土石坝浙江-参考资料.ppt

第三章 土 石 坝,什么是土石坝？利用坝址附近的土石料填筑（碾压或夯实）而成的挡水建筑物。亦称当地材料坝。历史久远：公元前600多年，我国开始填筑土堤，防御洪水，蓄水兴利。如：安徽芍陂、浙江海塘等。解放后至今，我国内已建成的八万多座水坝，土石坝约占90%左右。国际上：古印度、古埃及等，也很早开始修建土坝。,第一节 概 述,安徽寿县芍陂，淮河流域著名古陂塘灌溉工程,芍陂陂塘灌溉工程，位于安徽省寿县南。春秋时期楚庄王十六年至二十三年（公元前598年公元前591年）由孙叔敖创建（一说为战国时楚子思所建），迄今2500多年一直发挥不同程度的灌溉效益。1959年，安徽省文化局文物工作队曾在安丰塘越水坝地方，发掘出一座汉代（公元前206年公元220年）水利工程（草土堰）遗址，伴随出土的有汉代时期铁锤等文物。芍陂主要水源是淠河，芍陂灌区面积，在公元4世纪公元13世纪常见记载，有灌田万顷、灌田五千余顷等说法。自古来芍陂工程的人为破坏严重，多次受到战争波及，以致到民国年间，芍陂灌溉效益越来越低，1949年实灌面积仅8万多亩，现为淠史杭灌区的一个反调节水库。,第一节 概 述,浙江省鄞县它山堰,它山堰是甬江支流鄞江上修建的御咸蓄淡引水灌溉枢纽工程。位于浙江省宁波市西南，唐代大和七年（公元833年）由县令王元玮创建。筑堰前，海潮可沿江上溯章溪，因海水倒灌使耕田卤化，城市用水困难。在鄞江上游出山处的四明山与它山之间，用条石砌筑一座上下各36级的拦河溢流坝。坝顶长42丈，用80块条石板砌筑而成，坝体中空，用大木梁为支架。这座坝平时可以下挡咸潮，上蓄溪水，供鄞西平原七乡数千顷农田灌溉，并通过南塘河供宁波城使用。为防止洪水涌入城市。宋代（公元960年公元1279年）至清代（公元1644年公元1911年）时都对工程进行维修。明代嘉靖十五年（公元1536年）加高堰（坝）顶1尺，清代咸丰七年（公元1857年）曾进行较大修治。公元1914年清理堰上淤积，使水道通畅。目前所见它山堰顶长134.4米，堰顶宽4.8米，堰身大部分埋在沙土下，已无引灌作用。1987年定为全国重点保护文物。,第一节 概 述,它 山 堰,苏州海塘,钱塘江海塘,第一节 概 述,土石坝优点：就地取材，节省三材；筑坝经验丰富；对地形、地质条件适应性强；施工技术简单；便于维修、加高、培厚和扩建。因此，在国内外应用十分广泛。据统计，国内已建成的八万多座水坝，土石坝约占90%左右。,第3 章 土 石 坝,特别是最近十几年以来，随着大型高效的土石方施工机械的采用，岩土力学理论和电子计算机技术在土石坝设计中的广泛使用，为建筑高土石坝提供了有利条件，土石坝得到了飞跃发展，成为当今世界上坝体高度最高、应用最广泛的坝型。目前世界上最高的水坝为塔吉克斯坦的罗贡土石坝，坝高335m。我国已建的最高土石坝为小浪底土石坝，坝高154m，在建的水布垭面板堆石坝高达233m。在本世纪，我国将发展更高的土石坝。,第一节 概 述,第3 章 土 石 坝,世界最高坝罗贡坝,世界最高的土石坝，也是世界最高坝，工程于1975年开工，1989年完工，位于塔吉克国和国阿姆河支流瓦赫什河上。工程主要任务是灌溉与发电。最大坝高335米，坝顶长660米，坝顶宽20米，底宽1500米。坝体体积7550万立方米。水库库容133亿立方米。水电装机360万千瓦。,埃及尼罗河上的大型水利工程 阿斯旺高坝 阿斯旺高坝位于开罗以南约700公里。工程于1961年开工，1970年竣工。大坝采用粘土心墙堆石坝，高111米，顶宽40米，底宽980米，坝顶长3830米。阿斯旺大坝在粘土心墙内布置灌浆和廊道是大胆创新，廊道净宽35米，高5米，为钢筋混凝土结构。水库总库容为1689亿立方米。枢纽建筑物包括大坝、引水工程和电站。电站装机容量为210万千瓦。阿斯旺水库具有灌溉、水力发电和防洪等作用。,密云水库（土坝）,岳城水库,水布垭水库（湖北清江）,小浪底 参数,水布垭,施工中的水布垭水库,一、土石坝的工作特点,1坝体、坝基的透水性挡水时：由于上、下游水位差的作用，水将经坝体和坝基的颗粒孔隙向下游渗透。1）使水库的水量大量流失；2）而且还会引起坝体或坝基产生管涌、流 土等渗透变形，导致溃坝事故。以坝体浸润线为界，线上的土为非饱和状态，线下土体则呈饱和状态。饱和土体，其抗剪强度指标也将相应降低，对坝坡稳定不利。为此，应设置防渗和排水措施，以减少水库的渗漏损失和保证坝坡的稳定性。,第一节概 述,2土石坝的局部失稳定破坏形式 土石坝是松散的土石料填筑，坝体剖面需要做成上、下游边坡较平缓的梯形断面。由于由松散颗粒组成，其失稳是以局部坝坡坍塌的形式出现。