosθ(t1?t2)（5–15）Htt1H1tH+H(t1?t2)a1=H1lna2=12ln21t1H1?H(t1?t2)，t1?t2t1H1?H(t1?t2)q=（5–16）式中k2——坝壳土料的渗流系数。联立求解式（5–15）、（5–16）即可确定H和q。已知斜墙后水深H和出口水深H2，浸润线可参考式（5–9）得出。1439 心墙坝也可仿此进行计算（图5–6）。令心墙上、下部的平均厚度为tc，则通过心墙的渗流量为通过心墙下游坝壳的渗流量为2k2H2?H2q=2Lk1H12?H2q=2tc()（5–17）()（5–18）式中k1和k2分别代表心墙土料和坝壳土料的渗流系数。同样，联立求解式（5–17）和（5–18），即可求得渗流量q和心墙下游浸润线高度H，其浸润线方程亦可仿照式（5–9）得出。对复杂地基可参照上述方法换算简化为单一土层。在应用水力学方法时要注意它的适用条件，例如：给出的断面平均流速和比降一般只有在远离排水处才比较适用。15百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网92to.com,您的在线图书馆百度搜索“就爱阅读”,专业资料、生活学习,尽在就爱阅读网92to.com,您的在线图书馆!39'