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1、教 学 内 容板书或旁注第四章 土石坝4-1土石坝的特点和类型一、土石坝的特点和设计要求分析土石坝的四大问题（1）稳定方面。土石坝不会产生水平整体滑动。土石坝失稳的形式，主要是坝坡的滑动或坝坡连同部分坝基一起滑动。（2）渗流方面。土石坝挡水后，在坝体内形成由上游向下游的渗流。渗流不仅使水库损失水量,还易引起管涌、流土等渗透变形。坝体内渗流的水面线叫做浸润线。浸润线以下的土料承受着渗透动水压力，并使土的内磨擦角和粘结力减小，对坝坡稳定不利。（3）冲刷方面。土石坝为散粒体结构，抗冲能力很低；l 工程措施：在土石坝上下游坝坡设置护坡，坝顶及下游坝面布置排水措施，以免风浪、雨水及气温变化带来有害影响；
2、坝顶在最高库水位以上要留一定的超高，以防止洪水漫过坝顶造成事故；布置泄水建筑物时，注意进出口离坝坡要有一定距离，以免泄水时对坝坡产生淘刷。（4）沉陷方面。由于土石料存在较大的孔隙，且易产生相对的移动，在自重及水压力作用下，会有较大的沉陷。为防止坝顶低于设计高程和产生裂缝，施工时应严格控制碾压标准并预留沉陷量，使竣工时坝顶高程高于设计高程。可按坝高的（12）预留沉陷值。二、土石坝的类型（一）按坝高分类土石坝按坝高可分为：高度在30m以下的为低坝，高度在3070m之间的为中坝，高度超过70m的为高坝。土石坝的坝高均从清基后的地面算起。（二）按施工方法分类（1）碾压式土石坝。（2）水力冲填坝。（3）
3、水坠坝。（4）水中填土坝或水中倒土坝。（5）土中灌水坝。（6）定向爆破堆石坝。（三）按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类1土坝（1）均质坝： （2）粘土心墙坝和粘土斜墙坝： （3）人工材料心墙和斜墙坝： （4）多种土质坝：2土石混合坝上述多种土质坝中，粗粒土改用砂砾石料筑成的坝，或用土石混合在一起的材料筑成的坝，称为土石混合坝。3堆石坝除防渗体外，坝体的绝大部分或全部由石料堆筑起来的称为堆石坝教 学 内 容板书或旁注4-2土石坝的剖面与构造一、坝顶高程l 坝顶高程根据正常运用和非常运用的静水位加相应的超高Y予以确定。l 计算情况： 设计洪水位+正常运用情况的坝顶超高； 校核洪水位+非常运用情
4、况的坝顶超高； 最大值为坝顶高程 正常高水位+非常运用情况的坝顶超高+地震安全加高l 坝顶设防浪墙时，超高值Y是指静水位与墙顶的高差。l 计算的坝顶高程是指坝体沉降稳定后的数值。l Y按下式计算。 Y=R+e+A (4-2)式中R波浪在坝坡上的最大爬高，m; e最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值，m; Hm坝前水域平均水深，m; K综合摩阻系数，其值变化在（1.55.0）之间，计算时一般取K=3.6; 风向与水域中线（或坝轴线的法线）的夹角，度；v0、D计算风速和风区长度，见第二章； A安全加高，m;根据坝的等级和运用情况，按表4-1确定。l 波浪爬高:波浪沿建筑物坡面爬升的
5、垂直高度（由风壅水面算起）称为波浪爬高，波浪爬高R的计算，土石坝设计规范推荐采用蒲田试验站公式，其具体计算方法如下：（1）计算波浪的平均爬高：当坝坡系数m=1.55.0时，平均爬高计算公式： 式中 斜坡的糙率渗透性系数经验系数，由计算风速v0(m/s)、水域平均水深（m）和重力加速度g组成的无维量 ；m单坡的坡度系数，若单坡坡角为，则m=ctg；、平均波高和波长，m;薄田试验站的波高和波长计算：1）平均波高hm用式计算：2）平均波长Lm由平均周期Tm和平均水深Hm按下述理论公式计算：平均周期Tm=4.438 当 0.5时，称为深水波，其波长与周期有关： 当0.5时，称为浅水波，其波长与周期和水
6、深有关： （2）计算设计爬高值R：不同累计频率的爬高与的比，可根据爬高统计分布表确定。当风向与坝轴的法线成一夹角时，波浪爬高应乘以折减系数,其值由表确定。二、坝顶宽度坝顶宽度应根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究后确定。坝顶宽度应按照交通规定选定。当无特殊要求时，高坝的坝顶最小宽度可选用1015m，中低坝可选用510m。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。三、坝坡（1）上游坝坡常比下游坝坡为缓，但堆石坝上、下游坝坡坡率的差别要比砂土料为小。（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，斜墙的
7、上游坝坡一较心墙坝为缓。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，所以用粘性土料做成的坝坡，常沿高度分成数段，每段1030m ,从上而下逐渐放缓，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。由于地震荷载一般沿坝高呈非均匀分布，所以，砂土和石料有时也做成变坡形式。（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。土石坝坝坡确
