水工建筑物_土石坝_

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1、土 石 坝 (earth and rockfill dam),一 概述 一、 土石坝及其优缺 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”。,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,-5-,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

2、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

3、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,-14-,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）。,小浪底土石坝,小浪底土石坝,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：兼用粘性土与无粘性土的

4、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。,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）。,代表性工程： 均质土坝：松涛水库大坝（海南，8

5、0.1m）、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。,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,大型土石坝,水布垭 面板堆石坝 （2009，233m ）,-23-,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

6、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。,-26-,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。,-27-,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

7、裂缝。,-28-,4）渗流的主要危害 渗漏； 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； 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。,-29-,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。,-30-,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

8、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。,-32-,（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。,-33-,（4）冲刷问题 土颗粒间的凝聚力很小，其抗冲能力很低。当洪水漫过坝顶时，水流必然会携带土粒流失，从而引起坝体局部破坏或整体溃决。 例如，1

9、975年8月，我国淮河上游两座土坝，因溢洪道泄洪能力不足发生洪水漫顶而溃坝。由于波浪的作用，必然导致坡面土料的流失和坍塌，削弱坝体剖面尺寸，对坝体稳定不利。 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。,-34-,（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,二 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

10、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,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

11、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。,41,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 土质心墙 土质斜墙 斜心墙 粘土铺盖,二、坝体防渗设施,42,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；

12、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

13、： 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

14、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13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

15、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1/31/4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,土石坝浆砌石护坡,土石坝混凝土板护坡矩形板,土石坝混凝土板护坡六角形板,土石坝下游卵石或碎石护坡,土石坝下游草皮护坡,土石坝坝顶及防浪墙,土石坝坝顶及防浪墙,