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1、单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版副标题样式 1 1 l水工建筑物课件 l 水利水电工程系教研室 2007年1月 第五章 土石坝 5 1概述 5 2土石坝的基本剖面 5 3土石坝的渗流分析 5 4土石坝的稳定分析 本章的主要内容 5 5土石坝的固结 沉降与应力分析 5 6土石坝的稳定分析 5 7土石坝的构造 5 8土石坝的坝基处理 5 9土石坝与坝基 岸坡及 其他建筑物的连接 5 10土石坝的抗震设计 5 11堆石坝 5 12土石坝的坝型选择 5 1 概述 一 定义及建设情况 1 定义 土石坝指由土 石料等当地材料填筑而成的坝 2 建设情况 中国兴建的坝共8 48万余座 土石坝占95
2、全世界100m以上的高坝 土石坝所占的比例 20世纪50年代前 30 60年代 38 70年代 接近60 80年代后 75 以上 1 历史最悠久 数量最多 塔吉克斯坦 罗贡坝 H 335m 前苏 努列克坝 H 300m 中 石头河 粘土心墙坝 H 114m V 835万m3 已建成 小浪底 壤土斜心墙坝 H 154m V 5184万m3 已建成 天生桥一级 面板堆石坝 H 178m 已建成 水布垭 面板堆石坝 H 233m 在建 清江 苗家坝 H 263m 拟建 白龙江 糯扎渡 心墙堆石坝H 261 5m 拟建 澜沧江 2 世界上H 300m的高坝都是土石坝 2 建设情况 1 就地取材 节省三
3、材 减少运量 降低造价 2 能适应各种不同的地形 地质和气候条件 3 高效施工机械的发展 促进了高土石坝建设的 发展 4 设计 岩土 理论 试验手段和计算技术的发 展 保障了安全性 5 高边坡 地下工程 高速水流消能防冲等的综 合发展 促进了建设和推广 3 广泛应用原因 坝身一般不能溢流 需另设溢洪道 施工导流不如砼坝方便 粘性土料的填筑受气候条件影响 断面大 体积大 工程量大 缺点 二 土石坝的工作条件 1 渗流的影响 渗透水流的表面 浸润面 浸润面与垂直面的交线 浸润线 1 渗流区 土体为饱和状态 c 值降低 受上浮力 和渗透水压力 可能滑动倒塌 受动水压力作用 造成下 游坡滑动 产生渗透
4、变形 冻融情况下对稳定不利 渗漏 造成水量损失 因此 上游坝坡比下游坝坡缓 2 毛细区 由0 3 4m不等 3 自然湿度区 干燥 可能出现裂缝 2 上下游水位对边坡的影响 波浪 冰层能冲刷和破坏坝坡 水位升降对坝坡稳定不利 3 降水与温度的影响 5 孔隙水压力的影响 4 坝基及坝身沉降 降水使坝面土石流失 冬季结冰使土 料膨胀 融化时形成孔穴及裂缝 夏 季炎热坝坡干燥出现裂缝 一般沉陷量为 0 2 0 4 H 1 2m 不均匀沉降要 产生裂缝 均匀沉降影响坝高 当库水位降落时 会产生反向渗流 对上游坝坡不利 因 此 上游坝坡比下游坝坡缓 饱和的中细沙会产生震动液化 6 地震的影响 三 设计的基
5、本要求 1 要有足够的断面 保持坝的稳定 2 设置防渗和排水设施 控制渗流 国内外土石坝的失事 约1 4是由滑坡造成的 施工 期 稳定渗流期 水库水位降落期以及地震作用和 土石料的c 值都将发生变化 应分别核算 在渗流区 土石料承受上浮力 减轻了有效重量 浸水使 c 值减小 渗流力对坝坡稳定不利 渗流逸出时可能引 起管涌 流土等渗流破坏 设置防渗和排水可以控制渗流 范围 减小逸出比降 增加抗滑和抗渗稳定 3 选择坝型 结构型式及土石料的配置 5 不允许洪水漫顶 造成大坝的失事 4 坝基稳定 根据现场土石料的物理力学性质 选择坝体 各部分的压实标准 地震区兴建的土石坝 坝基和坝坡均应有足够的抗液