当坝坡太陡或土体的抗剪强度指标较小时，在渗透压力和土体上部重力的作用下，局部坝坡土体（包括坝基土体）将向坡外滑移，简称滑坡。为了保持坝坡稳定，需设置较平缓的上、下游坝坡。因此，应根据地形、地质条件和筑坝材料等因素选择适宜的坡。使坝体：保证安全稳定、经济合理。,第一节 概 述,一、土石坝的工作特点,3抗冲性能差 坝体材料是松散的颗粒：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，1975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。设计中，要求：1）坝体应有足够的超高 2）坝坡应有相应的防冲措施。3）保证泄洪措施有足够的泄洪能力。,第一节概 述,4坝体沉陷量大坝体材料是松散的颗粒：由于坝体土料、石料之间的孔隙存在，坝体是可压缩的。尽管在筑坝时要求分层填筑、逐层压实，但坝体的沉陷仍然是不可避免的。当坝基为土基时，沉陷值将更大。过大的沉陷将会降低坝顶的设计高程；而不均匀的沉陷将使坝体产生纵向、横向和各种走向的裂缝，危及坝身安全。观测资料表明，竣工后的坝体沉陷仍可达到坝高的0.5%1.0%左右。因此，在设计坝顶高程时应适当考虑预 留沉陷值(1.0%)H。,第一节 概 述,二、土石坝的类型,土石坝的类型，从不同的角度有不同的分类方法。下面主要按施工方法、筑坝材料和坝体防渗型式进行分类。1按筑坝材料分类 按筑坝材料分类:分为:1)土坝 2)土石混合坝 3)堆石坝。(坝体绝大部分由土料筑成时称为土坝；绝大部分由石料筑成时称为堆石坝；由土石混合堆筑时称为土石混合坝。),2按施工方法分类1）碾压式土石坝 碾压式土石坝是由适宜的土石料分层填筑，并用压实机械逐层碾压而成的坝型。近二十多年来，随着大型碾压机械的采用，使得这种坝型得到最广泛的应用。本章将重点介绍这种坝型的设计。2）水力冲填坝 水力冲填坝是利用水力和简易的水力机械完成土料开采、运输和填筑等主要工序而筑成的坝型。具体地说，是用高压水枪驱动高压水流向料场的土料喷射冲击，,第一节概 述,二、土石坝的类型,使之成为泥浆，然后通过泥浆泵和输浆管把浆液输送到坝体预定位置分层淤积、沉淀、排水和固结后形成的坝型。我国西北地区创造的水坠坝与这种坝型的施工原理相似，其料场位于坝顶高程以上的山体，泥浆输送是利用浆液的重量经沟渠自流到坝面，因而有学者也把水坠坝归类为水力冲填坝。这种坝型因施工质量难以保证.3）水中填土坝 水中填土坝是将易于崩解的土料分层倒入静水中，依靠土体自身重量和运输工具压实而成。施工时，一般在施工仓面上用堤埝围埂分格，并在格中灌水倒土逐层填筑。,第一节 概 述,二、土石坝的类型,4）定向爆破土石坝 这种坝型是在坝肩山体的预定位置开挖洞室，埋放炸药，引爆后使土石料按照物体平抛运动的轨迹抛到预定的设计位置，完成大部分坝体填筑，再经过加高修复而形成的坝型。这种筑坝方法由于爆破力很大，可能造成坝址附近地质构造破坏等方面问题，因而，一般采用较少。我国已建成这种土坝或堆石坝约有40余座，最高的有陕西石砭峪水库大坝，坝高82.5m，广东乳源南水电站的主坝，坝高81.3m。,第一节概 述,二、土石坝的类型,1）均质坝：均质坝绝大部分由均一的土料分层填筑而成。筑坝料多用透水性较小的粘性壤土或砂质粘土，坝体具有防渗作用。因此，无需设置专门的防渗措施，如图5-1(a)所示。2）土质防渗体分区坝：由透水性很小的土质防渗体和若干种透水土石料分区分层填筑而成。粘性土质防渗体设在坝体中部或上游，称为粘土心墙坝或粘土斜心墙坝，如图5-1(b)、(c)、(d)；设在坝体上游面的称为粘土斜墙坝，如图5-1(e)、(f)、(g)。,第一节概 述,3按防渗体的型式分类按防渗设施可分为均质坝、土质防渗体分区坝和非土质材料防渗体坝(碾压式)：,3）非土质材料防渗体坝 这种坝型的防渗体一般由钢筋混凝土、沥青混凝土或其他非土质材料做成。其中防渗体布置在坝体中央附近的称为心墙坝；防渗体布置在上游面的称为面板土石坝。在堆石坝中，一般将防渗体设在上游坝面，又称面板堆石坝。,第一节概 述,此外，还有其他型式的分区坝，如坝体上游部分为防渗土料，下游部分为透水土料的分区坝等等。,二、土石坝的类型,碾压式土石坝的类型,第一节 概 述,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,剖面基本尺寸影响因素：1）坝址附近的土石料分布状况（包括土石料的种类、性能、储量、运距等）；2）坝址的地形地质条件；3）运行要求和施工条件等；参照已建工程，初拟剖面的尺寸，然后计算和修正，使之成为安全、经济、合理的剖面。