4土石坝-河海大学课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第四章 土石坝,第四章 土石坝,1,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,2,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,3,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,4,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,5,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,6,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,7,1、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,8,2、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,9,3、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。,10,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,11,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,12,二、土石坝的发展,1、概况,四千多年以前,19世纪，50m,20世纪50,60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。,13,2、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,14,待建的高坝大型水电站枢纽,枢纽名称,省份,河流,坝型,最大坝高（m）,溪洛渡,四川、云南,金沙江,双曲拱坝,273,糯扎渡,云南,澜沧江,心墙堆石坝,258,龙滩,广西,红水河,RCC重力坝,192/216.5,小湾,云南,澜沧江,双曲拱坝,292,拉西瓦,青海,黄河,双曲拱坝,250,锦屏一级,四川,雅砻江,双曲拱坝,305,瀑布沟,四川,大渡河,心墙堆石坝,186,构皮滩,贵州,乌江,双曲拱坝,225,苗家坝,甘肃,白龙江,心墙堆石坝,263,三板溪,贵州,清水江,面板堆石坝,185.5,洪家渡,贵州,六冲河,面板堆石坝,191.0,15,已建（在建）的20座大型水电站,枢纽名称,省份、河流,装机容量(万kW),坝型,最大坝高,（m）,三峡,湖北长江,1820,重力坝,175,二滩,四川雅砻江,330,双曲拱坝,240,葛洲坝,湖北长江,271.5,重力坝,53.8,李家峡,青海黄河,200,双曲拱坝,165,小浪底,河南黄河,180,斜心墙堆石坝,154,漫湾,云南澜沧江,150,重力坝,132,白山,吉林松花江,150,重力拱坝,149.5,水口,福建闽江,140,重力坝,101,大朝山,云南澜沧江,135,重力坝,111,天生桥二级,广西贵州南盘江,132,重力闸坝,60.7,16,已建（在建）的20座大型水电站(续),枢纽名称,省份、河流,装机容量(万kW),坝型,最大坝高,（m）,龙羊峡,青海黄河,128,重力拱坝,175,岩滩,广西红水河,121,重力坝,110,五强溪,湖南沅水,120,重力坝,87.5,隔河岩,湖北清江,120,重力拱坝,151,天生桥一级,广西贵州,南盘江,120,面板堆石坝,178,万家寨,内蒙山西黄河,108,重力坝,105,广蓄,广东流溪河,120+120,上库面板堆石坝/下库RCC,68/43.5,天荒坪,浙江,180,上库沥青面板坝/下库面板坝,73/92,水布垭,湖北清江,160,面板堆石坝,111,刘家峡,甘肃黄河,122.5,重力坝,147,17,1949-1957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。,18,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。,19,1958-1980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。,20,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。,21,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。,22,1980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；,23,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,24,1、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,25,2、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。,26,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,27,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,28,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。,29,2.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,30,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。,31,3.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。,32,4.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。,33,1、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,34,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R,m,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。,35,为最大风雍高度，可按下式计算,：,36,安全超高A按坝的级别和运用情况根据下表确定,（单位：m）,坝的级别,1,2,3,4、5,正常（设计、正常蓄水位）,1.5,1.0,0.7,0.5,校核,山区、丘陵区,0.7,0.5,0.4,0.3,平原滨海区,1.0,0.7,0.5,0.3,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。,37,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,=,38,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；,39,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%。,40,2、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。,41,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。