8、定的步骤是：根据经验用类比法初步拟定，再经过核算、修改以及技术经济比较后确定。马道的形式及布置要求。 教 学 内 容板书或旁注4-3土石坝的渗流分析一、渗流分析的目的和方法（一）渗流分析的目的(1)确定坝体浸润线和下游渗流出逸点的位置。（2）确定坝体与坝基的渗流量,以便估计水库渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸。（3）确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸坡降, ,以判断该处的渗透稳定性。（4）确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置,估算由此产生的孔隙水压力,供上游坝坡稳定分析之用。(二)渗流分析的方法解析法分为流体力学法和水力学法。本节主要介绍水力学法。手绘流网法是一种简单易行的方法,能够求渗流
9、场内任一点渗流要素,并具有一定的精度,但在渗流场内具有不同土质,且其渗透系数差别较大的情况下较难应用。二、渗流分析的水力学法l 计算情况: 上游正常蓄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最高水位； 上游校核洪水位与下游相应的最高水位；库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。（一）渗流基本公式对于不透水地基上矩形土体内的渗流,如图所示。渗流计算图q = 即 由式可知,浸润线是一个二次抛物线。式当渗流量q已知时,即可绘制浸润线,若边界条件已知,即可计算单宽渗流量。（二）不透水地基上均质土石坝的渗流计算（1）土石坝下游有水而无排水设备的情况。当下游无水时,以上各式中的H2=O;当下游
10、有贴坡排水时,因贴坡式排水基本上不影响坝体浸润线的位置,所以计算方法与下游不设排水时相同。以下游有水而无排水设备的情况为例。计算时将土坝剖面分为上游楔形体,中间段和下游楔形体三段,如图所示。l 等效矩形宽度：，值由下式计算: 式中 上游坝面的边坡系数,如为变坡则取平均值； 上游水深。l 计算对象：坝身段(AMB”)及下游楔形体段(BB”N)。l 坝身段的渗流量为: (4-15)式中 浸润线出逸点在下游水面以上高度；K坝身土壤渗透系数； H1上游水深； H2下游水深； 见图(4-6)。l 下游楔形体的渗流量：可分下游水位以上及以下两部分计算。根据试验研究认为，下游水位以上的坝身段与楔形体段以1：
11、0.5的等势线为分界面，下游水位以下部分以铅直面作为分界面，与实际情况更相近，则通过下游楔形体上部的渗流量为： 通过下游楔形体下部的渗流量为 通过下游楔形体的总渗流量为: 式中 l 水流连续条件： ,l 未知量的求解：两个未知数渗流量和逸出点高度。浸润线由式(4-13)确定。上游坝面附近的浸润线需作适当修正:自A点作与坝坡AM正交的平滑曲线,曲线下端与计算求得的浸润线相切于A点,。当下游无水时,以上各式中的H2=O;当下游有贴坡排水时,因贴坡式排水基本上不影响坝体浸润线的位置,所以计算方法与下游不设排水时相同。（1） 有褥垫排水的均质坝 （2） 有棱体排水的均质坝 当下游无水时,按上述褥垫式排
12、水情况计算。（三）有限深透水地基上土石坝的渗流计算（1）均质土石坝 l 渗流量：可先假定地基不透水,按上述方法确定坝体的渗流量和浸润线；然后再假定坝体不透水,计算坝基的渗流量；最后将和相加,即可近似地得到坝体和坝基的渗流量。l 坝体浸润线：可不考虑坝基渗透的影响,仍用地基不透水情况下的结果。对于有褥垫排水的情况,因地基渗水而使浸润线稍有下降,可近似地假定浸润线与排水起点相交。由于渗流渗入地基时要转一个90的弯,流线长度比坝底长度要增大些。根据实验和流体力学分析,增大的长度约为0.44T。(T为地基透水层的厚度)。这时,通过坝体和坝基的渗流量可按下式计算: 式中的q用坝身的渗流量。（2）心墙土石
13、坝 心墙、截水墙段:其土料一般是均一的,可取平均厚度进行计算。若心墙后的浸润线高度为h，则通过心墙、截水墙的渗流量下游坝壳和坝基段:由于心墙后浸润线的位置较低,可近似地取浸润线末端与堆石棱体的上游端相交,然后分别计算坝体和坝基的渗流量。当下游有水时,可近似的假定浸润线逸出点在下游水面与堆石棱体内坡的交点处,用上述同样的方法进行计算。（3）斜墙土石坝 有限深透水地基上的斜墙土坝,一般同时设有截水墙或铺盖。前者用以拦截透水地基,后者用以延长渗径、减小渗透坡降,防止渗透变形,两种结构的布置如图所示。1)有截水墙的情况 它与心墙土坝的情况类似, 当下游无水时，H2=0，L1=L。当T=0时，也可得出不透水地基上斜墙坝的渗流计算公式。2)有铺盖的情况 当铺盖与斜墙的渗透系数比坝体和坝基的渗透系数小很多时，可近似地认为铺盖与斜墙是不透水的，并以铺盖末端为分界线，将渗流区分为两段进行计算。 (四)总渗流量计算计算总流量时，应根据地形及透水层厚度的变化情况，将土石坝沿坝轴线分为若干段，如图所示，然后分别计算各段的平均单宽流量，则全坝的总渗透流量Q可按下式计算： Q=式中 、各段坝长； 、断面1、断面2处的单宽流量；渗流量计算图三、渗流分析的手绘流网法（一）流网的特性（1）流线和等势线都是圆滑的曲线。（2）流线和等势线是互相正交的，即在相交点
