水工建筑物_土石坝课件

'土石坝(earthandrockfilldam) 授课内容第一节概述一、土石坝及其优缺点二、土石坝的类型三、土石坝的发展四、土石坝的工作特点与设计原则 授课内容第二节  土石坝的剖面设计和构造一、土石坝剖面的基本尺寸二、坝体防渗设施三、坝体排水设备四、护坡和坝顶构造 授课内容第三节土石坝的筑坝材料一、土石坝筑坝土料设计的任务二、筑坝材料的选择三、土石料填筑标准设计第四节土石坝的渗流分析一、土石坝渗流分析的目的二、土石坝渗流计算的方法三、土石坝抗渗稳定验算四、防止渗透破坏改善渗透稳定性的工程措施 授课内容第五节土石坝的稳定分析和沉陷校核一、土石坝滑坡滑动面的基本类型二、稳定分析方法三、稳定分析的计算情况和安全系数四、抗剪强度指标确定五、提高坝坡抗滑稳定的工程措施六、沉降计算 第一节概述一、土石坝及其优缺点土石坝是土坝与堆石坝的总称。利用坝址附近的土石料填筑而成的挡水建筑物。又称“当地材料坝”。10036235总计1.4489支墩坝4.41592拱坝11.54180重力坝82.729974土石坝%已建坝数量坝型 世界土石坝按国家或地区分类统计图 世界最高的土石坝：罗贡坝(335m，塔吉克斯坦)中国最高的土石坝：小浪底(154m)（中国建成的最高面板堆石坝，清江水布垭，233m）小浪底土石坝 -11-结构特点：散粒体结构，稳定靠土体的抗剪强度来控制；只会出现局部滑动而失稳，不会出现整体滑动失稳或倾覆失稳问题；坡度大，断面大，体积大。 优点：1筑坝材料就地取材，造价低；2适应地基变形能力强；3施工方法灵活，技术简单；4结构简单，工作可靠，维护方便。 缺点：1坝顶不能溢流；2施工导流不如混凝土坝方便；3粘土防渗体施工受气候影响。 二、土石坝的类型按施工方法分：（1）碾压式土石坝－应用最多（2）抛填式堆石坝（3）定向爆破堆石坝（4）水中填土坝广东南水定向爆破堆石坝(81.3m) 按土石料在坝体中的配置及防渗设施位置和材料分：（1）均质坝－绝大部分由一种土料组成（2）分区坝－由不同渗透特性的料区组成 分区坝：心墙坝——把防渗体放在坝体中部，断面比均质坝小。斜墙坝——把防渗体放在靠近上游坝面处，有效降低坝体浸润线，但适应地基变形的能力比心墙坝差。易产生纵向裂缝，抗震性能不如心墙坝。土石混合坝——土石各占相当比例；越靠近防渗体，土料性能越接近防渗体。 土质材料心墙坝人工材料心墙坝 土质材料斜墙坝人工材料斜墙坝 斜心墙坝 -20-岳城土坝以礼河毛家村水电站（云南会泽，以礼河）主坝坝型为粘土心墙土石坝，最大坝高80.5m，坝顶长度467m，主要泄洪方式为隧洞。以礼河土石坝岳城水库（河北磁县，漳河）主坝坝型为均质土坝，最大坝高53m，坝顶长度3570m。主要泄洪方式岸边溢洪道，大坝特点是坝下泄洪洞（涵管）。 各种坝型的优缺点（1）均质坝与分区坝比较●均质坝：施工简单，适合于低坝;●分区坝：兼用粘性土于无粘性土的优点，用于高坝能节省工程量，缩短工期，但构造和施工比均质坝复杂。 （2）心墙坝、斜墙坝、斜心墙坝比较●心墙坝优点：由坝身沉降导致的防渗体裂缝可能性较小，心墙与坝基及两岸防渗结合好。缺点：心墙与坝体需同步施工，相互干扰。●斜墙坝优缺点与心墙坝相反。●斜心墙坝综合心墙坝和斜墙坝的优点，克服心墙坝可能产生的拱效应和斜墙坝对变形敏感，对改善坝体应力状态、避免裂缝有利。 三、土石坝的发展1、概况⑴四千多年以前；⑵19世纪，50m；⑶20世纪50～60年代，大型振动碾出现，高土石坝产生；世界上高度超过300m的土石坝，一座是塔吉克斯坦的努列克坝，高317m，另一座是该国尚未完建的罗贡坝，设计高度335m。 2、我国土石坝的发展⑴我国历史上有文献记载的可追溯到公元前598-591年。