河海大水利水电工程概论讲义05土石坝.docx

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1、第五章土石坝第一节概述一、按材米斗在坝体内的配置和防渗体的位置分类(对于碾压混凝土坝)：(1)均质土坝：坝体剖面的全部或绝大部分由一种土料填筑。优点：材料单一，施工简单；缺点：当坝身材料粘性较大时，雨季或冬季施工较困难。2)土质心墙坝：用透水性较好的砂或砂砾石做坝壳，以防渗性较好的粘性土作为防渗体设在坝的剖面中心位置,心墙材料可用粘土也可用沥青混凝土和钢筋混凝土；优点：坡陡，坝剖面较(1)小，工程量少，心墙占总方量比重不大，因此施工受季节影响相对较小；缺点：要求心墙与坝壳大体同时填筑，干扰大，一旦建成，难修补；(3)土质斜墙坝：防渗体置于坝剖面的一侧。优点：斜墙与坝壳之间的施工干扰相对较小，在

2、调配劳动力和缩短工期方面匕巳心墙坝有利；缺点：上游坡较缓，粘土量及总工程量较心墙坝大，抗震性及对不均匀沉降的适应性不如心墙坝。(4)土质斜心墙坝：由相对不透水或弱透水土料构成防渗体，其下部为斜墙、上部为心墙，在他们的上下游两侧以透水土石料组成坝壳，支撑和保护防渗体。(5)人工材料心墙坝：中央防渗体由沥青混凝土或混凝土、钢筋混凝土等人工材料构成，坝壳由透水或半透水砂砾土石料或者再加上块石等组成。(6)人工材料面板坝。上游防渗面板由钢筋混凝土、沥青混凝土、塑料膜或土工膜等材料构成，其支撑体由透水或半透水砂砾土石料或者加上块石等组成。(4)多种土质坝：坝址附近有多种土料用来填筑的坝。5)土石混合坝：

3、如坝址附近砂、砂砾不足，而石料较多，上述的多种土质坝的一些部位可用石料代替砂料。二、土石坝的工作特点(1)稳定方面：不会沿坝基面整体滑动，失稳形式主要是坝坡滑动或连同部分地基一起滑动；(2)渗流方面：坝体为散粒体结构，在上下游水位差作用下经坝南口地基向下游渗透，产生渗透压力和渗透变形，严重时会导致坝体失事，浸润面和浸润线的瞰；(3)冲刷方面：颗粒间粘结力小，因此土石坝抗冲能力较低；)(4)沉降方面：颗粒间存在孔隙，受力后产生沉陷，分为均匀沉降和非均匀沉降；(5)其他方面：冰冻、地震、动物筑窝等.第二节土石坝的剖面和构造一、基本尺寸,d=5+L坝顶图程：坝顶超局!其中，hB一爬高,a安全加高,e

4、一坝前水位因风浪引起的壅高。2、坝顶宽度:取决于交通需要、构造要求和施工条件。当坝高在30m：LoOm时,Bmin=OJH;当坝高大于IoOm时,Bmin=H0.5.3、坝面坡度：取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。(1)均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓；(2)粘土斜墙坝的上游坡比心墙的坝坡缓，而下游坝坡可比心墙坝陡些；(3)土料相同时上游坡缓于下游坡；(4)粘土均质坝的坝坡与坝高有关，坝高越大坝坡越缓；(5)碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。二、土石坝的筑坝材料(一)土石坝筑坝土料设计的彳壬务：对坝体各部位的土料进行选择，然后确定土料的填筑标准。(土石坝主要由坝壳

5、、防渗体、排水设备、护坡等组成，还有反滤层及过渡层。)土石坝筑坝土料的选择：一般土料原则上均可作为碾压式土石坝的筑坝材料，或经处理后用于坝的不同部位。但下列土料不宜采用：沼泽土、斑脱土、地表土及含有未完全分解有机质的土料。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(坝壳保持大坝稳定)4、排水、护坡对土石料的要求5、反滤料及过渡层土料6、关于风化料及特殊粘土料的采用.均质坝对土料的要求Q)强度指标、c较大。(2)渗透系数k较小,103k防渗体。T经过防渗体后，迅速降低浸润线。有良好级配：级配连续；不均匀系数r1=d60dl030100(4)质:级配良好的无粘性土(砂、砾石

