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1、章水工建筑物 土石坝布置 设计基本要求及安全标准 土石坝筑坝材料选择与填筑标准 土石坝断面设计 土石坝坝体排水及构造设计 土石坝渗流及坝坡稳定计算 土石坝基础处理原则和主要方法 考 试 大 纲 第一节一节 土石坝 第一节第一节 土石土石坝 一 土石坝筑坝材料选择与填筑标准 一 土石坝的筑坝材料选择 1 筑坝土石料选择应遵循的原则 1 具有或经过加工处理后具有与其使用目的相适 应的工程性质 并具有长期稳定性 2 就地 就近取材 减少弃料 少占或不占农田 并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用 3 便于开采 运输和压实 2 土石坝各种筑坝材料的选择标准 1 防渗土料 渗透系数 均质坝不大于 1 10 4
2、cm s 心墙和斜墙不大于1 10 5cm s 水溶盐含量含量不大于3 有机质含量 均质坝不大于5 心墙和斜 墙不大于2 超过此规定需进行论证 有较好的塑性和渗透稳定性 浸水与失水时体积变化小 2 坝壳料 应具有比较高的强度 要求具有良好的排水性能 砂 砾石 卵石 漂石 碎石等无粘性土料以 及料场开采的石料和开挖的石渣料 均可用作 坝壳材料 但应根据其性质配置于坝壳的不同 部位 均匀中 细砂及粉砂可用于中 低坝壳 的干燥区 但地震区不宜采用 3 反滤料 过渡层及排水体材料 反滤料 过渡层料及排水体材料应符合下列要求 质地致密 抗水性和抗风化性能满足工程运用条 件的要求 具有要求的级配 具有要求
3、的透水性 反滤料和排水体料中粒径小于0 075mm的颗粒含 量应不超过5 二 土石坝各种筑坝材料的填筑标准 坝的级别 高度 坝型和坝的不同部位 土石料的压实特性和采用的压实机具 坝料的填筑干密度和含水率与力学性质的关系 以及设计对 土石料力学性质的要求 土料的天然干密度 天然含水率 以及土料进行干燥或湿润 处理的程度 当地气候条件对施工的影响 设计地震烈度及其他动荷载作用 坝基土的强度和压缩性 不同填筑标准对造价和施工难易程度的影响 1 含砾和不含砾的粘性土的填筑标准应以压实度和最优含 水率作为设计控制指标 1 2级坝和高坝的压实度应为 98 100 3级中 低坝及3级以下的中坝压实度应为96
4、 98 2 砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标 砂砾石的相对密度不应低于0 75 砂的相对密度不应低于 0 70 对于地震区 无粘性土压实要求 在浸润线以上的坝 壳料相对密度不低于0 75 浸润线以下的坝壳料的相对密度 根据设计烈度大小选用0 75 0 85 3 堆石的填筑标准宜用孔隙率作为设计控制指标 4 粘性土的施工填筑含水率应根据土料性质 填筑部位 气候条件和施工机械等情况 控制在最优含水率 2 3 偏差范围以内 三 面板堆石坝各种筑坝材料的选择标准 1 主堆石区宜采用硬岩堆石料或砂砾料填筑 枢纽建筑物开挖石料符合 主堆石区或下游堆石区质量要求者 也可分别用于主堆石区或下游堆
5、石 区 2 下游堆石区在坝体底部下游水位以下部分 应采用能自由排水的 抗 风化能力较强的石料填筑 下游水位以上部分 可以使用与主堆石区相 同的材料 3 过渡区细石料要求级配连续 最大粒径不宜超过300mm 压实后应具 有低压缩性和高抗剪强度 并具有自由排水性能 4 高坝垫层料应具有连续级配 最大粒径为80 100mm 粒径小于5mm 的颗粒含量宜为30 50 小于0 075mm的颗粒含量宜少于8 压 实后应具有内部渗透稳定性 低压缩性 高抗剪强度 并应具有良好的 施工特性 5 混凝土面板上游铺盖区材料宜采用粉土 粉细砂 粉煤灰或其他材料 上游盖重区可以采用渣料 6 下游护坡可采用干砌块石 或由