⑵建国前用现代技术修建的土坝仅甘肃的鸳鸯池水库大坝一座，50年代几次扩建后坝高37.8m。⑶建国后土石坝建设的三个阶段：1949-1957年1958-1980年1980年以来 1949-1957年以防洪治水为目的，土坝；坝高都在50m以下；坝型为均质土坝或粘性土心墙砂砾石坝；地基的防渗措施——主要是开挖回填粘土截水墙或上游粘土铺盖；施工——基本依靠人力，配合少量轻型机具。 代表性的工程：淮河上游河南省境内的石漫滩、板桥、白沙、薄山、南湾等水库大坝；北方有永定河上的官厅水库，辽宁浑河上的大伙房水库大坝等。唯一的一座堆石坝是狮子滩工程（钢筋混凝土斜墙坝）。 1958-1980年坝高：一般达到80m，个别达到100m；坝型：以均质土坝及粘性土心墙或斜墙砂砾石坝为主；施工：大部分工程仍以人力施工为主；土工试验已有规范。 筑坝技术：碾压式土石坝；还发展了水中填土、水力冲填、定向爆破等型式；堆石坝没有大的发展，修建了一些抛填式堆石坝；定向爆破筑坝技术从1958年开始应用，1960年修建广东南水定向爆破堆石坝。突破性进展：深厚砂砾石地基的防渗处理。 这一时期的代表性工程：均质土坝：松涛水库大坝（海南，80.1m）、岳城水库大坝（河北，53m）等；心墙坝：碧口水电站大坝（甘肃，101.8m），毛家村水电站大坝（云南，82.5m）等；斜墙坝：密云水库白河主坝（北京，66.4m）等；定向爆破坝：南水水电站大坝（广东，80.2m），石砭峪水库大坝（陕西，82.5m）等。 1980年以来在科学试验和设计理论与方法方面已进入国际先进行列；施工：采用重型土石坝施工设备；坝型：碾压式高土石坝中，已逐步形成土质心墙（或斜心墙）堆石坝和混凝土面板堆石坝两种主导坝型； 最具代表性的工程：天生桥一级水电站的混凝土面板堆石坝(178m)黄河小浪底水利枢纽的土质斜心墙堆石坝(154m)天生桥一级小浪底 建成或在建的大型土石坝枢纽名称省份河流坝型最大坝高（m）糯扎渡云南澜沧江心墙堆石坝258瀑布沟四川大渡河心墙堆石坝186（2009）苗家坝甘肃白龙江面板堆石坝111三板溪贵州清水江面板堆石坝185.5（2006）洪家渡贵州六冲河面板堆石坝179.5（2004）水布垭面板堆石坝（2009，233m） -33-四、土石坝的工作特点和设计要求散粒体结构，导致以下问题：（1）稳定问题（2）渗流问题（3）沉降问题（4）冲刷问题（5）冻害、冰害、地震等 （1）稳定问题坝体为散粒结构，抗剪强度低，易滑动。土石坝的失稳一般是坝坡滑动或坝坡连同地基一起滑动的剪切破坏（特有）。设计要求：应保证在施工期和各种可能的工作条件下都是稳定的。 （2）渗流问题散粒体结构，在上下游水位差作用下经坝体和地基向下游渗透，产生渗透压力和渗透变形，严重时会导致坝体失事。 -36-1）浸润面渗透水流穿过坝体，在土体中形成的自由面称浸润面。2）浸润线土石坝横断面和浸润面的交线称浸润线。 -37-3）饱和区、湿区、干区饱和区：土体受上浮力和渗透水压力，在荷载作用下可能滑动倒塌。湿区：毛细水，处于变化中。干区：干燥，可能出现裂缝。 -38-4）渗流的主要危害①渗漏；②减轻土体有效重力，降低摩擦角及凝聚力，渗透动水压力，增加滑坡的可能；③渗透变形：土石坝及地基中的渗流，由于物理和化学作用，土体颗粒流失，导致土壤发生局部破坏，称为渗透变形。5）常见渗透变形的型式管涌、流土；接触流失、接触冲刷等。 -39-管涌：坝体或地基中的土壤细颗粒被渗透水流带走，并逐步形成渗流通道的现象。在缺乏中间粒径的非粘性土中极易发生。流土：渗透坡降足够大时，渗流出逸处的土体被掀动浮起的现象。它主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗流出口处。 -40-接触流失：渗流垂直于渗透系数相差较大的接触面流动时，将渗透系数较小土层中的细颗粒带入渗透系数较大的另一土层。接触冲刷：当渗流沿粗细两种土层的接触面或建筑物与地基的接触面流动时，沿层面带走细颗粒的现象。 设计要求：按“上堵下排”的的原则采取有效防渗、排水措施。 -42-（3）沉降问题土粒间存在孔隙，土体颗粒之间易产生相对位移，在坝体自重和水压力作用下，土石坝会有明显的沉降变形。危害：◎引起挡水高度不足；◎不均匀沉降使坝体开裂，威胁坝安全。设计要求：◎确定坝顶高程时考虑所有可能的沉降；◎可能产生不均匀沉降的结构部位提出措施。 -43-（4）冲刷问题土颗粒间的凝聚力很小，其抗冲能力很低。设计要求：◎坝顶应有足够的超高，不允许漫顶；◎上下游坝面和坝顶需采取保护措施，保证坝体安全。 -44-（5）其他问题◎冰压力◎冬天冻融，夏天干裂◎动物破坏◎地震，粉砂地基的振动液化设计要求：对上下游坝坡和坝顶采取有效防护措施，设计出良好的护坡及坝顶结构；控制粉砂密实度，防止液化。 206座土石坝事故原因分析破坏原因占总溃坝的比例洪水漫顶30%渗透破坏38%滑坡15%护坡5%其它7%原因不明5% 第二节  土石坝的剖面设计和构造一、土石坝剖面的基本尺寸二、坝体防渗设施三、坝体排水设备四、护坡和坝顶构造 一、土石坝剖面的基本尺寸基本剖面：——是梯形，应满足挡水、边坡稳定和防渗要求。主要构造：——包括：坝身、防渗体、排水设施、护坡。基本尺寸：——坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝面坡度、防渗和排水设施的轮廓尺寸。 坝顶高程在静水位以上应有足够的超高，超高值按下式计算：1、坝顶高程R——波浪爬高；e——风雍高度；A——安全加高 坝顶高程计算时应注意：①《碾压式土石坝设计规范》中规定波浪爬高R按不规则波法进行计算：计算出平均爬高Rm后，再根据爬高统计分布与平均爬高之间的关系进行换算：设计爬高按工程等级确定——对I、II、III级土石坝，取累积频率为1%的爬高值，对IV、V级土石坝，取累积频率为5%的爬高值。 ②为最大风雍高度，可按下式计算：vf——风速；D——库面吹程；H——库前水深；α——风向与坝轴线法向方向夹角。 ③安全超高A按坝的级别和运用情况根据下表确定（单位：m）坝的级别1234、5正常（设计、正常蓄水位）1.51.00.70.5校核山区、丘陵区0.70.50.40.3平原滨海区1.00.70.50.3地震区土石坝的安全加高还应增加地震涌浪高度，可根据设计烈度和坝前水深，取0.5-1.5m。 ④确定坝顶高程时还应注意：坝顶高程要分别按正常情况和校核情况进行计算，并选择其较大值。（正常蓄水位+正常安全超高A）（设计洪水位+正常安全超高A）（校核洪水位+非常安全超高A）（地震时正常蓄水位+非常安全超高A+涌浪超高）max坝顶高程= 坝顶超高很大时，可设置L型挡墙，以减少工程量；无论是否设L型挡墙，坝顶高程在正常运用条件下都应高出静水位0.5m，并且不得低于非常运用条件下的静水位。计算的坝顶高程是指包括坝基和坝身沉降稳定后的坝顶高程； 54竣工时应有足够的预留沉降值；坝顶预留沉降超高，根据以往工程的经验，一般施工良好的坝可取坝高的0.2%～0.4%；土质防渗体坝一般可取为坝高的1%。 2、坝顶宽度根据坝高、构造施工、交通和防汛抢险要求确定。如无特殊要求，中低坝顶宽可为5-10m，高坝可为10-15m。满足心墙或斜墙顶部及反滤层布置厚度要求。3、坝坡——影响坝坡的主要因素：坝型、坝高、筑坝材料的性质、地质条件及地震等。 坝型——心墙坝上游坡一般比同等条件下的斜墙坝陡，下游坡则相反。坝高——坝高超过10-30m时，可从上到下分级放缓，变坡处设马道。