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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，50m20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。,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，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，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，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，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：伸入坝体的长度不超过1/3-1/4的坝体宽度，一般向下游做成的坡度，厚度一般为。适用条件：适用于下游无水或下游水位很低的情况。,62,竖式排水（烟囱式排水）,63,美国 Rough River 坝,64,位置：顶部通到坝顶附近，底部与坝底水平排水层连接。作用：有效降低坝体的浸润线，并防止渗透水在坝坡出逸。适用条件：适用于均质坝和下游坝壳由弱透水材料填筑的土石坝，宜优先选用竖式排水，其底部可用 褥垫排水将渗水引出。,65,综合式排水,66,1、护坡上游护坡：作用：主要是防止风浪淘刷；厚度：其厚度选择时应考虑波浪因素；材料：砌石、堆石、混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土等；护坡范围：从坝顶至水库最低水位以下。,四、护坡和坝顶构造,67,下游护坡：作用：防止雨水冲刷、干裂、动物破坏及下游有水部位的波浪、冰冻和水流作用；材料：砌石、堆石、碎石、草皮、钢筋混凝土框格填石等；护坡范围：坝顶至排水棱体，无排水棱体时护至坡脚；,2、坝顶构造：交通、排水、防浪墙,68,对坝体各部位的土料进行选择，然后确定土料的填筑标准。,一、土石坝的筑坝土料设计的任务,第三节 土石坝的筑坝材料,69,二、土石坝筑坝土料的选择：1、均质坝对土料的要求2、防渗体对土料的要求3、坝壳对土石料的要求4、排水、反滤料及过渡层对土石料的要求,70,1、均质坝对土料的要求(1)强度指标、c较大；(2)渗透系数k较小，10-4cm/s；(3)要有一定的塑性：塑性指数Ip=L-P=717；能适应坝基变形而不会产生裂缝；(4)有机杂质含量（按质量计）5%；(5)土质：绝大多数采用粘性土。,71,2、防渗体对土料的要求(1)渗透系数k较小，10-5cm/s；抗渗性(2)有较好的塑性以适应坝体及坝基变形，塑性指数Ip大于1012；(3)有机杂质含量2%，水溶盐含量按质量计3%，有良好级配；(4)浸水和失水时体积变化较小；(5)土质：粘粒含量（粒径0.005mm）为15%-30%或塑性指数为1017的中、重壤土以及粘粒含量30%-40%或塑性指数为1720的粘土较合适。,72,3、坝壳对土石料的要求(1)强度指标、c较大，具有抗震、抗滑稳定性；(2)排水性能好，k103k防渗体。经过防渗体后，迅速降低浸润线；(3)有良好级配：级配连续；不均匀系数=d60/d1030100；(4)土质：级配良好的无粘性土（砂、砾石、卵石、碎石等），料场开采的石料、开挖的石渣。,73,4、排水、反滤层、过渡层对土石料的要求(1)良好的抗水性、抗冻性和抗风化性(2)具有要求的级配(3)具有要求的透水性(4)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%(5)土质：反滤料应尽量采用天然砂砾筛分，也可用人工砂和碎石。