6、堆石体内选取超径大石 运至下游坡 面 以大头向外的方式码放 7 坝体内如设置竖向和水平向排水体时 应选用耐风化的岩石或砾石 并具有良好的排水能力 三 面板堆石坝各种筑坝材料填筑标准 表6 1 堆石坝料填筑标准 料物或分区孔隙率 相对密度 垫层料15 20 过渡层细堆石料18 22 主堆石区堆石料20 25 下游区堆石料23 28 砂砾石料0 75 0 85 二 碾压土石坝碾压土石坝坝体结构设计 一 坝体材料分区 坝体材料分区设计应根据就地取材和挖填平衡 原则 经技术经济比较确定 均质碾压土石坝分 为坝体 排水体 反滤层和护坡等区 土质防渗 体分区宜分为防渗体 反滤层 过渡层 坝壳 排水体和护坡
7、等区 面板堆石坝从上游向下游宜 分为垫层区 过渡区 主堆石区 下游堆石区 在周边缝下游侧设置特殊垫层区 100m以上高坝 宜在面板上游面低部位设置上游铺盖区及盖重 区 二 坝体坝坡的选择 1 碾压土石坝坝体坝坡的选择 坝坡应根据坝型 坝高 坝的等级 坝体和坝 基材料的性质 坝所承受的荷载以及施工和运 用条件等因素 参照已建坝的经验 先初拟坝 坡 最终应经稳定计算确定 中 低高度的均 质坝 其平均坡度约为1 3 土质防渗体的心 墙坝 当下游坝壳采用堆石时 常用坝坡为1 1 5 1 1 25 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
8、 2 5 1 3 5 斜墙坝的下游坝坡坡度可参照上述数值选用 取值宜偏陡 上游坝坡则可适当放缓 1 面板堆石坝坝体坝坡的选择 当筑坝材料为硬岩堆石料时 上 下游坝坡可采用1 1 3 1 1 4 软岩堆石体的坝坡宜适当放缓 当用质 量良好的天然砂砾石料筑坝时 上 下游坝坡可采用1 1 5 1 1 6 下游坝坡上设有道路时 道路之间的 实际坝坡可以比上述规定的坝坡值略陡 但平均坝坡 应满足上述要求 高坝的下游坝坡可用干砌石 大块 石堆砌或摆石砌护 并使坝体具有良好的外观 施工 期垫层区的上游坝坡应及时作好固坡处理 可视具体 情况选用碾压砂浆 喷乳化沥青 喷混凝土或砂浆等 固坡措施 三 坝体防渗体的
9、选择 在土石坝中 土质防渗体是应用最为广泛的防渗结构 所谓防渗体 是指这部分土体比坝壳其他部分更不 透水 它的作用是控制坝体内浸润线的位置 并保持 渗流稳定 土质防渗体断面尺寸应根据下列因素研究 确定 防渗土料的质量 如允许渗透比降 塑性 抗裂性 能等 防渗土料的数量和施工难易程度 防渗体下面坝基的性质及处理措施 防渗土料与坝壳材料单价比值 设计地震烈度为8度 9度地区适当加厚 图6 1 土石坝的土质防渗体典型剖面 a 心墙坝 b 斜墙坝 1 心墙 2 斜墙 3 过渡层 4 砂砾料 5 任意料 6 河床砂砾料 土质防渗体断面应满足渗透比降 下游浸润 线和渗透流量的要求 土质防渗体顶部在正常蓄水
10、位或设计洪水位 以上的超高 应按表6 2的规定取值 表6 2 正常运用情况下防渗体顶部超高 m 防渗体结构 形式 超高 防渗体结构 形式 超高 斜墙0 80 0 60心墙0 60 0 30 四 反滤层与过渡层设计 1 反滤层的作用是滤土排水 防止土工建筑物在渗流逸出处 遭受管涌 流土等渗流变形的破坏以及不同土层界面处的 接触冲刷 2 过渡层的作用是避免在刚度相差较大的两种土料之间产生 急剧变化的变形和应力 3 坝的反滤层必须符合下列要求 使被保护的土不发生渗透变形 渗透性大于被保护土 能通畅地排出渗透水流 不致被细粒土淤塞失效 三 碾压土石坝坝体排水及构造设计 土石坝应设置坝体排水 降低浸润线
11、和孔隙压力 改变 渗流方向 防止渗流出逸处产生渗透变形 保护坝坡土 不产生冻胀破坏 坝体排水设备必须满足以下要求 能自由地向坝外排出全部渗水 应按反滤要求设计 便于观测和检修 坝体排水一般有三种常用形式 1 棱体排水 又称滤水坝趾 棱体排水设备适用于下 游有水的情况 其顶部高程应超出下游最高水位 2 贴坡式排水 又称表面排水 3 坝内排水 坝内排水又分为竖式排水和水平排水 四 碾压土石坝渗流及坝坡稳定计算 一 渗流计算 1 渗流计算的目的与内容 渗流计算是为了确定经济可靠的坝型 合理的 结构尺寸以及适宜的防渗排水设施 渗流计算的内容 确定坝体浸润线及其下游出逸点的位置 绘制 坝体及坝基内的等势