每隔15-20m变坡一次。地质条件——地质条件较差时，坡度应缓些。当上、下游坡为同一种土料时，上游坡应比下游坡缓。 57土石坝坝体防渗设施根据材料可分为：1、人工材料防渗体：沥青砼，钢筋砼2、土质防渗体⑴土质心墙⑵土质斜墙⑶斜心墙⑷粘土铺盖二、坝体防渗设施 58 ⑴土质心墙：位置：位于坝体中央或稍偏上游；材料：透水性很小的粘土或壤土；厚度：自上而下逐渐加厚，底部厚度不宜小于水头的1/4，顶部的水平宽度不宜小于3m；高程：顶部在静水位以上的超高，在正常运用情况下不小于0.3-0.6m，非常运用情况下不得低于非常运用的静水位；预留竣工后沉降超高。坡度：1：0.15-1:0.3 土质心墙施工时应注意：顶部应设砂性土保护层，防冰冻；施工时心墙的上升高度一般略高于坝壳，在铺筑时，心墙上下游应留有余量，待两侧削坡后再填筑过渡层及坝体；心墙与上下游坝体之间应设过渡层起过渡、反滤及排水作用。 (2)土质斜墙：位置：位于坝体上游面；材料：厚度：指垂直于斜墙上游面的厚度；高程：顶部在静水位以上的超高，在正常运用情况下不小于0.6-0.8m，非常运用情况下不得低于非常运用的静水位；预留竣工后沉降超高。坡度：外坡根据稳定计算决定，内坡视坝体材料及施工情况决定，若坝体为砂砾石，内坡一般不陡于1：2 土质斜墙施工时应注意：上游应设保护层，防冰冻，应分层碾压；施工时坝体施工不受斜墙限制，可先行施工；斜墙与下游坝体之间应按反滤要求设置垫层。 (3)斜心墙：位置：心墙略向上游倾斜；材料：（同上）厚度：（同上）坡度：斜心墙向上游倾斜的坡度为0.25-0.75时较好。 (4)粘土铺盖：位置：与斜墙相连；材料：透水性很小的粘土或壤土；厚度：由构造及施工要求决定；长度：一般为水头的4-6倍。 1、主要作用：降低浸润线和孔隙压力，改变渗流方向，有利于下游坝坡稳定并防止渗透变形，保护坝坡。2、影响因素：坝型、地基条件、下游水位、气候、材料及施工条件。3、组成：由砾石、块石或排水管做成的排水体和由数层粒径沿渗流方向逐渐增大的砂砾料做成的反滤层两部分组成。三、坝体排水设备 常见形式：贴坡排水棱体排水褥垫排水混合排水 贴坡排水又称表层排水。设置在下游坝坡底部，由1～3层堆石或砌石构成，在石块与坝坡之间应设反滤层。特点：形式简单，省料且易检修，可防止渗透破坏。因未伸入坝体，不能降低浸润线，且防冻性较差。适用：中小型且下游无水的均质坝及防渗体浸润线较低的中等高度的土坝。 棱体排水在下游坝脚处用块石堆成棱体，需设反滤层。特点：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷且有支持坝体增加其稳定的作用，是一种可靠的排水型式，但石料用量大，费用高，检修困难。适用：较高的土坝及石料较多的地区。 褥垫排水用块石、砾石平铺在靠下游侧的坝基上，并在其周围布置反滤层而构成的水平排水体，伸入坝体长度1/3～1/4坝底宽。特点：下游无水时，能有效降低浸润线，有助于坝基排水，但对不均匀沉降的适应性较差，当下游水位高于排水设备时，降低浸润线的效果明显降低，我国应用较少。适用:下游无水或水位较低的情况. 混合排水将上述几种排水综合使用。 反滤层:设在渗透坡降较大,流速较高,土壤易于变形的渗流出口处或进入排水处.作用:防止土体在渗流作用下发生渗透变形.组成:二至三层粒径不同的砂、石料铺筑而成，层面与渗流方向尽量垂直，小粒径—>大粒径。 四、护坡和坝顶构造上游坝坡防止受波浪淘刷、渗流、冰冻等破坏作用；上游护坡：砌石护坡、堆石护坡、沥青砼护坡等；下游坝坡防止雨水、风、动物、根部发达的植物以及干裂等破坏。下游护坡：碎石或砾石护坡，还可采用草皮护坡。坝顶构造：交通、排水、防浪墙'