,74,1、粘性土料的填筑标准：(1)设计指标：应以压实度和最优含水率作为设计控制指标；设计填筑干重度：按压实度P确定。(2)施工时主要控制填筑含水率，选在最优含水量附近。(3)粘性土料设计的步骤：,三、土石坝填筑标准设计,75,2、砂砾石和砂的填筑标准：(1)以相对密度为设计控制指标。(2)压实程度用相对密度Dr表示，要求：砂砾石Dr不低于0.75；砂的Dr不低于0.70；反滤料0.70；若为地震区，要求浸润线以上不小于0.7，浸润线以下选用。(3)砂砾石和砂设计的步骤：,76,(3)粘性土料设计的步骤：初拟设计含水量：计算填土的最大干重度：理论最大干重度一般难以达到，所以一般估算填土的最大干重度：,77,校验填土的设计干重度：应满足调整含水量 使 满足填筑要求。,拟定填土的设计填筑干重度：,78,I、II级坝及高坝的压实度P 应达到98%-100%，对III、IV、V级坝应达到96%-98%。施工时压实干重度的合格率：对I、II级坝及高坝的防渗体应达到90%；对中小型土坝的防渗体和I、II级均质土应达到85%-90%；对中小型均质坝应达到80%-85%。,79,(3)砂砾石和砂料设计的步骤：计算相对密度Dr,计算设计干重度：,80,计算不同含砾量的砂砾料填筑干重度,非粘性土料的施工合格率要求一般为80%-85%。,81,1、确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体和坝基内的流网图；为稳定分析、应力应变分析及排水设备选择提供依据；,一、土石坝渗流分析的目的（任务）：,第四节 土石坝的渗流分析,2、确定坝体与地基渗流量；用于估计水库渗漏损失并校核坝的排水尺寸；,82,3、确定在下游坝坡或地基出逸处的渗透坡降以及不同土层之间的渗透坡降；用于验算抗渗稳定性；4、确定库水位骤降时上游坝壳内浸润线位置获孔隙水压力；供上游坝坡稳定分析用;5、确定坝肩的等势线、渗流量和渗透坡降。,83,84,85,工程上实用的土石坝渗流分析方法主要有：基于拉普拉斯方程的绘制流网法；求基本方程数值解的有限单元法；电拟试验法：用电流场模拟渗流场，从而测定渗流流网。水力学方法：在平面渗流条件下求解稳定渗流的一种近似方法。,二、土石坝渗流计算的方法,86,不透水地基上矩形土体渗流问题水力学解：假设渗流缓慢，沿任一铅直过水断面内各点的渗透坡降J相等；渗流符合达西定律。,87,88,均质坝(1)下游无排水或设贴坡排水；(2)下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况；(3)下游设有棱体排水且下游有水的情况。心墙坝斜墙坝,（一）不透水地基上土石坝的渗流计算 简化为平面问题分若干区段，对每个区段按连续条件求解。,89,（二）有限深透水地基上土石坝的渗流计算:坝体内渗流仍用上述不透水地基上土石坝的渗流计算方法确定渗流量及浸润线；坝基渗流按有压渗流计算；坝体渗流量与坝基渗流量之和为总渗流量。均质坝心墙坝斜墙坝,90,分为三段：三角形段AFM（用高为H1，宽为L的矩形EOFA代替）、中间段AFBB、三角形段BBN;分为两段：EOBB、三角形段BBN;按连续条件求解。,(1)下游无排水或设贴坡排水情况,91,浸润线方程为,92,根据渗流连续性条件：q=q1=q2，联立求解式(1)和(3)，可求得a0及q，将q代入式(2)则可得浸润线方程并绘制浸润线。,93,上游段EA是不符合实际情况的应加以适当修正，使浸润线上端在A处与坝面正交，在A点与浸润线相切。