,42,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,43,44,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：,1：0.15-1:0.3,45,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。,46,47,(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1：2,48,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。,49,50,(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。,51,(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,52,1、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,53,3、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。,54,4、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,55,贴坡排水,56,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。,57,棱体排水,58,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。,59,褥垫排水（水平排水）,60,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。,61,竖式排水（烟囱式排水）,62,美国,Rough River,坝,63,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。,64,综合式排水,65,1、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,66,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,67,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,68,二、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,69,1、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,-4,cm/s；,(3)要有一定的塑性：,塑性指数I,p,=,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。,70,2、防渗体对土料的要求,(1)渗透系数k较小，10,-5,cm/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I,p,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10,3,k,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=d,60,/d,10,30100；,(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,。,72,4、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。,73,1、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,74,2、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D,r,表示，要求：,砂砾石D,r,不低于0.75；,砂的D,r,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,：,75,(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：,76,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：,77,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%。,78,(3)砂砾石和砂料设计的步骤：,计算相对密度,D,r,计算设计干重度：,79,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%。,80,1、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；,81,3、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。,82,83,84,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,85,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。,86,87,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。,88,（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,89,分为三段：三角形段AFM（用高为H,1,，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,90,浸润线方程为,91,根据渗流连续性条件：q=q,1,=q,2,，联立求解式,(1),和,(3),，可求得a,0,及q ，将q代入式(2)则可得浸润线方程并绘制浸润线。,92,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。,93,(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。,94,将浸润线上E点的坐标（0，H,1,）代入式(1)可得h,e,:,可得浸润线方程,95,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：,96,(3)下游设有棱体排水且下游有水的情况,97,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：,98,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：,99,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：,100,2.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。,101,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 q,1,=q,2,，联立方程（1）和（2），可求出q和心墙后的浸润线高度h。,102,下游坝壳的浸润线方程为：,103,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,104,由q,1,=q,2,，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：,105,106,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：,107,108,109,假设坝体的单宽流量为q,1,，坝基的单宽流量为q，上下游水头分别为H,1,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：,110,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=H,1,）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= L,0,+0.88T,111,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,112,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k,c,、k,D,、k、k,T,。