6、、卵石、碎石等)三、土石料填筑标准设计:1、粘性土料的填筑标准：(1)设计指标设计填筑干重度：按压实度P确定。影响土的压实性的因素很多，主要有含水量、击实功能以及土的种类和级配等。(2)施工时主要控制填筑含水量3,选在最优含水量附近。(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：拟定填土的设计填筑干重度，校验填土的设计干重度，调整含水量3使满足填筑要求。一般碾压式土坝设计干重度为15.717.2kNm3,Ln级坝及高坝的压实度P不低于0.960.99,对III、IV、V级坝应不低于0.930.96o施工时压实干重度的合

7、格率，对I、II级坝及高坝的防渗体为90%,对中小型土坝的防渗体和Ln级均质土为85%90%,对中小型均质坝为80%85%2、非粘性土料的填筑标准：(1)压实程度与填筑含水量关系不大，主要与砂石料的级配和压实功能有关。(2)压实程度用相对紧密度Dr表示,要求Dr不低于0.70.75,若为地震区，要求浸润线以上不小于0.7,浸润线以下不低于0.750.85。四、渗流基本方程土坝渗流为层流,因此满足达西定律(DarCySLaW),渗流区内任一点势函数应满足拉普拉斯方程:第三节土石坝的稳定分析一、目的:分析坝体及坝基在各种不同的工作条件下可能产生的稳定破坏形式,通过必要的力学计算，校核坝剖面的安全度

8、，经过反复修改定出经济剖面。；确定土坝稳定性，主要指边坡的抗滑稳定。二、坝坡的滑动面形式:坝坡的滑动面形式主要与坝体结构型式、筑坝材料和地基情况、坝的工作条件等因素有关。L曲线滑动面：滑动面通过粘性土部位时，2、折线滑动面：滑动面通过非粘性土部位时；3、复式滑动面：滑动面通过粘性土和非粘性土构成的多种土质坝时。三、荷载及其组合 （一）作用力L自重：水上湿容重，水下浮容重。2、渗透力:与渗透坡降有关。3、孔隙水压力：总应力法和有效应力法.4、地震力：地震区应考虑地震惯性力。地震惯性力壳拟静力法计算。 （二）荷载组合：正常运用：（1）水库蓄满水（一般为正常蓄水位）形成稳定渗流时，验算下游坝坡稳定。

9、（2）水库水位为最不利水位时，上游坡的计算。（3）库水位降落，使上游坡产生渗透压力时的稳定计算非常运用：（1）库水位骤降时的上游坝坡的计算（2）施工期（含竣工期）考虑孔隙水压力上下游坝坡稳定计算（3）地震情况下，上下游坝坡计算（4）校核水位时下游坡的计算四、稳定分析方法强度分析法和刚体极限平衡法。1、圆弧滑动法：针对粘性土的坝坡；2、折线滑动法：针对非粘性土的坝坡；第五节土石坝的应力应变分析目的：1）分析土石坝在承载时的内力传递情况；2）计算坝体的位移和沉降;3）分析可能的滑动破坏过程；4）研究坝体发生裂缝以及防渗体遭受水力劈裂的可能性；5）分析坝体发生塑性流动的可能性。模型：研究比较深入的是

10、以连续介质力学为基础的弹塑性本构模型。应用较多的是邓肯-张模型双曲线性非线性弹性模型。比较简单，所需要的参数容易获取，计算刚度矩阵方便，同时又能近似地反映土石材料的非线性特性。第四节土石坝的裂缝及其控制 土石坝裂缝类型及控制措施1、类型：干缩、冻融、不均匀沉降、滑坡、水力劈裂等。2、控制措施：合理设计土石坝的剖面和细部结构；选择适宜的筑坝材料并采用合理的设计参数；严格控制施工质量，精心管理第七节土石坝的地基处理2、常见地基(1)岩基或浅覆盖地基(2)砂砾石地基(3)细砂或有淤泥地基(4)粘土或黄土地基3、砂砾石地基处理砂砾石地基的特点：具有较高的抗剪能力和承载能力，压缩变形小，抗渗性能差，因此对这类地基的处理以渗流控制为主。(I)垂直防渗：粘土截水槽、砂防渗墙，灌浆帷幕；(2)水平防渗：铺盖；(3)下游设排水减压设施。*当砂砾石透水层深度不大时QO15米以内)，采用水平铺盖加截水槽的措施二、面板堆石坝迅速发展的原因1、面板设计于堆石体上游面，水压力在上游坝面的铅直分力有助于坝的稳定,坝体工程量是土石坝中最小的；2、振动碾压使得高密实度堆石体变形小；3、面板兼有护坡防浪作用，经济合理；4、面板在上游面，便于检查维修；5、坝体填筑没有粘性土填方，施工干扰小，气候影响也小，基本可全年施工。弱点：面板对基础沉陷敏感，不抗漂浮物冲击。