,94,(2)下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况,将浸润线近似看作是以排水起点D为焦点且通过E点的抛物线；认为排水体内无渗流水头损失。,95,将浸润线上E点的坐标（0，H1）代入式(1)可得he:,可得浸润线方程,96,不透水地基上均质坝渗流计算下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况,上游段应加以适当修正；,将B点坐标(L,he)代入式,可得EODBA段的单宽流量q：,97,(3)下游设有棱体排水且下游有水的情况,98,将下游水面以上部分按照无水情况处理；浸润线近似看作是以排水棱体上游坡下游水面的交点D（L，t）为焦点且通过E点的抛物线。浸润线方程为：,99,不透水地基上均质坝渗流计算下游设有棱体排水且下游有水的情况,上游段应加以适当修正；,将B点坐标(L,t+he)代入式,可得EODBA段的单宽流量q：,100,将B点坐标(L,t+he)代入上式可得EODBA段的单宽流量q：,将浸润线上代入(1)式可得：,101,2.不透水地基上心墙坝渗流计算,计算时忽略上游坝壳段的水头损失；,将心墙简化为等厚的矩形断面，下游坝壳段与均质坝同样处理。,102,假定下游坝壳逸出点位于下游水位与堆石内坡的交点A，则坝壳内单宽流量表达式为：,心墙段的单宽渗流量为：,由 q1=q2，联立方程（1）和（2），可求出q和心墙后的浸润线高度h。,103,下游坝壳的浸润线方程为：,104,计算时忽略上游坝壳段的水头损失;分两段计算：斜墙段、斜墙后的坝壳段；将斜墙简化为等厚的斜墙，下游坝壳段与心墙坝同样处理。,3.不透水地基上斜墙坝渗流计算,105,由q1=q2，联立求解以上两方程得出q和h，下游坝壳内的浸润线方程：,斜墙段的单宽渗流量简化为：,斜墙后坝壳段的单宽渗流量简化为：,106,107,如果计算中考虑在斜墙h以下部分渗至下游坝体的渗流，则通过整个斜墙的单宽流量为：,斜墙后坝壳的单宽流量为：,下游坝壳内的浸润线方程：,108,109,110,假设坝体的单宽流量为q1，坝基的单宽流量为q，上下游水头分别为H1和t。,1.有限深透水地基上土石坝的渗流计算均质坝,通过坝体与坝基的总单宽流量为：,111,由达西定理可得地基内单宽流量 q：,将上式从上游面（x=0，y=H1）到下游面（x=L，y=t）积分得：,L实际上是指流线长度，所以考虑进出口流线弯曲的影响及渗流区的几何形状，L可表示为 L=L0+0.88T,112,地基上有混凝土防渗墙的心墙坝,2.有限深透水地基上土石坝的渗流计算心墙坝,113,设心墙、混凝土防渗墙、下游坝壳、透水地基的渗透系数分别为kc、kD、k、kT。通过防渗心墙和地基混凝土防渗墙的渗流量为：,114,通过心墙后的坝壳和地基防渗墙后的地基的渗流量为:,由q=q1=q2，联立求解式(1)和(2)即可得q和h。,115,地基上有截水槽的斜墙坝,3.有限深透水地基上土石坝的渗流计算斜墙坝,116,通过斜墙和地基截水槽的渗流量为：,通过斜墙后的坝壳和地基截水槽后的地基的渗流量:,由q=q1=q2，联立求解，可得q和h。,117,如果计算中考虑在 斜墙h以下部分渗至下游坝体的渗流，则通过斜墙和地基截水槽的渗流量为：,通过斜墙后的坝壳和地基截水槽后的地基的渗流量:,由q=q1=q2，联立求解，可得q和h。,118,1、渗透变形的形式及其判别 渗透变形：土石坝及其地基在渗流的物理作用和化学作用下发生土体颗粒流失的局部破坏现象称渗透变形。(1)管涌(2)流土(3)接触冲刷(4)接触流失,三、土石坝抗渗稳定验算,119,2、渗透破坏标准以临界渗透坡降Jc作为判定标准。