12、线分布图或流网图 确定坝体与坝基渗流量 确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降 以及不同土层之间的渗透比降 确定库水位降落时上游坝坡的浸润线位置或孔 隙压力 确定坝肩的等势线 渗流量和渗透比降 2 渗流计算水位组合 上游正常水位与下游相应的最低水位 上游设计洪水位与下游相应的水位 上游校核洪水位与下游的相应水位 库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况 3 渗流计算的基本假定 土体中渗流流速不大且处于层流状态 渗流服 从达两定律 即平均流速v等于渗透系数与渗透 比降i的乘积 v ki 渗流流量满足连续方程 任一过流段进口断面 流量等于出口断面流量 4 渗流计算的方法 渗流计算通常有公式计算 数值解
13、法 绘制流网和模拟 试验等 现已编制了二维 三维稳定或不稳定渗流计算 的程序 适用于均质或非均质的各种复杂边界条件的渗 流计算 对1级 2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗 流场的各种渗流因素 其他情况可用公式计算 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或坝肩绕流影响坝体渗 流较大者 应用三维渗流计算 对复杂的地质情况 为 验算数值计算成果 用模拟试验进行核对 是必要的 坝体分层碾压 天然土层的分层沉积 都可使坝体坝基 土层有各向异性 因此在渗流计算中要考虑渗透系数的 各向异性 采用渗透系数 为安全计 计算渗透流量时 用大值平均值 计算水位降落浸润线时用其
14、小值平均值 5 绘制流网 流网主要遵循达西定律及拉普拉斯方程式 它 是由流线和等势线所组成的网格状图形 两者 相互正交 相邻等势线与流线网格的边长比为1 即每个网格绘制成正方形 流线代表水质点 流动轨迹线 等势线表示势能的等值线 在同 一根等势线上各点的测压管水面是齐平的 相 邻等势线间的水头损失相等 各流线间通过的 流量相等 在同一土层内 流线 等势线应是 连续光滑的曲线 若渗流穿越两层土交界 其 渗透系数分别为k1 k2 而在每层土内为各向 同性 则渗流在两土层交界面将产生折射 如 图5 2 6 渗透稳定计算 渗透稳定计算的任务是判明土的渗透变形 渗透变形可分为流土 管涌 接触冲刷或接触
15、流失等 坝体 坝基渗透出逸比降应小于材料的允许渗 透比降 否则应采取防渗 坝体排水 铺设反 滤或盖重等工程措施 确保工程渗透稳定安全 粘性土及无粘性土的允许渗透比降的确定方法 参照 水利水电工程地质勘察规范 GB50287 99 附录M的规定 二 坝坡稳定计算 1 计算工况 土石坝在施工 建设 蓄水和库水位降落的各 个时期不同荷载下 应分别计算其稳定性 控 制稳定的有施工期 包括竣工时 稳定渗流 期 水库水位降落期和正常运用遇地震四种工 况 施工期的上 下游坝坡 稳定渗流期的上 下游坝坡 水库水位降落期的上游坝坡 正常运用遇地震的上 下游坝坡 2 计算方法与安全系数 1 如果采用计及条块间作用
16、力的计算方法时 坝坡稳定 的抗滑稳定的安全系数 根据坝的级别规定见表6 3 混 凝土面板堆石坝用非线性抗剪强度指标计算坝坡稳定的 安全系数可参照表6 3规定取值 表6 3 坝坡抗滑稳定的最小安全系数 运用条件 工程等级 1234 5 正常运用条件1 501 351 301 25 非常运用条件I1 301 251 201 15 非常运用条件II1 201 151 151 10 2 如果采用不计条块间作用力瑞典圆弧法计 算坝坡抗滑稳定安全系数时 对1级坝正常运用 条件最小安全系数应不小于1 30 其他情况应比 表5 3的规定数值减小8 3 当采用滑楔法进行稳定计算时 若假定滑 楔之间作用力平行于坡面和滑底斜面的平均坡 度 安全系数应符合表5 3的规定 若假定滑楔 之间作用力水平方向 安全系数应符合 2 的 规定 五 土石坝地基处理原则及主要方法 一 坝基处理的一般要求 二 砂砾石坝基的渗流控制 1 砂砾石坝基渗流控制的形式 1 垂直防渗 明挖回填截水槽 防渗墙 灌浆帷幕 上述两种或两种以上形式的组合 2 上游防渗铺盖 3 下游排水设备及盖重 水平排水垫层 反滤排水沟 排水减压井 下游透水盖