土石坝剖面包括坝顶高程、坝顶宽度、坝坡。,一、坝顶高程 坝顶高程应为水库静水位加坝顶超高，坝顶超高可按下式计算：（3-1）式中 坝顶超高，m；最大波浪在坝.坡上的爬高，m；安全加高，m，按表3-1采用；最大风雍水面高度，m，按式（3-2）计算。,y=R+e+hc,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,图 坝顶超高计算图,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,（3-2）,式中：K 综合摩阻系数，其值在（1.55.0）10-6之间，计算时一般取3.610-6；D 风区长度（m）；Hm 坝前风区水域平均水深（m）；计算风向与坝轴线法线的夹角（）；V0 计算风速（m/s）;正常运用情况:1、2级坝，取多年平均最大风速的1.52.0，3、4级坝取1.5 倍；非常运用情况:取多年平均最大风速。,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,波浪爬高：指波浪沿建筑物坡面爬升的垂直高度（从风雍水面起算），其值以蒲田公式计算为宜。采用蒲田公式计算波浪爬高应首先计算平均爬高，再按表3-2换算所需概率的爬高。当坝坡的单坡系数 1.55.0时，平均爬高可按式（3-3）计算（3-3）式中 坝面糙率系数；经验系数，按表3-2选用；,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,平均波高和平均波长（m），计算方法见第一章；坝坡系数.,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,求出 后，按工程等级选用设计累计频率(%)(对I级土石坝取；对IVV级坝取)，并由值查表3-3，求得设计爬高值。当风向线与坝轴线的法线成夹角时，波浪爬高 应有所降低。因此，应将爬高值 乘以风向折减系数 后作为设计值，值按下表选用。对于小型的土石坝，波浪爬高可按下式近似计算。式中 波高（m），可按官厅公式计算；静水位坝面坡角（）。,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,对有防渗体的土石坝，防渗体顶部针对静水位也要超高，并预留竣工后沉降量。具体要求是：正常运用情况，心墙坝超高值取0.30.6m，斜墙坝取0.60.8m；非常运用情况，防渗体顶部应不低于相应的静水位。,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,当坝顶上游侧设有稳定、坚固和不透水且与防渗体紧密接合的防浪墙时，坝顶高程可用防浪墙墙顶的高程；但此时在正常运用情况下，坝顶最少应高出相应的静水位0.5m；在非常情况运用情况下，坝顶应不低于相应的静水位。最后指出：确定坝顶高程应分别按正常运用和非常运用情况计算，取其最大值作为设计坝顶高程。当坝址地震烈度大于6度时，应考虑地震影响。,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,二、坝顶宽度 坝顶宽度取决于：交通：当坝顶有交通要求时，应按交通部门的 有关规定执行。防汛抢险：车辆运输、人员工作等。施工：碾压机械宽度 其他专门性要求；对于高坝，坝顶宽度可选用1015m，对于中、低坝，可选用510m。一般情况下：顶宽 Tm=0.1H,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,三、坝坡土石坝的坝坡主要取决于：坝型、坝高、坝基和坝体材料性质以及工作条件等因素；一般可参照已建工程初步拟定，然后由坝坡稳定计算确定合理的坝坡。规律：碾压式土石坝陡于水力冲填、水中填土坝；非粘性土分区坝陡于粘土均质坝坝坡。下游坝坡陡于上游坝坡。岩基坝坡陡于土基坝坡。坝的上部陡于下部。由上向下逐级变缓。每高差约1520m，变化不宜大于0.250.50；常用坝坡一般取1:2.01:4.0。,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,注：表中坝壳部分边坡变化范围可根据不同土质选用，土质较好可用较陡值。心墙部分边坡变化范围根据塑性材料透水性的强弱选用，透水性弱者可用陡值。,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,另外：为了方便检修、观测和拦截雨水，土石坝一般在下游坝面变坡处设置一定宽度的马道；并在马道上游面设排水沟。