,通过防渗心墙和地基混凝土防渗墙的渗流量为：,113,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=q,1,=q,2,，联立求解式(1)和(2)即可得q和h 。,114,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,115,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=q,1,=q,2,，联立求解，可得q和h 。,116,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=q,1,=q,2,，联立求解，可得q和h 。,117,1、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,118,2、渗透破坏标准,以临界渗透坡降J,c,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：,119,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：,120,(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%。,121,(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,3m/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 。,154,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：,155,粗粒料非线性抗剪强度指标计算：,156,计算,工况,计算,方法,土的种类,使用,仪器,试验方法,强度指标,试样起始状态,施,工,期,有,效,应,力,法,无粘性土,直剪仪,慢剪,C,填土用填筑含水量和填筑密度的土，地基用原状土,三轴仪,排水剪,粘,性,土,S,t,80%,直剪仪,慢剪,三轴仪,固结不排水剪测孔隙压力,总应,力法,K15，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,-5,cm/s。,205,206,207,(4)高压喷射灌浆,用高压水射流，水气同轴喷射，切割掺搅地层，浆液在低压下进入地层，形成充填胶结体;,定喷注浆（只喷不旋转、边提升）壁状加固 用于防渗,摆喷注浆（喷浆、摆动、提升）扇形状加固用于防渗。,208,(5)防渗铺盖,不能完全截断渗流，但可延长渗径，降低渗透坡降，减小渗流量；,材料一般用粘土或壤土；,常与斜墙联合使用，并且与下游反滤排水减压设施一起控制渗流。,209,排渗减压措施：,对于砂砾坝基除了采取防渗措施外，尚需针对不同防渗方案，相应采取各种排渗措施，安全排泄渗水，降低坝基扬压力，必要时可在下游坝趾设透水盖重，保证坝基渗流稳定。,对于垂直防渗方案，砂砾层渗水被完全截断，坝基渗流得到较彻底控制，下游排渗措施可适当简化；,而水平铺盖由于砂砾覆盖层未被截断，一般应在下游设水平褥垫排水、反滤排水沟、减压井或透水盖重等。,210,水平褥垫排水,适用于均质或上层透水性大于下层的双层地基。,211,反滤排水沟,适用于砂砾覆盖层为双层结构，且上层比下层透水性小，同时上层又不厚的情况,。,212,减压井,适用于表层弱透水层比较厚，挖反滤排水沟不经济，或属多层坝基的情况。,213,一、砂卵石地基处理,二、细砂及淤泥地基的处理,三、软粘土及黄土地基的处理,四、岩基的处理,土石坝地基处理,214,1850-1940年：,抛填式堆石坝，建成许多高度30m以上的堆石坝；,1940-1965年：,抛填式堆石坝到碾压式堆石坝过渡时期，防渗体大多从混凝土面板转为采用土心墙和土斜墙；20世纪50年代振动碾问世，堆石坝施工逐渐从抛填法过渡到碾压法；,第七节 面板堆石坝简介,一、堆石坝的发展,215,1965年以后：,碾压式堆石坝推广，碾压式土质心墙堆石坝和钢筋混凝土面板堆石坝得到了迅速发展和推广应用。,216,1、缺点：,刚性面板对不均匀沉陷较敏感，要加强地基处理及堆石体和垫层的碾压；,面板受漂浮物冲击及环境水侵蚀以及严寒冰冻的作用，耐久性要保证；,刚性面板抗震性能稍差，但抗震稳定性比其他土石坝高。,二、现代面板堆石坝的特点,217,2、优点：,面板设于坝体的上游面，整个坝体都是受力结构，水压力在上游坝面的分力有助于坝的稳定，坝体工程量在土石坝中是同等条件下最小的；,振动碾压使堆石体密实度高，变形小，面板抗裂防漏有了保证，坝的运行安全度高，即使面板有少许漏水，也不会危及坝的安全；,218,面板在上游面，便于检查维修，兼起防浪护坡的作用，经济合理；,坝体填筑没有粘性土填方，施工干扰小，气候影响也小，基本上可以全年施工。,219,1、,坝坡设计,2、,堆石体设计,3、,面板设计,4、,趾板设计,5、周边缝及垂直缝的止水和接缝布置,三、现代面板堆石坝的设计,220,1、坝坡设计,根据面板堆石坝设计规范，当筑坝材料为质量良好的硬岩堆石料时，上、下游坝坡可采用1:1.3-1:1.4，当用质量良好的天然砂砾石料筑坝时，上、下游坝坡可采用1:1.5-1:1.6。软岩堆石料筑坝和软基上建坝，坝坡由稳定计算确定。,221,2、堆石体设计,坝体分区：,用硬岩堆石料填筑时可按下图分区：,1B,1A,3B,3C,2B,3E,3A,2A,F,P,1A上游铺盖区；,1B盖重区；,2A垫层区；,2B特殊垫层区；,3A过渡区；,3B主堆石区；,3C下游堆石区；,3E抛石区；,P块石堆砌；,F面板,岩基上硬岩堆石坝体分区示意图,222,垫层设计,垫层的,作用,：为防渗面板提供柔性支承，使库水压力较均匀地传递给下游过渡区和堆石区；同时缓和下游堆石体变形对面板的影响，改善面板应力状态；,规范中对垫层材料有一些要求,。,223,规范中对垫层材料的要求：,高坝垫层料应具有良好地级配，最大粒径为80mm-100mm，小于5mm地颗粒含量宜为30%-50%，小于0.075mm的颗粒含量不宜超过8%。压实后具有低压缩性、高抗剪强度，并具有良好的施工特性；,224,用天然砂砾石料筑坝时，垫层料应是级配连续、内部结构稳定，压实后渗透系数宜为110,-3,cm/s-110,-4,cm/s。,寒冷地区及抽水蓄能垫站的混凝土面板堆石坝，垫层料的颗粒级配应满足排水性要求；,垫层料可用人工砂石料、砂砾石料，或两者的掺料。人工砂石料应采用坚硬和抗风化力强的母岩加工。,225,(3)混凝土面板,面板尺寸和分缝,面板的厚度应实使面板承受的水力梯度不超过200。高坝面板顶部厚度宜取0.3m，并向底部逐渐增加，可按下式计算：,226,中低坝可采用厚的等厚面板；,应根据坝体变形及施工条件进行面板分缝，垂直缝的间距可为12m-18m。,227,面板混凝土的设计及配筋,面板混凝土应具有较高的耐久性、抗渗性、抗裂性和施工和易性。面板混凝土强度等级不应低于C25，抗渗等级不应低于W8，抗冻等级应按照抗冻规范确定；,面板宜采用单层双向钢筋。钢筋宜置于面板截面中部，每向配筋率为0.3%,0.4%。在高坝周边缝及临近周边缝的垂直缝两侧宜配置抵抗挤压的构造钢筋。,228,4、趾板设计,趾板的作用及布置,趾板宜置于坚硬、不冲蚀和可灌浆的弱风化至新鲜基岩上；,岩石地基上的趾板布置应依据地形和地质条件选定，多