管涌临界坡降计算公式：,流土临界坡降计算公式：,120,容许渗透坡降J可按建筑物级别，以临界坡降除以安全系数求得；当渗透变形的形式确定后，也可根据规范中有关图表选取临界坡降和允许坡降；抗渗稳定性验算就是查验下列不等式是否成立：,121,(1)管涌：渗流作用下不均匀无粘性土中细颗粒从孔隙通道中的连续移动和带出；管涌可能发生的部位：非粘性土的渗流逸出点和进入排水处；管涌判别：级配连续时不均匀系数20，级配不连续时细粒含量小于25%。,122,(2)流土：渗流作用下，土体的同时浮起或流失；流土发生的部位：多发生粘性土坡和颗粒较均匀的非粘性土坡中；判别：级配连续时不均匀系数10，级配不连续时细粒含量大于35%。,123,(3)接触冲刷：顺着两种土壤的接触面的渗流对接触面颗粒的冲刷；判别：一般认为当相邻两层土体的d10比值小于10且两层土的不均匀系数小于10时，不会产生接触冲刷，反之应考虑接触冲刷和接触流失的问题。,124,(4)接触流失：渗流垂直于渗透系数相差较大的两相邻土层的接触面流动时，将渗透系数较小土层中的细颗粒带入渗透系数较大的另一土层。,125,1、提高土的抗渗性：土料设计时需考虑；2、降低渗透坡降：设置水平与垂直防渗体，调整防渗结构的型式和尺寸；3、降低下游渗流出口处的渗透压力：设置排水沟或减压井；4、对可能产生流土的地段加盖重，盖重与被保护土体之间也要设反滤层。,四、防止渗透破坏改善渗透稳定性的工程措施,126,127,古巴 Jibacoa 坝（镇压台）,128,反滤层设计：(1)反滤层的主要作用：排水滤土，防止坝体和坝基在渗流逸出处产生渗透破坏；(2)坝的反滤层必须符合下列要求：使被保护土不发生渗透变形；渗透性大于被保护土，能通畅地排出渗透水流；不致被细颗粒淤塞失效。,129,(3)反滤层位置：J较大，可能不满足反滤要求的地方。各种排水与坝体和地基之间；土质防渗体与上、下游坝壳和坝基透水层 之间及下游渗流逸出处；下游坝壳与坝基透水层接触区，与岩基中发育的断层、破碎带和强风化带接触部位。,130,反滤层型式：土反滤：由几层砂砾料按粒径沿渗流方向增大铺设；土工织物反滤。,131,土石坝的失稳状态：土石坝失稳破坏状态通常有三种形式：滑坡液化塑性流动,第五节 土石坝的稳定分析,132,1、滑坡:由于坝坡过陡或筑坝土料抗剪强度不够，使某一滑动面以上土体所受滑动力或滑动力矩超过了其下相应土体可能施加的抗滑力或抗滑力矩；由于坝基土体抗剪强度不够，使部分坝体连同坝基一起滑动，尤其当坝基有软弱夹层时，滑动往往在该层发生。,133,2、液化:易发生在由不紧密均匀细砂构成的坝体或坝基中。发生的原因：饱和松砂受振动或剪切而发生体积收缩，但孔隙中的水分不能立即排出，沙砾相互接触的有效应力部分或全部转化为没有抗剪强度的孔隙水压力，砂粒就随水流动而“液化”。,134,3、塑性流动：指坝体或坝基土的剪应力超过土体实有的抗剪强度，变形远超过弹性限值，失去承载能力，坝坡或坝角土被压出或隆起，或坝体、坝基发生严重裂缝，过量沉陷等情况。坝体或坝基由软粘土构成又设计处理不当时才会出现这种现象。,135,一、土石坝滑坡滑动面的基本类型：曲线滑动面折线滑动面复合滑动面,136,137,二、土石坝稳定分析方法：1、应力应变分析法2、滑动面法,138,1、应力应变分析法：以整个坝体连同坝体的应力场为计算对象，按应力、应变之间某种非线性本构关系建立数学模型，采用有限元法，求得应力场内各点应力状态的数值解；分析坝体是否发生塑性区及其范围、拉应力区及其范围、变形及裂缝、防渗体的水力劈裂等。,139,2、滑动面法：选择不利工况，并假设若干个不利滑动面；计算每个工况、每个滑动面的抗滑力及滑动力；比较稳定安全系数，找出最小值，如其不低于规范规定的容许值，则认为坝坡抗滑稳定安全度得到验证；根据滑动面形状，分为圆弧滑动法、折线滑动法和复式滑动法。