马道：也称纤道 它的宽度视其用途而定，一般取1.52.0m。均质坝和土质防渗体分区坝上游坝面宜少设马道，非土质防渗体面板坝上游不宜设马道。排水沟：排除雨水，横纵向布置。,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,土石坝的构造,第二节 土石坝剖面的基本尺寸与构造,土石坝设计步骤：初拟剖面渗流计算稳定计算材料设计构造设计地基处理构造设计目的：保障坝的安全和正常运行构造设计内容：防渗体、排水设备、护坡、坝顶 坝体分区：均质坝：坝体、排水体、反滤层、护坡、防浪墙 分区坝：坝壳、防渗体、过渡层、反滤层、排水体、护坡等,土石坝的构造坝顶,土石坝的构造主要包括坝顶、护坡、防渗体和排水体等四个部分。一、坝顶 坝顶可采用碎石、单层砌石、沥青或混凝土护面，IVV级的土石坝也可用草皮护面。当坝顶有交通要求时，坝顶护面应满足公路路面的有关规定。为排除降雨积水，坝顶护面可向下游侧放坡，坡度在2%3%之间，并做好向下游的排水系统。坝顶上游侧宜布置防浪墙，墙顶应高于坝顶1.001.20m，墙底必须与防渗体紧密结合。防浪墙应做成坚固不透水的结构。,土石坝的构造坝顶,尺寸应根据稳定和强度条件确定，并设置变形伸缩缝和做好止水措施，如图所示。坝顶及防浪墙构造图,土石坝的构造护坡,对于高坝或兼顾旅游功能的土石坝，下游侧应设置栏杆等安全防护措施，应按运用要求设置照明设施，建筑艺术处理应美观大方，并与周围环境相互协调。二、护坡 设置护坡的目的：是为了保护上游坝坡免受波浪淘刷；顺坡雨水水流冲刷、冻胀干裂；冰层和漂浮物等的危害作用；还有防止无粘性土料被大风吹散，蛇、鼠和土栖白蚁等动物在坝坡中营洞造穴等危害。因此，坝坡表面为土、砂砾石等土石料填筑时应设置专门的护坡。,土石坝的构造护坡,1上游护坡 上游坝面要有足够抗冲能力。已建造的土石坝，多采用堆石、干砌石和浆砌石护坡和混凝土护坡。干砌石护坡：根据波浪大小可做成单层或双层，单层厚度约为0.20.35m，如图3-6（a）所示；双层干砌石护坡厚度约0.40.6m，图（b）。当护坡与坝体土料之间不满足反滤要求时，护坡底面需设碎石或砾石垫层，防止库水位降落和波浪对坝坡的淘刷。垫层厚度一般为0.150.25m，并满足反滤要求和不冻要求。,土石坝的构造护坡,图3-6 干砌石护坡（单位：m）1-干砌石；2-垫层；3-坝体,第三章 土石坝,土石坝的构造护坡,浆砌石护坡：浆砌石是在块石之间充填砂浆或细石混凝土。适用于波浪高、压力大、容易被冲坏的情况。浆砌石护坡稳定性较好，其厚度可比干砌石护 坡酌情减小。混凝土护坡：混凝土护坡有现浇和预制两种形式，如图3-7所示。采用方形5m5m20m20m厚度为1520cm的现浇板块、六角形预制块；其他如沥青混凝土护坡和水泥土护坡，可参考有关文献论述。如黑河等工程，使用效果都较好，在石料缺乏的地区可考虑采用。,土石坝的构造护坡,图3-7 混凝土板护坡矩形板；(b)六角形板矩形混凝土板；2-六角形混凝土板；3-碎石或砾石；4-木板柱；5-结合缝,土石坝的构造护坡,2下游坝坡 下游坝坡工作条件相对上游坝坡好些，一般宜简化设置。下游护坡型式一般有草皮护坡、单层干砌石护坡、卵石或碎石护坡和混凝土框格填石护坡等。草皮护坡：是均质坝常见的护坡形式，国内应用较普遍，如果坝面排水布置合理，护坡效果良好，而且可以美化环境。草皮护坡的草苗宜采用爬地草或矮草，以减少日常维护工作。若坝坡为无粘性土时，则可在草皮下铺一层2030 cm厚的腐植土，以利于草的生长。干砌石护坡：国内使用较多，一般采用单层干砌形式、厚度0.20.3m，通常在石料丰富且砌石费用便宜的地区可以考虑采用。,第三章 土石坝,土石坝的构造护坡,卵石或碎石护坡：适用于由砂或砾石填筑的下游坝坡，卵石或碎石的粒径应为510cm，厚度40cm。钢筋混凝土框格填石护坡：适用坝坡较陡、仅仅采用卵石或碎石护坡不稳定且不适宜采用草皮护坡的情况。框格尺寸一般为45m45m，框条宽0.2m，厚0.3m，在框格中填卵石或碎石。对干砌石、浆砌石、卵石或碎石、沥青混凝土以及钢筋混凝土护坡，护坡的下部都应设置碎石或砂、砂砾石垫层。垫层厚度约为1530cm。冰冻地区，垫层厚度还应满足坝坡不冻要求。,第三章 土石坝,土石坝的构造护坡,干砌石护坡与被保护的土料之间不满足反滤要求时，垫层应按反滤要求设置。为消除护坡底面积水、降低浸润线和护坡底面扬压力，现浇混凝土、钢筋混凝土和浆砌石护坡均应预留排水孔，排水孔的间距应根据渗水多少而定。