6、化能力 坝基中存在有可液化土壤时 应予清除或采取加固措施 泄洪建筑物具有足够的泄洪能力 坝顶在洪水位以上要有 足够的安全超高 在库水变化范围内 上游坝面应有坚固的护坡 防止波浪 冲击和淘刷 下游坝坡应能抗御雨水的冲刷破坏作用 保 护坝内粘性土料 防止夏季日晒 冬季冻胀等形成裂缝 6 可靠和耐久 四 土石坝的类型 1 按坝高分 2 按其施工方法分 碾压式土石坝设计规范 SL274 2001 规定 分低 坝 中坝 高坝 坝高算法 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 取大值 碾压式 抛填式 冲填式 水中填土坝 定向爆破土石坝 3 按土料配置和防
7、渗体所用材料分 坝体主要由一种土料组成 同时起防渗和稳定作用 1 均质坝 3 非土质材料防渗体 2 土质防渗体 心墙坝 斜心墙坝 斜墙坝等 以砼 沥青砼或土工膜作成防渗体 当防渗体位于上游面 时称为面板坝 位于坝的中央时为心墙坝 图图5 1 碾压压式土石坝类坝类 型 a 均质坝质坝 b 土质质心墙坝墙坝 c 土质质斜心墙坝墙坝 d 土质质斜墙坝墙坝 e 多种土质质心墙坝墙坝 f 多种土质质斜心墙坝墙坝 g 人工材料心墙坝墙坝 h 人工材料面板坝坝 5 2 土石坝的基本剖面 一 土石坝设计内容 步骤 1 剖面设计包括 坝顶高程 坝顶宽度 坝体坡度以及防渗体和排水设备等 2 设计步骤 坝型比选 拟
8、定坝的各部分尺寸 进行渗透 稳定 沉陷计算 细部构造设计 地基处理设计 计算V 取最优方案 R 坝顶超高计算图 一 坝顶高程 坝顶 静水位 d 坝顶超高 按四种条件计算 取最大值 坝顶 设计 d正常 坝顶 正常 d正常 坝顶 校核 d非常 坝顶 正常 d非常 A地震 设防浪墙时 为对 防浪的要求 正常条件下 坝顶 应高出静水位0 5m 非常条件下 坝顶 静水位 超高d的计算 d R e A 1 式中 R 波浪爬高 m e 风浪壅高 m A 安全加高 m 根据坝的级别采用 坝坝的级级 别别 1234 5 正常运行 1 501 000 700 50 非常运行 a 山 区 丘陵 区 0 700 50
9、0 400 30 非常运行 b 平 原 滨滨海 区 1 000 700 500 30 R和e的计算可按土石坝规范推荐的公式计算 对中 小型 R e可按坝前水库吹程D作近似估计 见下表 对于非常光滑的坝坡面 波浪爬高宜增大50 竣工时的坝顶高程应预留足够的沉降量 根据工程经 验 预留沉降量为1 H 地震涌浪高 A地震 0 5 1 5m 水库库吹程D km 正常波浪爬高R e m 最小波浪爬高 R e m 1 61 20 9 1 61 51 2 4 01 81 5 8 02 41 8 16 03 02 1 二 坝顶宽度 规范规定 高坝b 10 15m 中 低坝b 5 10m 三 坝坡 坝坡与坝型
10、坝高 筑坝材料 坝基性质以及施工方 法有关 一般参照工程实践类比拟定 然后核算 修改确定 在满足 稳定的前提下 尽可能陡以节约工程量 1 上游坝坡比下游缓 上游坝坡长期处于饱和状态 水库 水位也可能快速下降 2 斜墙坝的上游坝坡较心墙坝为缓 土质防渗体斜墙坝上 游坝坡的稳定受斜墙土料特性控制 下游坝坡相反 3 变坡与不变坡 粘性土料的稳定坝坡上部陡 下部缓 每隔10 30m 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 在高烈度地震区可采用上缓下陡的坝坡 4 均质坝放缓下游坝坡 透水性大 为维持渗流稳定 5 坝基和坝体土料沿坝轴线分布不一致时 分段采用
11、不同坡 率 设过渡区 坝坡缓慢变化 原则 中 低均质坝 平均为1 3 土质心墙坝 下游为堆石1 1 5 1 2 5 采用土料1 2 0 1 3 0 上游采用堆石1 1 7 1 2 7 采用土料1 2 5 1 3 5 斜墙坝下游可略陡 上游可略缓 石质放缓0 2 土质放缓0 5 面板堆石坝 上游1 1 4 1 1 7 下游1 1 3 1 1 4 卵 砾石1 1 5 1 1 6 H 110m时 适当放缓 马道 设在变坡处 拦截雨水 防止冲刷坝面 交通 检修 观测 增加稳定 上游除观测需要外 趋向不设马道 下游坝坡 也不设或少设 在坝坡上设置斜马道效果良好 对坝面交通极为 有利 设Z字形上坝公路 避