,140,(1)圆弧滑动法：假定：平面应变问题，滑动面为圆弧面，将滑动面内土体视为刚体，破坏时该土体绕圆心作旋转运动；安全系数K=抗滑力矩/滑动力矩；,具体方法：a.瑞典条分法：不考虑条块间的作用力;b.毕肖普法：考虑土条间的作用力;c.简化毕肖普法：考虑土条间水平作用力而忽略竖向作用力。,141,瑞典条分法：计算时首先确定坝体浸润线的位置。将圆弧内土体分为若干条，在不同的区域采用不同的物理力学性质指标，坝体浸润线以上采用湿重度，下游水位以下用浮重度；可用替代重度法代替渗透力的作用对浸润线以下，下游水位以上的坝体，计算滑动力矩时用饱和重度，计算抗滑力矩时用浮重度。,142,最危险滑动面：在分析时要假设一系列的滑动面进行试算，算出每个试算滑动面的稳定系数，稳定系数最小的滑动面即为最危险滑动面。若考虑地震作用，一般采用拟静力法计算。,143,渗透力是渗透水流通过坝体时作用于土体的体积力。其方向为各点的渗流方向，单位土体所受到的渗透力大小为。,渗 透 力,若考虑各条块渗透力作用时，可按 计算渗透力。,144,(2)折线滑动法（滑楔法）非粘性土坡计算,在计算中，水位和折角、都是任意假定的。最危险水位及滑动面位置需通过试算才能确定。,145,假想把ABCEA分为两块ABD和BCED；滑块间的错动面为BD；在BD面上，两土块间的相互作用力与BD面法线成摩擦角。,146,考虑AB、BD、BC三个面同时达到极限平衡状态（等安全度）：以土块ABD极限平衡为条件求出P的表达式再以土块BCED极限平衡为条件求出P的表达式两者P相等，联立求解可以求出Kc,147,保护层或连同斜墙，有可能沿其接触面产生滑动，一般用折线法验算。接触面上的抗剪强度，应采用两种材料的较小值。,折线滑动法斜墙及其保护层的计算,148,保护层本身滑动的验算方法：假设滑动面为LBE，将滑动体用假设破裂面BB分成两个滑动块试算。,149,斜墙连同保护层的稳定计算：假定折线滑动面为LBgD，滑动面包含三个直线段，在滑块中存在两个错动面BB和gg，同样假定水位及各个折角进行试算，求出最危险情况。,150,取FBCE 为隔离体，假定作用在它上、下游侧的主动土压力和被动土压力都是水平的，则,(3)复合滑动面法,最危险滑动面也是通过试算确定。,151,三、稳定分析的计算情况和安全系数：1、计算情况(1)正常运用情况：库水位处于正常蓄水位或设计洪水位，以及自正常蓄水位正常降落所对应的工作条件。(2)非常运用情况：非常运用条件：库水位处于校核洪水位，以及库水位骤降、施工期所对应的工作条件。非常运用条件：正常运用条件加地震。,152,按碾压式土石坝设计规范(274-2001)，坝坡抗滑稳定的安全系数，应不小于规范规定的数值：,2、安全系数,153,(1)正常运用情况：水库蓄满水形成稳定渗流时验算下游坡的稳定；上游库水位为某一最不利水位时验算上游坡的稳定；上游水位正常降落，上游坝坡产生渗透动水压力（流线方向指向上游）时的稳定计算。,154,(2)非常运用情况：库水位骤降（k10-3cm/s，V3m/d），形成反向渗流验算上游坡的稳定；正常蓄水位+地震验算上、下游坡的稳定；校核洪水位时验算下游坡的稳定；施工期考虑孔隙水压力时验算上、下游坡的稳定。,155,土石坝各种计算工况，土体的抗剪强度均应采用有效应力法按下式计算：,四、土石坝的抗剪强度指标,粘性土施工期及库水位降落期同时应采用总应力法分别按下式计算：,156,粗粒料非线性抗剪强度指标计算：,157,158,159,五、提高坝坡抗滑稳定的工程措施：1、加大断面，放缓边坡；2、提高坝体填筑标准；3、合理减压减小下滑力和滑动力矩；设加压重增加抗滑力和抗滑力矩；4、提高导渗、排水。