护坡的范围：上游护坡，上部自坝顶开始（如设防浪墙墙时应与防浪墙连接），下部伸至死水位以下不小于2.50m（IV、V级坝可减至1.5m），最低水位不确定时应护至坝脚。下游坝坡应由坝顶护至排水体顶部，无排水体时也应护至坝脚。,第三章 土石坝,土石坝的构造排水,3坝面排水 除了干砌石或堆石护坡之外，下游坝坡均须设置坝面排水，排水应包括坝顶、坝坡、坝头及坝下游等部位的集水、截水和排水措施。同时，坝坡与岸坡连接处也应设排水沟，其集水面积应包括岸坡积水面积在内。坝面排水系统的布置（图3-8）、排水沟的尺寸和底坡应由计算确定。排水系统应纵横贯通，有马道时，纵向排水沟宜设在马道内侧，竖向排水沟可每隔50100m设一条。排水沟的横断面可用混凝土浇筑或浆砌石砌筑，一般断面尺寸应不小于深0.2m，宽0.3m。,第三章 土石坝,土石坝的构造排水,图3-8（单位：m）1-坝顶；2-马道；3-纵向排水沟；4-横向排水沟；5-岸坡排水沟；6-草皮护坡；7-浆砌石排水沟,土石坝的构造防渗体,三、防渗体 按防渗体材料可分为：土质防渗体：粘性土心墙和斜墙等；非土质材料防渗体：沥青混凝土、钢筋混凝土心墙、斜墙、面板和复合土工膜等。1土质防渗体 土质防渗体用粘土、含砂砾粘性土或粘壤土。土质防渗体的断面尺寸应根据下列因素确定：防渗体土料的数量和质量（包括允许比降、塑性和抗裂性能等）；坝基的性质和处理措施；土料施工难度及土料与坝壳土料的比价关系 库区设计地震烈度。,土石坝的构造防渗体,实践证明：土质防渗体的断面（图3-9）及厚度取决于防渗体土料的允许比降，在设计中通常采用渗流平均允许比降J作为控制条件；最大作用水头H与允许比降的比值：B=H/J。工程中：理论计算的防渗体断面可能太薄，其对抗震抗裂不利。为此，根据实际工程经验提出的允许比降：心墙不宜大于4.0，斜墙不宜大于5.0据此求出土质防渗体底部的厚度。由于反滤层设计理论的不断完善，允许比降有逐步加大的趋势。如挪威的斯伐提文心墙坝，坝高125m，取J=5.0；加拿大的肯尼斜墙坝，坝高85m，取J=5.3；国内的窄口心墙坝，坝高77m，取J=6.4m；陆浑斜墙坝，坝高55m，取J=6.9。,第三章 土石坝,土石坝的构造防渗体,图 3-9 土质防渗体坝（a）粘土心墙坝；（b）粘土斜墙坝,土石坝的构造防渗体,土质防渗体顶部最小厚度宜取3.0m。心(斜)墙顶部、上游墙面应设保护层，其厚度不得小于1.0m。土质防渗体与坝壳的上、下游接触面，如不能满足反滤要求，均须设置反滤层。2非土质材料防渗体（1）沥青混凝土防渗体沥青混凝土具有:塑性和柔性好；防渗性能较好。渗透系数约10-710-10cm/s；如石砭峪堆石坝、甘肃的党河水库大坝和北京的半城子坝均采用沥青混凝土作为防渗体。,第三章 土石坝,土石坝的构造防渗体,沥青混凝土防渗体尺寸：厚度通常取40125cm。对于中低坝，其底部厚度可采用坝高的1/401/60，顶部但不应小于30cm。如党河水库沥青混凝土心墙坝，坝高58m，心墙底部厚度为1.5m，顶部为0.5m。沥青混凝土斜墙坝：沥青混凝土斜墙做成双层式，即在两层沥青混凝土防渗层之间夹一层由贫沥青混凝土铺成的排水层，如图3-10（a），其作用是排除渗过首层防渗层的渗水，但效果并不明显。近年来许多工程都倾向于采用简单的单层式沥青混凝土斜墙，如图3-10（b）所示。,第三章 土石坝,土石坝的构造防渗体,图3-10 沥青混凝土面板构造（单位：m）1-沥青砂胶；2-沥青砂浆；3-沥青混凝土（分3层浇筑）；4-排水层；5-沥青混凝土（分2层浇筑）；6-整平层；7-沥青砂浆；8-碎石垫层；9-混凝土截水墙；10-沥青砂浆；11-滑动层,土石坝的构造防渗体,（2）钢筋混凝土面板,钢筋混凝土防渗体：在堆石坝中应用，少量土坝有采用。防渗体的型式，以面板或心墙防渗体的。如广东飞来峡水库的副坝就是用钢筋混凝土做成心墙防渗体的土坝。3、复合土工膜 利用土工膜作坝体防渗体材料：可以降低工程造价，而且施工方便快速，不受气候影响。多或少对2级以下的低坝，可采用土工膜代替粘土、混凝土等，作为坝体的防渗体材料。,土石坝的构造排水体,四、排水设施 对渗入坝体内的水量。应设置排水设施，将渗水快速，有计划地排出坝外，以达到降低坝体浸润线和孔隙压力，防止渗流逸出区域产生渗透变形，保证坝坡稳定。坝体排水应满足如下三点要求：排水体能自动地向坝外排出全部渗水；排水体应便于观测和检修；排水体应按反滤要求设计。常用的排水设施有如下几种形式：,第三章 土石坝,土石坝的构造排水体,1贴坡排水 贴坡排水又称表面排水，它是在下游坝坡底部区域用石块或卵石加反滤层铺砌在坝坡表面的排水设施（图3-11）。