12、免岸坡开挖道路 宽度按用途确定 b 1 5m 2 坝坡初选 5 3土石坝的渗流分析 一 渗流分析目的 方法 1 目的 检验坝的初选形式与尺寸 确定渗流力以核算坝坡稳定 进行防渗布置与土料配置 根据坝内的渗流参数与逸出坡 降 检验土体的渗流稳定 防止发生管涌和流土 确定坝体 及坝基中防渗体和排水设施 确定Q并设计排水系统 2 内容 确定浸润线及其下游逸出点的位置 绘制等势线图或流网图 确定渗流参数 V J 确定渗流量Q 3 方法 土石坝渗流全断面流速 和比降J的关系符合如下的规律 1 式中 参量 1 1 85 根据达西定律 2 连续条件 3 可得二维渗流方程 4 式中 H 渗流场中某一点的渗压水
13、头 m 1 解析法 理论分析 流体力学法 该法把坝体分为若干段 应用达西定律 近似确定浸润线 计算Q v J 比流体力学 法粗略 但简单易行 精度可满足工程要求 应用较广 水力学法 分段法 2 流网法 图解法P229 用图解法解拉普拉斯方程 复杂剖面和边界条件 用计 算方法求解土石坝浸润线比较困难 且不准确 流网法可求 出渗流区任一点的渗透压力 坡降 流速及渗流量 流网的概念 渗流场 渗流运动的水质点所充满的空间 流 线 水质点运动的轨迹 等势线 渗流场中势能相等的各点连线 流 网 流线与等势线组成的网格 流网的画法 浸润线和不透水地基的表面都是流线 上下游水下边坡都是等势线 下游边坡出逸点至
14、下游水 位既是等势线又是流线 出逸段和浸润线上各点压力均 为大气压力 根据经验初拟浸润线位置及出逸点 然后 将上 下游落差等分 等分的水平线与浸润线的交点即 为等势线与浸润线的交点 由交点绘制与等势线 一端 垂直浸润线 一端垂直于地基表面 然后绘制流线 反 复修正 应用渗流场的渗流要素和电场中电流 要素在数学上 物理上的相似性 U H I 水流 在几何形状和渗流场边界条件相似的模型上实现 该法能解决平面问题 也能解决三维问题 一般主要解 决三维问题 但要一定的设备 费时较长 4 有限元法 流体力学有限元 3 实验法 电比拟法 有限元法可以模拟多种复杂的边界条件和坝体 坝基为 非均质 各向异性等
15、不同的情况 所以在工程设计中逐渐得 到广泛应用 教材以均质坝平面渗流问题为例 阐述有限元 法的基本要点 二 水力学法 一 几个问题的处理 渗流为缓变流动 等势线和流线均缓慢变化 达西定律 假定 任一铅直过水断面内各点渗流坡降J相等 则全断 面的平均流速为 流量 即 1 矩形土体的渗流问题 积分之 1 2 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 等效渗径问题 k相差在10倍以内的若干层可等效为一层 等效原则则 消耗同样样大小的水头头 渗过过相同的流量 当k kT时时 等效矩形的宽宽度b 0 4H1 当上游坝坝坡较较陡时时 m1 2 可取 3 土坝上游三
16、角形棱体可以用一等效的矩形体代替 式中 m1 上游坝坝坡坡率 图5 4 水力学方法计算简图 b 竖向条带土层的代替土层 c 水平条带土层的代替土层 4 当k kT时 逸出高度 可确定为 二 有限深透水地基上土坝的渗流计算 用等效矩形ABHG代替上游楔行体 考虑透水层的 影响 根据理论和实验资料分析得 1 均质坝 则通过坝体的渗透量由 1 式得 则 通过坝基的渗透量 浸润线方程 若下游无水 令t 0 若为为不透水地基 令kT 0 8 9 2 粘土心墙坝 由于k0 k 所以 认为上游楔行体内水位没有降低 即不考虑该段对渗流的影响 这样 可将坝体分为两 段 即心墙和截水槽为一段 墙后坝体和坝基为一段 令心墙上 下部的平均厚度为 墙后水 深为 h 心墙段的单宽渗透量为 由水流连续连续 条件 可以求得墙墙后水深 心墙后的单宽渗透量为 坝体 坝基 10 11 其中 h求出后 带入 10 或 11 式即可求得q 浸润线方程同 9 式 当T 0 即为不透水地基 12 3 粘土斜墙坝 有截水墙墙的斜墙坝计墙坝计 算分为为斜墙墙截水墙墙和墙墙后坝坝体及 地基两部分 分别别用平均厚度 1代替变变厚的斜墙墙和