,160,第六节 土石坝地基处理,一、土石坝地基处理的目的二、土石坝坝基类型,161,三、各类坝基处理要点岩石地基软土地基易液化砂土湿陷性黄土砂砾石地基,162,一、土石坝地基处理的目的,土石坝对天然地基在强度和变形方面的要求以及处理措施所应达到的标准等，均可比混凝土坝相对较低；但在防渗要求上则与混凝土坝基本相同。,163,处理的目的：控制渗流，减少渗流坡降，避免管涌等有害的渗流变形，控制渗流量；保持坝体和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形；竣工后，坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝高的1%；在保证坝安全运行的条件下节省投资。,164,二、土石坝坝基类型,岩石地基 砂砾石地基 湿陷性黄土 软土地基 易液化砂土 土坝可建在土基上，也可建在岩基上；堆石坝一般应建在岩基上或压缩性较小的砂砾石地基上，其坝头岸坡应为岩体。,165,1、岩石地基,土石坝对岩石地基处理的原则与重力坝相同，只是要求稍低一些。小型土石坝的岩基一般可不作专门处理。大中型工程的岩基处理，主要是解决防渗问题，常用的措施是帷幕灌浆。处理好与基岩结合面 灌浆 软弱带的处理岩溶的处理,166,(1)处理好与基岩的结合面：清基整平；水泥砂浆填塞大的缝隙，进行喷浆或涂粘土浆，以利于基岩与第一层填土的结合；沿与基岩接触面处薄的防渗体(薄心墙、薄斜墙等)适当加厚，延长接触渗径，以代替混凝土齿墙；如风化及裂隙发育的岩层不太深，也可开挖截水槽切断该层岩石，直达新鲜完整岩石。截水槽用土回填，与土质防渗体相接；注意开挖面保护。,167,168,喷混凝土，用水泥砂浆堵缝或浇混凝土板,新鲜完整与裂隙发育透水性大的风化岩层分界线,169,(2)灌浆 如坝基岩石在较深范围内节理裂隙发育，透水性大，开挖处理不经济，一般采用帷幕灌浆和固结灌浆处理。,170,帷幕灌浆：与土质防渗体共同组成大坝的防渗屏障；水泥灌浆，化学灌浆或超细水泥灌浆；帷幕应深入相对不透水岩层35m。应做好帷幕与土质防渗体连接，可在两者接触面浇厚0.51.2m，沿上下游方向宽24m的混凝土盖板，再在板下灌浆。,171,172,固结灌浆：如帷幕两侧防渗体下面基岩比较破碎，裂隙发育，除设灌浆帷幕外，还需对帷幕两侧基岩进行固结灌浆，以提高基岩完整性;固结灌浆标准可与帷幕灌浆相同，灌后也要进行质量检查，检查孔数量不少于固结灌浆孔数的5。,173,固结灌浆的灌浆压力：在有混凝土盖板时灌浆压力0.20.5MPa，通过灌浆试验确定;通过盖板对软岩进行帷幕或固结灌浆时，由于盖板与软岩间胶结远不如与硬岩问胶结。沿盖板与基岩问留有相对多一些空隙，承受灌浆压力的面积也相对大一些，因此表层灌浆压力应小一些，否则易使盖板上抬或开裂，最好先用浓浆低压封堵接触面空隙，然后再提高灌浆压力。,174,(3)软弱破碎带处理：由于土石坝对地基承载力要求比较低，处理重点为保证其渗透稳定，使水库蓄水后不至于沿软弱带产生机械管涌和化学溶滤。常用方法：开挖，回填混凝土或粘土竖井，回填混凝土混凝土塞加灌浆铺盖加排水 综合方法,175,176,177,178,混凝土塞加灌浆平面示意图,179,混凝土塞加灌浆剖面1-1,180,混凝土塞加灌浆剖面2-2,软弱带,181,(4)岩溶处理 凡是碳酸盐类、硫酸盐类岩石，如石灰岩、白云岩、大理岩等，所含可溶盐受到地表水及地下水的溶蚀和溶滤后产生的沟槽、裂缝、溶洞和陷穴，称为岩溶。在岩溶地区修坝建库应进行处理，以免蓄水后引起大量漏水和渗透破坏。,182,常用处理方法：a.开挖 b.铺盖 c.堵洞 d.灌浆 e.筑墙隔离,183,2、土基,要求沿土基的渗流量及渗流出逸渗透比降不超过允许值，筑坝后不会产生过大沉降变形，不会因土基剪切破坏导致土石坝滑坡。