排水顶部超出坝体浸润线逸出点2.0m1.5m。当下游有水时，排水顶面高程应高于波浪沿坡面的爬高；排水下游处应设置排水沟，并应具有足够的尺寸和深度，以便在沟内水面结冰后，下部仍有足够的排水断面。特点：这种形式的排水构造简单，省工节料，施工和检修都很方便。但不能降低坝体浸润线，且易因冰冻而失效；常用于中小型工程下游无水的均质坝或浸润线较低的中低坝。,第三章 土石坝,土石坝的构造排水体,图3-11 贴坡排水1-浸润线；2-护坡；3-反滤层；4-排水；5-排水沟,土石坝的构造排水体,土石坝的构造排水体,2棱体排水 棱体排水又称滤水坝趾，它是在下游坡脚处用块石堆筑而成的排水设施。尺寸：顶部高程：应大于该地区的冰结深度，并应满 足波浪爬高的要求。高出下游水位 1.0m0.5m。顶部宽度：应根据施工和观测的要求确定，一般为 1.02.0m。排水的内坡：一般为1：1.01：1.5；外坡：一般为1：1.51：2.0。为使逸出段的渗透比 降分布均匀，在非岩性坝基上的棱体排水，应避 免在棱体上游坝脚处出现锐角。,第三章 土石坝,棱体排水,土石坝的构造排水体,棱体排水体特点：安全可靠；可以降低坝体浸润线；可以增加坝坡的稳定性。缺点：需石料较多，造价也相对较高，且与坝体施工有干扰，检修有一定的困难。3坝内排水 坝内排水包括水平排水、竖式排水、网状排水带、排水管等。（1）、水平排水 水平排水有褥垫式排水和水平排水层，如图所示。褥垫式排水是沿坝基表面由块石铺成的水平排水层。其伸入坝体内的深度一般不宜超过坝底宽的1/41/3；,第三章 土石坝,土石坝的构造排水体,特点：能有效地降低坝体浸润线；增加坝基的渗透稳定，造价也较低；缺点：是不易检修，施工时容易堵塞。水平排水层：其目的是在库水位降落时，改变上游坝壳渗流方向，降低孔隙压力，以增加上游坝坡在库水位降落时的稳定性。下游坝壳的水平排水层有助于孔隙压力的消散和降低浸润线，对均质坝或坝壳采用透水性弱土料填筑的下游坝坡的稳定性有利。其设置位置、层数、厚度和伸入坝体内长度应根据渗水量大小确定，排水层厚度不宜小于0.30m，并满足反滤层最小厚度要求。,第三章 土石坝,土石坝的构造排水体,土石坝的构造排水体,（2）竖式排水 竖式排水包括直立式排水、上昂式排水和下昂式排水等。设置竖式排水的目的：是使渗入坝体的渗水通过竖式排水自由顺畅地排向下游，保持坝体干燥，有效降低坝体浸润线，防止渗透水流从坝坡逸出。即使是相对均质的土料，因水平碾压致使水平向渗透系数大于垂直向渗透系数，由此而使实际浸润线比计算情况偏高。一般的竖式排水顶部通至坝顶附近，底部与坝底的褥垫式排水层连接，通过褥垫式排水排向下游。这是近年来开始采用控制渗流的有效排水方式，对于均质坝和下游坝壳采用强透水性材料,第三章 土石坝,土石坝的构造排水体,4综合型排水 为充分发挥各种型式排水的优点，在实际工程中，常根据具体情况将23种不同型式的排水组合应用，称为综合型排水，如图所示。例如：当下游高水位持续时间较长时，为节省石料，可考虑在下游正常水位以上用贴坡排水，以下用棱体排水；当浸润线较高采用棱体排水难以满足设计要求且下游有水时，可采用褥垫式排水与棱体排水组合或采用贴坡、棱体和褥垫式组合型排水型式。,第三章 土石坝,土石坝的构造排水体,综合式型排水,五、反滤层,1、作用：滤土排水，防止水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的接触冲刷。在下游侧具有承压水的土层，还可起压重作用。2、位置：在土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间，以及渗流逸出处或进入排水处 3、要求：透水性大于被保护土；相邻层细粒不能穿过粗粒空隙各层稳定，不能移动不能被细粒堵塞耐久稳定，不改变性质 4、材料：又24层，粒径均匀，抗风化的砂、卵石、碎石组成等,土石坝的构造反滤层,第三章 土石坝,反滤层类型：(1)型反滤：其特点是反滤层位于被保护土层的下部，渗流方向主要由上向下，如褥垫排水；(2)型反滤：其特点是反滤层位于被保护土层的上部，渗流方向主要由下向上，如减压沟的反滤层。渗流方向近乎水平或倾斜向，反滤层近乎垂直或倾斜向的情况，属于过渡型，如贴坡反滤等，可归为型。,第三章 土石坝,土石坝的构造反滤层,反滤层的设计内容 反滤层的设计可分为保护无粘性土和保护粘性土两大类，设计内容有：确定反滤层的类型；根据滤土准则，确定反滤层的级配或选择土工织物产品。并据以选择宜于作反滤层的天然料场或确定人工筛选的任务。