4土石坝-河海大学

第四章 土石坝,2,第一节 概述 一、土石坝的类型 二、土石坝的发展 三、土石坝的特点 四、土石坝的工作条件及设计原则,3,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,4,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,5,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,6,第五节 土石坝的稳定分析 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,7,第六节 土石坝的地基处理 第七节 面板堆石坝简介 一、 堆石坝的发展 二、 现代面板堆石坝的特点 三、 现代面板堆石坝设计,8,1、根据筑坝材料分 土坝； 堆石坝； 土石混合坝,第一节 概 述,一、土石坝的类型,9,2、根据施工方法分： 碾压式土石坝 抛填式堆石坝 定向爆破堆石坝 水中倒土坝 水力冲填坝,10,3、碾压式土石坝按土料在坝体中的配置和防渗体位置的不同，可分为：,均质坝：坝体由一种材料组成，既是防渗体，又是坝的 主体，坡度较缓，用于中低坝。 分区坝 钢筋混凝土、沥青混凝土面板堆石坝,堆石坝主体为堆石，强度高；上游坝面以钢筋混凝土面板或沥青混凝土面板防渗。断面较小。,11,分区坝又可分为： 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 要求：越靠近防渗体，土料性能越接近防渗体,12,土料透水性自中央向两边逐渐增大,土料透水性自上游向下游逐渐增大,13,二、土石坝的发展,1、概况 四千多年以前 19世纪，50m 20世纪5060年代，大型振动碾出现，高土石坝产生,世界上高度超过300m的大坝仅2座，都是土石坝，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，高325m。,14,2、我国土石坝的发展 我国历史上有文献记载的可追溯到公元前598-591年。 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。 建国后土石坝建设的三个阶段： 1949-1957年 1958-1980年 1980年以来 表1列出了我国1998年底已建成和在建的坝高大于70m的高土石坝,15,待建的高坝大型水电站枢纽,16,已建（在建）的20座大型水电站,17,已建（在建）的20座大型水电站(续),18,1949-1957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。,19,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河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。,20,1958-1980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。,21,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。,22,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。,23,1980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；,24,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 黄河小浪底水利枢纽的土质斜心墙堆石坝,25,1、优点： 就地取材。 适应地基变形的能力强，对地基的要求比混凝土坝低。 施工方法灵活性大。 结构简单，便于维修和加高。,三、土石坝的特点,26,2、缺点： 坝顶不能溢流，坝身不便开孔泄洪，需另设岸边溢洪道。 施工导流不如混凝土坝便利，需另设溢洪道宣泄施工期洪水。 坝体断面大，工程量相应增大。,27,渗流问题及其控制 冲刷问题及其控制 沉降问题及其控制 稳定问题（25%） 其他问题： 冰冻破坏， 动物破坏，地震破坏。,四、土石坝的工作条件及设计原则,28,渗流问题 坝体大部分浸泡在水中 土体有效重量降低，土的强度指标降低。 渗透水流对土体作用又动水压力 增加了滑坡的可能性。 渗流在土体中流动产生渗透坡降 如果超过允许渗透坡降，可能产生渗透变形。 渗流量 渗流量过大会影响水库蓄水量，尤其对抽水蓄能水库。,1.渗流问题及其控制,29,渗流问题的控制 必须满足渗流控制要求 进行合理的防渗设计，合理布置排水及反滤设施，加强防渗体与其它部位的连接，保证坝体和坝基的渗透稳定性。,30,2.冲刷问题及其控制 冲刷问题 土石坝抗冲能力低，雨水、风浪的淘刷作用 削弱了坝体的有效部分 土石坝抗冲能力低 绝大多数土石坝不允许水流漫顶,31,冲刷问题控制 不允许水流漫顶 要求： a.要有足够的坝高，应预留沉陷值； b.要设置泄水能力足够大的泄水建筑物； c.在上、下游坝坡应采取有效的防护措施及坝面排水措施。,32,3.沉降问题及其控制 沉降问题： 沉降过大会造成坝顶高程不足。 过大的不均匀沉降会引起坝体开裂，导致漏水。 沉降问题的控制 施工中要预留沉降值； 为防止不均匀沉降，要合理设计坝体剖面及细部构造，正确选择坝体土料，施工时土料压实要符合设计标准。,33,4.稳定问题及其控制 稳定问题： 坝体为散粒体结构，局部范围剪应力允许剪应力，就会产生坝体滑动或坝体连同地基一起滑动。 稳定问题控制：坝体和坝基必须稳定可靠 合理选择土料； 合理设计坝坡； 施工中做好地基处理，土料压实要符合设计标准。,34,1、坝顶高程： 坝顶高程在静水位以上应有足够的超高，超高值d按下式计算 ：,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,35,坝顶高程计算时应注意： 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。,36,为最大风雍高度，可按下式计算：,37,安全超高A按坝的级别和运用情况根据下表确定（单位：m）,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。,38,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 =,39,计算的坝顶超高很大时，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；,40,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，土质防渗体坝一般可取为坝高的1%。,41,2、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。,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。,42,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。,43,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,44,45,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：1：0.15-1:0.3,46,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。,47,48,(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1：2,49,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。,50,51,(3)斜心墙： 位置：心墙略向上游倾斜； 材料： 厚度： 坡度：斜心墙向上游倾斜的坡度为0.25-0.75时较好。,52,(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：前端由构造及施工要求决定，前端,，末端,长度：一般为水头的4-6倍,53,1、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。,三、坝体排水设备,54,3、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。,55,4、主要形式 贴坡排水 棱体排水 褥垫排水 竖式排水 综合式排水,56,贴坡排水,57,位置：设在下游坝坡底部。 作用：防止渗透破坏，保护下游坝脚，但不能降低浸润线。 要求：由1-2层堆石筑成，在石块与坝坡间应设反滤层。顶部应高出浸润线逸出点并高于下游最高水位1.5-2.0m，并应超过波浪沿坡面的爬高。 适用条件：适用于中小型下游无水的均质坝以及有良好防渗体而坝内浸润线较低的中等高度土石坝。,58,棱体排水,59,位置：在下游坝脚处设排水棱体。 作用：可降低浸润线，并可防止坝坡冻胀破坏和渗透变形，保护下游坡脚。 要求：顶部高程应超出下游最高水位0.5-1.0m，应大于波浪沿坡面的爬高。在排水与坝体及坝基之间应设置反滤层。排水棱体其内坡约为1：1-1：1.5，外坡约为1：1.5-1：2。顶部宽度不小于1m。 适用条件：适用于下游有水的情况。,60,褥垫排水（水平排水）,61,位置：用块石平铺在下游的坝基面上，并用反滤层包裹。 作用：下游无水时可有效降低浸润线，并有助于坝基排水。 要求：伸入坝体的