土基表面一般要清理，挖除树根草皮、表层腐殖土、淤泥、粉细砂、乱石砖瓦等，对水井、泉眼、洞穴、地道、冲沟、凹塘应进行开挖，回填上坝土料并夯实。经表面清理后，用碾压机具压实土基表层，加水湿润至适宜含水量，并进行刨毛后，才填筑坝体第一层填土。,184,土基的防渗处理，可用截水槽，混凝土防渗墙或高压喷射灌浆，修建铺盖等。在土基上的均质土坝，一般要设坝体排水，以降低浸润线。,185,软土地基处理：软土坝基可能产生的问题：由于强度低，坝基产生局部塑性破坏和大坝整体滑坡；出现较大沉降和不均匀沉降，使坝体出现大的纵横向裂缝，破坏整体性；透水性小，固结缓慢，竣工后坝的沉降将持续很长时间；因为灵敏度高，施工期问由于扰动会使坝基软土强度迅速降低，导致剪切破坏。在原软土地基上筑坝，高度一般为几米到十多米，很少超过2025m。,186,软土坝基常用处理办法有：a.开挖换土:当分布范围不大，埋藏较浅时，一般应全部挖除；b.铺排水垫层：当土层较厚时，可用换砂法、振冲器法加速软土固结，提高承载力。c.打砂井：当埋藏较深，分布范围又较广时，常采用压重法或设置砂井加速排水固结。,187,d.设镇压台：压重施加于坝趾处，压重材料只需一定重量而不需设反滤层。e.铺垫土工合成材料 f.分级填土，控制加荷速度,188,浙江胡陈港堆石堤（排水垫层镇压台）,189,美国Pomme de Terre 坝（上游铺排水垫层）,190,古巴 Jibacoa 坝（镇压台）,191,美国 Rough River 坝（打砂井）,192,浙江杜湖水库（打砂井镇压台）,193,3、黄土地基,在我国华北及西北地区广泛分布黄土。天然黄土遇水后，其钙质胶结物(如碳酸钙与硫酸钙等)被溶解软化，颗粒之间的粘结力遭到破坏，强度显著降低，土体产生明显沉陷变形。具有遇水沉陷特性的黄土称为湿陷性黄土，作为坝基应该处理。,194,处理的方法一般有：预先浸水，使其湿陷加固；将表层土挖除，换土压实；桩基础夯实表层土，破坏黄土的天然结构，使其密实等。,195,4、易液化细砂地基,(1)位于表面的薄层粉细砂采用分层填筑的压实方法。(2)厚层或深部粉细砂地基可采用下述方法加密加固：强夯加固厚度可达10m。挤密砂桩加固厚度可达30m。,196,振冲挤密碎石桩加固厚度可达15m。爆夯加密深层爆夯法只适用于饱和松散砂的加密，影响深度可达45m，但不能使表层加密，且只能使粉细砂加密至Dr=0.50.7。围封：用板桩围封，但此法不够经济。,197,砂砾石地基分层结构示意图,(a)均质地基,(b)双层地基,(c)多层地基,198,5、砂砾石地基,许多土石坝建在砂卵石地基上，对于砂卵石地基的处理，主要是解决渗流控制问题。处理的主要措施有水平防渗措施、垂直防渗措施和下游排水设施及盖重等;“上铺”：上游铺水平铺盖防渗,199,“中截”：各种坝底的垂直防渗 回填粘土截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕、高压喷射灌浆“下排”：即下游反滤排水 排水减压结构、加盖重,200,(1)回填粘土截水槽：适合于较薄的地基（10-15m），工期短，施工质量有保证；粘土截水墙底宽根据回填土的允许渗透坡降及施工要求确定。,201,202,(2)混凝土防渗墙：适用于覆盖层较深时；墙的厚度由防渗要求及强度决定，在0.61.3m之间，常用的为0.8m；混凝土防渗墙为刚性体，要处理好它与土质防渗体及基岩的连接。,203,204,205,(3)灌浆帷幕：用于透水层很厚用粘土截水墙和混凝土防渗墙处理困难时；以可灌比M作为可灌性的评价标准。M15，可灌注水泥浆；M10，可灌注水泥粘土浆。灌后渗透系数可降低到10-4-10-5cm/s。,206,207,208,(4)高压喷射灌浆