D15/d8545 D15/d155对砂砾反滤料确定反滤层的厚度和层数；鉴定反滤料的透水性，对土工织物反滤层还应鉴定淤堵性；有纵向渗流时，鉴定沿反滤层和被保护土层接触面的冲刷稳定性过渡层：避免刚度相差较大的两种土料之间产生急剧的变形和应力 反滤层可以起过渡层作用，但过渡层不能做反滤层。,第三章 土石坝,土石坝的构造反滤层,下节课讲授渗流分析,请预习,第三章 土石坝,概述 土石坝剖面的基本尺寸与构造土石坝渗流分析土石坝的稳定计算土料选择与填土标准确定土石坝的地基处理土石坝与地基、岸坡及其它建筑物连接,第三节 土石坝的渗流分析,一、概述 在土石坝中，渗透水流对坝体、坝基的渗透破坏，危害性更大，因渗透破坏属于隐蔽性破坏，常不易被发现。如发现和抢修不及时，将会导致难予补救的严重后果。1渗流分析的主要任务 土石坝剖面基本尺寸和防渗排水设施初步拟定后，必须进行渗流分析，并通过分析求得渗流场的水头分布和渗透水力比降，为坝坡安全性和渗流稳定性评判提供依据。渗流分析的主要任务是：,第三节 土石坝的渗流分析,1）确定浸润线位置:为坝坡稳定计算和布置坝内观测管提供依据，根据浸润线的高低，选择排水设施型式和尺寸。2）确定渗透比降（坡降）：确定坝坡渗流逸出点和下游地基表面的渗透比降和不同土层的渗透比降，评判该处的渗透稳定性，以便确定是否应采取有效的防渗反滤保护措施。3）确定坝体与坝基的渗流量：估算水库的渗漏损失，以便加强防渗措施，把渗流量控制在允许的范围内。,2、计算工况：正常蓄水位与下游最低水位；设计洪水位与相应下游水位校核洪水位与相应下游水位库水位降落时上游坝坡稳定的不利情况,第三节 土石坝的渗流分析,第三节 土石坝的渗流分析,3渗流分析方法渗流分析：解析法（流体力学、水力学）、流网法、电模拟法和数值法。(1)流体力学法 流体力学法是根据已知的定解条件，如初始条件和边界条件，求解渗流的基本微分方程（拉普拉斯微分方程），从中得到精确的渗流要素（包括流速、比降和渗透压力）。此法立论严谨，计算成果精确，但只能求解边界条件简单的渗流问题，不便应用于边界条件复杂的实际工程。然而，利用它对某些简单边界问题的解析成果与水力学方法结合起来，可提高水力学法的计算精度。,第三节 土石坝的渗流分析,（2）水力学法这是近似的解析法，但必须基于以下基本假设：1）假设渗透系数K在同一或相近的土料中各向同性；2）假设坝体内部渗流为层流，认为坝内渗流符合达西定律；3）假设坝体内部渗流为渐变流（杜平假定），认为渗流场中任意过水断面各点的水平流速和比降都是相等的。这种方法不完全符合拉普拉斯方程，因而不能精确求出任一点的水力要素。但其所确定的浸润线、平均流速、平均比降和渗流量，已能满足（35级）土石坝工程的精度要求。,第三节 土石坝的渗流分析,（3）数值解法渗流计算的数值解法一般采用有限单元法。有限单元法是目前解决复杂渗流问题的最有效方法，对I、II级坝和高坝应采用数值法计算渗流场的要素。（4）流网法用手工绘制流网，利用流网求解平面渗流问题的水力要素，也可用来解决较复杂的边界问题。,第三节 土石坝的渗流分析,二、渗流分析的水力学法 水力学法土石坝渗流分析的基本思路是：把坝内渗流区域划分为若干段（一般为两段）.建立各段水流的运动方程式，并根据渗流的连续性原理求解渗流要素和浸润线。另外，考虑到工程实际情况的坝体和坝基渗透系数的各向异性，而在采用水力学法进行渗流分析时又需把渗透系数K视为常量。碾压式土石坝设计规范规定：渗透系数K:计算渗流量时，宜采用大值平均值；计算水位降落时的浸润线宜采用小值平均值。K相差5倍以内的土层可视为同一种土层，其渗透系数由加权平均计算。,三、渗流计算类型,矩形渗流区无压渗流分析不透水地基均质坝的渗流计算下游无排水（贴坡排水）设施情况下游有褥垫式排水设施情况下游有堆石棱体排水设施情况有限深度透水地基土石坝的渗流计算均质坝有截水墙的心墙坝渗流计算设有截水墙的斜墙坝渗流计算设有水平铺盖的斜墙坝渗流计算4.总渗流量的计算,第三节 土石坝的渗流分析,矩形渗流区无压渗流分析简图,第三节 土石坝的渗流分析,1不透水地基均质坝的渗流计算 严格地讲，绝对不透水的坝基是不存在的。当坝基渗透系数小于坝体渗透系数的百分之一时，视坝基为相对不透水地基。计算时一般取单位坝长作为分析对象。（1）下游无排水（贴坡排水）设施情况 对上游坝坡，斜面入流的渗流分析要比垂直面入流复杂得多。而电模拟试验结果证明，虚拟适宜位置的垂直面代替上游坝坡斜面进行渗流分析，其计算精度误差不大。为简化计算，在实际分析中，常以虚拟等效的矩形代替上游坝体三角形,第三节 土石坝的渗流分析,虚拟矩形宽度计算:式中:m1 上游坝面坡度系数，变坡时平均值 H1 上游水深。教材打印错误。请改正：增加H1,图3-17 不透水地基均质土坝渗流计算图,第三节 土石坝的渗流分析,无排水设施均质坝渗流分析的思路是以渗流逸出点为界把坝体分为上、下游两部分，分别列出各部分的流量表达式，并根据流量连续性原理，求出相应的未知量（q、a)。1）上游段分析（图3-17(a)）根据达西定律，通过浸润线以下任何单宽垂直剖面的渗流量q为 移项积分（积分区间从0至x）可得：（1）同理，积分区间从EO断面至逸出点CC断面可得:,第三节 土石坝的渗流分析,（2)2）下游段分析，以下游水面为界把下游段三角形坝体分为水上、水下两部分。为简化起见，采用新的坐标系如图5-4(b)所示。水面以上坝体的渗流量q为:(a)水面以下坝体渗流量为:(b)两式相加得:,第三节 土石坝的渗流分析,（3）根据流量连续性原理，对式（2）和（3）联解就可求出未知量，并确定浸润线方程（1）均质土坝渗流计算图,第三节 土石坝的渗流分析,3）讨论分析当下游无水时，把 H2=0 代入(3)得:(4)当下游无排水设施且下游无水时,可由式（2）和(4)联解求出q和a0,浸润线仍按式（1）计算。注意：在渗流进口段应作适当修正，浸润线起点应与坝面点正交，末点与原浸润线相切，中间修改成曲线，如图5-3所示。,第三节 土石坝的渗流分析,（2）下游无水设排水体的情况 褥垫排水的坝体浸润线为一抛物线，抛物线的焦点在排水体上游起始点，焦点在铅直方向与抛物线的截距为,至顶点的距离为，由此可得：把上式代入基本方程式得浸润线方程:把边界条件、代入，即可求得:,第三节 土石坝的渗流分析,（3）下游有水设堆石棱体排水设施情况:当下游有水时，如图所示。为简化计算，以下游水面与排水体上游面的交点B为界把坝体分为上、下游两段，取上游OA断面和B点断面分析，分别列出两断面之间的平均过水断面积和平均比降，由达西定律可导出渗流量为：把下游水面看为地基，取 代替H1，并注意 的关系，由此可直接按褥垫式排水情况的公式导出:,均质土坝渗流计算图(a)有水平排水时；（b）有棱体排水时,第三节 土石坝的渗流分析,2有限深度透水地基土石坝的渗流计算（1）均质坝 对于透水地基上的均质坝，分析时：把坝体与坝基分开考虑，即先假设地基为不透水的，由上述方法计算坝体的渗流量q1和浸润线（用q1代替q）;然后再假定坝体为不透水，计算坝基渗流量q2，将 q1+q1可得坝体和坝基的流量。当有棱体排水时（图-5），因地基产生渗流使得浸润线有所下降，可假设浸润线在下游水面与排水体上游面的交点进入排水体（即h0=H2 a0=0），则通过坝体的渗流量 可表达为：,第三节 土石坝的渗流分析,通过坝基的渗流量q2可表达为:(d)坝体、坝基的单宽渗流总量q为：式中:坝基土料渗透系数;T 透水层厚度；L0见图；n坝基渗径修正系数，如表,第三节 土石坝的渗流分析,表 系数n 表,此时应将渗流量q 用坝体渗流量q1代替。（2）有截水墙的心墙坝渗流计算有限透水深度地基的心墙坝，一般可做成有截水墙的防渗形式（图）。计算时假设上游坝壳无水头损失（因为坝壳土料为强透水土石料），,第三节 土石坝的渗流分析,心墙上游面的水位按水库水位确定。因此，只需计算心墙、截水墙和下游坝壳两部分。分析时，可分别计算通过心墙和下游坝壳的渗流量，并根据流量连续性原理求出渗流单宽流量 q和下游坝壳在起始断面的浸润线高度he。图5-6 设截水墙的心墙坝渗流计算图,第三节 土石坝的渗流分析,心墙和截水墙的渗流量计算，由于心墙和截水墙的土料一般都采用同一种土料，为简化计算，取心墙和截水墙的平均厚度代替变截面厚度，渗流量可按下式计算:注：书表3-4公式改错下游坝壳的渗流量，参照均质坝公式，并假定浸润线在下游水位与排水设备上游面的交点进入排水体，可导出渗流量表达式：根据流量连续，联解以上两式可求得 q 和 he,3、设有截水墙的斜墙坝渗流计算,把斜墙和截水墙与下游坝体和坝基分别进行计算。并取斜墙和截水墙的平均厚度为e、，则通过斜墙、截水墙的渗流量可按下式计算:通过下游坝体和坝基的渗流量可下式计算:联解以上两式，可求出q、he。,第三节 土石坝的渗流分析,图 带截水槽的斜墙坝,第三节 土石坝的渗流分析,4、设有水平铺盖的斜墙坝渗流计算（图）：相对而言，铺盖斜墙土料的渗透系数要比坝体和坝基土料小（1/100）。可以坝体浸润线起始点（A、B断面）为界分为上、下游两段分析。,第三节 土石坝的渗流分析,通过上游段的渗流量：通过下游段的渗流量：联解以上两式，可求出q、he。,4总渗流量计算,计算总渗流